高手性度自旋傳輸的光子器件取得新進展

光量子網路近年來在量子資訊處理和傳輸領域中得到了廣泛的關注。光子作為飛行量子位元，具有相干時間長、傳播距離遠、易於操縱和檢測等優點，可以透過連線靜態位元（如量子點）實現量子點-光子介面，從而構建可擴充套件的量子網路。為了實現有效的光與物質相互作用，需要增強光子與量子發射器的耦合。而手性量子光學則為這種強耦合的實現提供了一種新穎的思路。在微納結構中，基於偏振偶極躍遷的量子點發射器可以實現與束縛光場單向性耦合，利用這種手性效應可以抑制發射光子的隨機性，從而實現單光子級別的手性光與物質的強耦合。目前，在光纖、波導、金屬介面等體系中已經有了一些微納尺度的手性量子光學器件。然而這些器件的功能較為簡單，整合度較低，無法滿足光量子網路的整合度要求。因此為了實現高度整合的光量子網路，亟需進一步提升手性光子器件的功能性和複雜性。

圖1。奈米梁波導中的手性。（a）嵌入InGaAs量子點的GaAs奈米梁波導示意圖。（b） 波導橫截面上電場分佈。（c）耦合效率和手性對比度隨偶極子位置的變化。（d）施加-7T到7T的磁場，從左右兩側光柵耦合器分別收集到的量子點的圓極化熒光光譜。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理實驗室L02組的博士生肖姍、許秀來研究員和L03組的金奎娟研究員與奈米物理與器件實驗室N09組的張建軍研究員、王霆副研究員等合作，在手性光子器件研究中取得重要進展。他們前期在耦合單量子點的交叉波導中實現了位置依賴的手性耦合，使得交叉波導具有偏振確定的單向波導和分束器的雙重功能。相關研究成果發表在期刊Applied Physics Letters上，並被選為當期的亮點工作（Featured Work），同時被美國物理學聯合會的Scilight進行了專訪報道。近日，他們又設計並製備了用於實現確定性圓偏振光定向路由和分束功能的緊湊手性光子器件，集成了量子點作為量子光源，並觀測到了圓偏振光子的定向發射和分束，獲得的手性對比度高達0。84。相關成果近期發表在期刊Laser & Photonics Reviews上。

圖2。手性光子分束器件的設計。（a）手性光子器件示意圖。（b）嵌入波導手性點處的兩個不同圓極化偶極子激勵源激發的波導模場分佈。（c）和（d）波導間距為30nm和50nm時，手性對比度隨偶極子位置的變化。

在奈米光波導中，光場受到了強橫向束縛產生沿著傳播方向的縱向場分量，從而形成區域性圓偏振的光場分佈。由於光場的區域性圓偏振態與光的傳播方向耦合形成的光子自旋-動量鎖定效應，自旋極化的量子發射器只能與其中一個傳播方向的光場偏振相匹配，形成光子的定向發射，從而實現確定性的自旋-光子介面。透過電磁模擬對量子點與波導的耦合強度與嵌入位置的最佳化，他們製備了多種含量子點的波導器件。圖1是單根奈米梁波導中的手性傳輸器件及傳輸特性。利用空間選擇性微區熒光光譜的測量，成功地觀測到了量子點躍遷輻射的不同圓偏振光在波導內向不同方向傳播。利用這種波導結構，他們進一步設計了手性光子分束器，如圖2所示。該結構由兩個橫向相鄰的GaAs奈米梁波導和嵌入的自組裝InGaAs量子點構成，其中手性路由來源於波導內部固有的電磁場手性，而分束功能則是透過波導間的倏逝場耦合實現。在該器件中實現了確定性、高方向性圓偏振光子的定向發射和分束，手性對比度高達0。84，如圖3所示。透過改變數子點光源在波導中的位置，觀測到了手性傳輸方向的改變，實現了圓偏振光輸出通道的轉換調控，因此實現了量子發射器在微納結構中的不同位置對手性光傳輸特性的調控。該手性光子器件的實現促進了基於量子點非經典光源的片上整合，具有結構緊湊、易於擴充套件、穩定性好等諸多優點，對實現自旋-路徑的資訊編碼及可擴充套件化的片上手性量子光學網路具有重要的意義。

圖3。 不同手性光子電路中具有確定性自旋傳輸手性行為的實驗結果。（a）和（b）左旋圓偏振光從左側兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從右側兩個光柵耦合器輸出。（c）和（d）改變數子點的位置後，特定圓偏振光子從與上述相反方向的傳輸路徑輸出，即左旋圓偏振光從右側兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從左側兩個光柵耦合器輸出。

該工作得到了國家自然科學基金（批准號：62025507，11934019， 11721404，和11874419），廣東省重點研發專案（批准號：2018B030329001），中科院B類先導專項（專項編號：XDB28000000），中科院科研儀器裝置研製專案（專案編號：YJKYYQ20180036）和中科院創新交叉團隊的支援。

相關連結：

1。 https：//www。onlinelibrary。wiley。com/doi/full/10。1002/lpor。202100009

2。 https：//aip。scitation。org/doi/full/10。1063/5。0042480

3。 https：//aip。scitation。org/doi/10。1063/10。0003795

來自： 中科院物理所，江蘇鐳射聯盟陳長軍轉載