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Mie metasurfaces for enhancing photon outcoupling from single embedded quantum emitters
Nanophotonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2024-10-16 , DOI: 10.1515/nanoph-2024-0300 Samuel Prescott, Prasad P. Iyer, Sadhvikas Addamane, Hyunseung Jung, Ting S. Luk, Igal Brener, Oleg Mitrofanov
Nanophotonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2024-10-16 , DOI: 10.1515/nanoph-2024-0300 Samuel Prescott, Prasad P. Iyer, Sadhvikas Addamane, Hyunseung Jung, Ting S. Luk, Igal Brener, Oleg Mitrofanov
Solid-state quantum emitters (QE) can produce single photons required for quantum information processing. However, their emission properties often exhibit poor directivity and polarisation definition resulting in considerable loss of generated photons. Here we propose and numerically evaluate Mie metasurface designs for outcoupling photons from an embedded and randomly-positioned QE. These Mie metasurface designs can provide over one order of magnitude enhancement in photon outcoupling with only several percent of photons being lost. Importantly, the Mie metasurfaces provide the enhancement in photon outcoupling without the need for strict QE position alignment and without affecting the intrinsic QE emission rate (Purcell enhancement). Electric dipole modes are key for achieving the enhancement and they offer a path for selective outcoupling for photons emitted with specific polarisation, including the out-of-plane polarisation. Mie metasurfaces can provide an efficient, polarisation-selective and scalable platform for QEs.
中文翻译:
用于增强单个嵌入式量子发射器的光子外耦合的 Mie 超表面
固体量子发射器 (QE) 可以产生量子信息处理所需的单光子。然而,它们的发射特性通常表现出较差的方向性和偏振清晰度,导致产生的光子损失相当大。在这里,我们提出并数值评估了从嵌入式和随机定位的 QE 中耦合光子的 Mie 超表面设计。这些 Mie 超表面设计可以在光子外耦合中提供超过一个数量级的增强,而只有百分之几的光子丢失。重要的是,Mie 超表面提供了光子外耦合的增强,而无需严格的 QE 位置对齐,也不会影响本征 QE 发射率(Purcell 增强)。电偶极子模式是实现增强的关键,它们为以特定偏振发射的光子(包括面外偏振)的选择性外耦合提供了一条路径。Mie 超表面可以为 QE 提供一个高效、偏振选择性和可扩展的平台。
更新日期:2024-10-16
中文翻译:
用于增强单个嵌入式量子发射器的光子外耦合的 Mie 超表面
固体量子发射器 (QE) 可以产生量子信息处理所需的单光子。然而,它们的发射特性通常表现出较差的方向性和偏振清晰度,导致产生的光子损失相当大。在这里,我们提出并数值评估了从嵌入式和随机定位的 QE 中耦合光子的 Mie 超表面设计。这些 Mie 超表面设计可以在光子外耦合中提供超过一个数量级的增强,而只有百分之几的光子丢失。重要的是,Mie 超表面提供了光子外耦合的增强,而无需严格的 QE 位置对齐,也不会影响本征 QE 发射率(Purcell 增强)。电偶极子模式是实现增强的关键,它们为以特定偏振发射的光子(包括面外偏振)的选择性外耦合提供了一条路径。Mie 超表面可以为 QE 提供一个高效、偏振选择性和可扩展的平台。