We report a slot waveguide-enhanced asymmetric photonic crystal optical nanofiber (ONF) cavity to realize cavity quantum electrodynamics. We show that the device can strongly enhance the spontaneous emission of a single quantum emitter leading to a Purcell factor as high as 106 and enables single-photon coupling efficiency as high as 86% into fiber-guided modes. The introduction of the slot enhances the Purcell factor by six times as compared to the ONF cavity structure without slot, and the asymmetric cavity design enables unidirectional coupling of single photons. The cavity is designed to minimize the losses leading to a scattering-limited Q-factor and one-pass loss estimated to be 6388 and 1.2%, respectively. This fiber-coupled single-photon device may open advanced possibilities and applications for quantum information processing.
REFERENCES
1.
H. J.
Kimble
, Nature
453
, 1023
(2008
).2.
E.
Vetsch
,
D.
Reitz
,
G.
Sagué
,
R.
Schmidt
,
S. T.
Dawkins
, and
A.
Rauschenbeutel
, Phys. Rev. Lett.
104
, 203603
(2010
).3.
K. P.
Nayak
,
F.
Le Kien
,
M.
Morinaga
, and
K.
Hakuta
, Phys. Rev. A
79
, 021801
(2009
).4.
R.
Yalla
,
F.
Le Kien
,
M.
Morinaga
, and
K.
Hakuta
, Phys. Rev. Lett.
109
, 63602
(2012
).5.
M.
Sugawara
,
Y.
Xuan
,
Y.
Mitsumori
,
K.
Edamatsu
, and
M.
Sadgrove
, Phys. Rev. Res.
4
, 43146
(2022
).6.
R.
Yalla
,
Y.
Kojima
,
Y.
Fukumoto
,
H.
Suzuki
,
O.
Ariyada
,
K. M.
Shafi
,
K. P.
Nayak
, and
K.
Hakuta
, Appl. Phys. Lett.
120
, 241102
(2022
).7.
M.
Fujiwara
,
H.-Q.
Zhao
,
T.
Noda
,
K.
Ikeda
,
H.
Sumiya
, and
S.
Takeuchi
, Opt. Lett.
40
, 5702
(2015
).8.
Q.
Quan
,
I.
Bulu
, and
M.
Lončar
, Phys. Rev. A
80
, 011810
(2009
).9.
T.
Aoki
,
B.
Dayan
,
E.
Wilcut
,
W. P.
Bowen
,
A. S.
Parkins
,
T. J.
Kippenberg
,
K. J.
Vahala
, and
H. J.
Kimble
, Nature
443
, 671
(2006
).10.
M.
Daly
,
V. G.
Truong
, and
S. N.
Chormaic
, Opt. Express
24
, 14470
(2016
).11.
C.
Junge
,
D.
O'shea
,
J.
Volz
, and
A.
Rauschenbeutel
, Phys. Rev. Lett.
110
, 213604
(2013
).12.
T. J.
Kippenberg
and
K. J.
Vahala
, Science
321
, 1172
(2008
).13.
A.
Goban
,
C. L.
Hung
,
S. P.
Yu
,
J. D.
Hood
,
J. A.
Muniz
,
J. H.
Lee
,
M. J.
Martin
,
A. C.
McClung
,
K. S.
Choi
,
D. E.
Chang
,
O.
Painter
, and
H. J.
Kimble
, Nat. Commun.
5
, 3808
(2014
).14.
V. S. C. M.
Rao
and
S.
Hughes
, Phys. Rev. Lett.
99
, 193901
(2007
).15.
J. T.
Robinson
,
C.
Manolatou
,
L.
Chen
, and
M.
Lipson
, Phys. Rev. Lett.
95
, 143901
(2005
).16.
S. T.
Ho
,
S. L.
McCall
, and
R. E.
Slusher
, Opt. Lett.
18
, 909
(1993
).17.
K. P.
Nayak
,
M.
Sadgrove
,
R.
Yalla
,
F. L.
Kien
, and
K.
Hakuta
, J. Opt.
20
, 073001
(2018
).18.
N.
Lou
,
R.
Jha
,
J. L.
Domínguez-Juárez
,
V.
Finazzi
,
J.
Villatoro
,
G.
Badenes
, and
V.
Pruneri
, Opt. Lett.
35
, 571
(2010
).19.
X.
Wang
,
P.
Zhang
,
G.
Li
, and
T.
Zhang
, Opt. Express
29
, 11158
(2021
).20.
A. W.
Schell
,
H.
Takashima
,
S.
Kamioka
,
Y.
Oe
,
M.
Fujiwara
,
O.
Benson
, and
S.
Takeuchi
, Sci. Rep.
5
, 9619
(2015
).21.
K. P.
Nayak
,
F.
Le Kien
,
Y.
Kawai
,
K.
Hakuta
,
K.
Nakajima
,
H. T.
Miyazaki
, and
Y.
Sugimoto
, Opt. Express
19
, 14040
(2011
).22.
F. L.
Kien
and
K.
Hakuta
, Phys. Rev. A
80
, 53826
(2009
).23.
K. P.
Nayak
,
P.
Zhang
, and
K.
Hakuta
, Opt. Lett.
39
, 232
(2014
).24.
R.
Yalla
,
M.
Sadgrove
,
K. P.
Nayak
, and
K.
Hakuta
, Phys. Rev. Lett.
113
, 143601
(2014
).25.
S.
Sahu
,
K. P.
Nayak
, and
R.
Jha
, J. Opt.
24
, 115401
(2022
).26.
K. P.
Nayak
,
J.
Wang
, and
J.
Keloth
, Phys. Rev. Lett.
123
, 213602
(2019
).27.
W.
Li
,
J.
Du
, and
S.
Nic Chormaic
, Opt. Lett.
43
, 1674
(2018
).28.
H.
Takashima
,
M.
Fujiwara
,
A. W.
Schell
, and
S.
Takeuchi
, Opt. Express
24
, 15050
(2016
).29.
R.
Yalla
,
K.
Muhammed Shafi
,
K. P.
Nayak
, and
K.
Hakuta
, Appl. Phys. Lett.
120
, 071108
(2022
).30.
S.
Murmu
,
A.
Kumar
, and
R.
Jha
, Adv. Quantum Technol.
5
, 2100160
(2022
).31.
A.
Reiserer
and
G.
Rempe
, Rev. Mod. Phys.
87
, 1379
(2015
).32.
T. G.
Tiecke
,
J. D.
Thompson
,
N. P.
De Leon
,
L. R.
Liu
,
V.
Vuletić
, and
M. D.
Lukin
, Nature
508
, 241
(2014
).33.
D.
Tiarks
,
S.
Baur
,
K.
Schneider
,
S.
Dürr
, and
G.
Rempe
, Phys. Rev. Lett.
113
, 053602
(2014
).34.
K. O.
Hill
,
Y.
Fujii
,
D. C.
Johnson
, and
B. S.
Kawasaki
, Appl. Phys. Lett.
32
, 647
(1978
).35.
R.
Yalla
and
K.
Hakuta
, Appl. Phys. B.
126
, 187
(2020
).36.
J.
Keloth
,
M.
Sadgrove
,
R.
Yalla
, and
K.
Hakuta
, Opt. Lett.
40
, 4122
(2015
).37.
H.
Takashima
,
A.
Schell
, and
S.
Takeuchi
, Opt. Express
31
, 13566
(2023
).38.
J.
Keloth
,
K. P.
Nayak
, and
K.
Hakuta
, Opt. Lett.
42
, 1003
(2017
).39.
S.
Sahu
and
R.
Jha
, Indian J. Pure Appl. Phys.
61
, 546
(2023
).40.
M. W.
McCutcheon
,
D. E.
Chang
,
Y.
Zhang
,
M. D.
Lukin
, and
M.
Loncar
, Opt. Express
17
, 22689
(2009
).41.
T.
Yamamoto
,
M.
Notomi
,
H.
Taniyama
,
E.
Kuramochi
,
Y.
Yoshikawa
,
Y.
Torii
, and
T.
Kuga
, Opt. Express
16
, 13809
(2008
).42.
P.
Lodahl
,
S.
Mahmoodian
,
S.
Stobbe
,
A.
Rauschenbeutel
,
P.
Schneeweiss
,
J.
Volz
,
H.
Pichler
, and
P.
Zoller
, Nature
541
, 473
(2017
).43.
W.
Li
,
J.
Du
,
V. G.
Truong
, and
S.
Nic Chormaic
, Appl. Phys. Lett.
110
, 253102
(2017
).44.
J.
Guimbao
,
L.
Sanchis
,
L.
Weituschat
,
J.
Manuel Llorens
,
M.
Song
,
J.
Cardenas
, and
P. A.
Postigo
, ACS Photonics
9
, 1926
(2022
).45.
M.
Daly
,
V. G.
Truong
,
C. F.
Phelan
,
K.
Deasy
, and
S.
Nic Chormaic
, New J. Phys.
16
, 053052
(2014
).46.
K. P.
Nayak
,
P. N.
Melentiev
,
M.
Morinaga
,
F.
Le Kien
,
V. I.
Balykin
, and
K.
Hakuta
, Opt. Express
15
, 5431
(2007
).47.
S.
Liu
,
K.
Srinivasan
, and
J.
Liu
, Laser Photonics Rev.
15
, 2100223
(2021
).© 2024 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.
