DOI: 10.1364/OE.420243

本研究提出了一种方案，以提高光子从单个量子发射器到含孔结构纳米纤维中的耦合效率。当单个量子发射器位于一个沿着纳米纤维径向轴的蚀刻圆孔内时，其耦合效率得以有效提高，比仅使用完整的无孔纳米纤维的情况高出一倍。独立于腔的有效增强可以避免为特定波长选择单个发射器，这意味着工作波长范围很宽。通过设置纳米纤维和孔的适当直径，进行数值模拟以优化耦合效率。模拟结果表明，当具有方位极化（x方向）的单个量子发射器位于沿孔轴向且距中心200nm处时，耦合效率可达到62.8％。纳米纤维和孔的直径分别为800nm和400nm，而单个量子发射器的波长为852nm。带有孔的纳米纤维结构简单、易于制备且可与其他微/纳米光子结构集成在一起。这种纤维结构在量子信息处理和量子精度测量中具有广阔的应用前景。

图1.（a）基于常规ONF的耦合系统图。将波长为852nm的单个量子发射器放置在ONF表面上。该图未按比例绘制。（b）计算对应于不同ONF直径的耦合效率。（c）在TE和TM模退化的ONF中，导模的电场强度横向分布。

图2.（a）用于增强SQE（黄色球）耦合效率的带孔ONF的示意图。SQE放置在孔中。插图显示了定制ONF的完整示意图。这些图未按比例绘制。（b）和（c）显示ONF中导模的电场强度横向分布。（b）ONF中的TE模和（c）TM模。ONF和孔的直径分别为800nm和400nm，SQE波长为852nm。

图3.耦合效率与沿y轴的SQE位置的关系。（a-c），（d-f）和（g-i）分别显示ONF直径为400、600和800nm的情况。从左到右的每个图形组显示SQE的轴向、方位和径向极化。每个图中模拟了不同的孔径。对于每种情况，都显示了四个值的孔径。

图4.截止ONF直径与波长的关系，用红色实心点表示。黑线是线性拟合。沿x轴的SQE极化。插图显示了SQE穿过孔的示意图。研究人员扫描SQE的位置以找到最佳的截止ONF直径。

图5.Purcell因子随沿y轴的SQE位置发生变化。每个图从左到右显示SQE的轴向、方位和径向极化。ONF直径为800nm，孔径为400nm。

图6.当y=-200nm时，耦合效率与沿z轴（a）和x轴（b）的SQE位扫描的关系。

图7.最大耦合效率与孔径的关系。红线、绿线和蓝线表示分别对应于400nm、600nm和800nm的不同ONF直径。（a），（b）和（c）分别表示SQE的轴向、方位和径向极化，（d）为其平均值。

图8.最大耦合效率的孔径与SQE波长的关系。ONF直径固定为800nm。黑点表示模拟结果，红线表示关系d=nλ/π，其中n始终设置为1.45。