Quantum Dots in Near Zero Index environment: Design, Fabrication and Optical Characterization

Quantum light sources operating in the telecom C-band are crucial for scalable quantum computing and long-distance quantum networking. Self-assembled InAs quantum dots in indium phosphide (InP) substrates have emerged as leading candidates for on-chip single-photon emitters at 1550nm. Here, we investigate the integration of such quantum dots into an effective near-zero-index (NZI) environment, realized by an all-dielectric photonic-crystal (PHC) slab. In the NZI regime, the electromagnetic field acquires a spatially uniform phase, creating a dissipative bath that enhances cooperative emitter dynamics and can mediate long-range quantum correlations. The NZI modes in the photonic crystal are usually linked to the presence of a Dirac-like cone at the center of the Brillouin zone. Using MIT Photonic Bands, we mapped the formation of Dirac-like cones in the crystal parameter space. Subsequently, finite-difference time-domain (FDTD) simulations were performed with Ansys Lumerical to study the cooperative dynamics of the quantum emitters. Finally, we fabricated finite PHC membranes with embedded InAs/InP quantum dots and discussed the optical characterization techniques that will unambiguously verify NZI-enhanced cooperative dynamics of the emitters.

Le sorgenti di luce quantistica operanti nella banda C delle telecomunicazioni sono cruciali per la computazione quantistica scalabile e per il networking quantistico a lunga distanza. I quantum dots (QDs) di InAs auto-assemblati su substrati di fosfuro di indio (InP) si sono affermati come candidati principali per emettitori di singoli fotoni ad una lunghezza d’onda di 1550 nm. In questo lavoro, abbiamo studiato l’integrazione di tali punti quantici in un ambiente ad indice di rifrazione effettivo prossimo a zero (NZI), realizzato mediante un cristallo fotonico (PHC) interamente dielettrico. Nel regime NZI, il campo elettromagnetico acquisisce una fase spazialmente uniforme, creando un bagno dissipativo che potenzia le dinamiche cooperative degli emettitori e può mediare correlazioni quantistiche, entanglement, a lungo raggio. I modi NZI nel cristallo fotonico sono generalmente associati alla presenza di un cono Dirac-like al centro della zona di Brillouin. Utilizzando MIT Photonic Bands, abbiamo mappato la formazione di coni nello spazio dei parametri del cristallo. Successivamente, sono state eseguite simulazioni nel dominio del tempo a differenze finite (FDTD) con Ansys Lumerical per studiare le dinamiche cooperative degli emettitori quantistici. Infine, abbiamo fabbricato membrane PHC di dimensioni finite con QDs di InAs/InP integrati e ne abbiamo discusso le tecniche di caratterizzazione ottica che permetteranno di verificare in modo inequivocabile le dinamiche cooperative degli emettitori potenziate dall’ambiente NZI