[論文レビュー] High emission rate from a Purcell-enhanced, triggered source of pure single photons in the telecom C-band

Cornelius Nawrath, Raphael Joos+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2022

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、円形ブリュースター・グレーティングを用いたInAs/InGaAs/GaAs量子ドットを用いた、Purcell効果を強化したトリガー式単一光子源を提案し、228 MHzの励起繰り返し周波数で13.9 MHzのファイバー結合単一光子カウントレートを達成した。g²(0) = 0.0052であり、通信帯Cバンドで動作し、最大40 Kまで対応するコンactなクライオコールダーとも互換性がある。

ABSTRACT

Several emission features mark semiconductor quantum dots as promising non-classical light sources for prospective quantum implementations. For long-distance transmission [1] and Si-based on-chip processing[2, 3], the possibility to match the telecom C-band [4] stands out, while source brightness and high single-photon purity are key features in virtually any quantum implementation [5, 6]. Here we present an InAs/InGaAs/GaAs quantum dot emitting in the telecom C-band coupled to a circular Bragg grating. The Purcell enhancement of the emission enables a simultaneously high brightness with a fiber-coupled single-photon count rate of 13.9MHz for an excitation repetition rate of 228MHz (first-lens collection efficiency ca. 17% for NA = 0.6), while maintaining a low multi-photon contribution of g(2)(0) = 0.0052. Moreover, the compatibility with temperatures of up to 40K attainable with compact cryo coolers, further underlines the suitability for out-of-the-lab implementations.

研究の動機と目的

• 実用的な量子技術に適した、高輝度・高純度・通信帯Cバンド対応の単一光子源の開発。
• 半導体量子ドットにおける高発光輝度と単一光子純度のトレードオフを克服すること。
• コンパクトなクライオコールダーと互換性を持たせ、研究室外での量子応用を可能とすること。
• 円形ブリュースター・グレーティングを用いたPurcell効果を活用し、同時に集光効率と放射性遷移レートを向上させること。
• シリコンフォトニクスとの統合および長距離量子通信に適した高精度の単一光子放出を実証すること。

提案手法

• 通信帯Cバンド（1530–1565 nm）での発光を可能とする薄いメタモーラルバッファ層（MMB）上に成長したInAs/InGaAs/GaAs量子ドットを用いる。
• QDの周囲に円形ブリュースター・グレーティング（CBG）を形成し、Purcell効果と広帯域の集光効率向上を実現する。
• Su-8レジストを用いたフラップチップボンディングにより、QDをSiキャリアに移設し、その後、GaAs基板およびAlGaAsスペアレイス層を選択的エッチングで除去する。
• 電子ビームリソグラフィーおよび誘導結合プラズマ反応イオンエッチング（ICP-RIE）を用いて、InGaAs膜にCBG構造を定義する。
• 0.6 NAの顕微鏡レンズが発光光子を収率し、ファイバー結合型偏光ビームスプリッターと超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用いた偏光分解検出が行われる。
• 76〜228 MHzの繰り返し周波数で1530 nmのパルスを用いてp準位遷移を励起し、レーザーバックグラウンドを抑止しQD発光を分離するためにボリュームブリュースター・フィルターを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaAsベースの量子ドットを用いたPurcell効果を強化した通信帯Cバンド単一光子源は、高輝度と高単一光子純度を同時に達成できるか？
• RQ2 実用的でコンパクトなデバイスにおいて、円形ブリュースター・グレーティングは放射性遷移レートと集光効率の両方をどの程度向上させるか？
• RQ3 最小限の多光子発生を伴うトリガー動作下で、最大どの程度のファイバー結合単一光子カウントレートが達成可能か？
• RQ4 コンパクトなクライオコールダーと互換性を持つ温度範囲で、この光源はどの程度の性能を示すか？実用的展開に適しているか？
• RQ5 光子の同一性を制限する主なデコherence要因は何か？それらはどのように低減できるか？

主な発見

• 励起繰り返し周波数228 MHzで、ファイバー結合単一光子カウントレートは13.88 MHzに達し、1次レンズの集光効率は約17%（NA = 0.6）であった。
• 2次相関関数g²(0)は(5.2 ± 0.1) × 10⁻³で測定され、多光子発生が最小限に抑えられ、高単一光子純度が確認された。
• Purcell要因は約3であり、放射性遷移レートの向上により高輝度を実現しながら、多光子成分を低減した。
• コンパクトなクライオコールダーを用いて40 Kまで安定して動作し、研究室外での量子応用に実用的であることが示された。
• 光子の同一性は調査され、QDサイトにおける磁場および電場の不安定性が主なデコherence要因と特定され、場の安定化がより高いコherencyを実現する道筋であると示唆された。
• 収率と検出の両方を最適化するため、ボリュームブリュースター・フィルターと偏光選択的SNSPDが用いられ、高い信号忠実度が確保された。