[論文レビュー] High-throughput quantum photonic devices emitting indistinguishable photons in the telecom C-band

Paweł Holewa, Daniel A. Vajner+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2023

Photonic and Optical Devices参考文献 58被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、テレコムC帯で同一性の高い光子を発する円形ブランデ放射格子共振器中のInAs/InP量子ドットを決定論的に作製し、高いPurcell因子、光子抽出効率、そして記録的な同一性を達成したことを実証している。

ABSTRACT

Single indistinguishable photons at telecom C-band wavelengths are essential for quantum networks and the future quantum internet. However, high-throughput technology for single-photon generation at 1550 nm remained a missing building block to overcome present limitations in quantum communication and information technologies. Here, we demonstrate the high-throughput fabrication of quantum-photonic integrated devices operating at C-band wavelengths based on epitaxial semiconductor quantum dots. Our technique enables the deterministic integration of single pre-selected quantum emitters into microcavities based on circular Bragg gratings. Respective devices feature the triggered generation of single photons with ultra-high purity and record-high photon indistinguishability. Further improvements in yield and coherence properties will pave the way for implementing single-photon non-linear devices and advanced quantum networks at telecom wavelengths.

研究の動機と目的

• ランダムなQD分布によるデバイスの低製造歩留まりを解消し、テレコムC帯の事前選択QDの周囲に決定論的配置を可能にする。
• 1550 nmでの広域イメージングを可能にする、下部金属反射板を備えた平面QD構造を開発。
• 高精度なQD局在と共振器配置を実現し、スケーラブルなQD-CBGデバイスを達成。
• 決定論的QD-CBG結合を示し、測定可能なPurcell強化と単一光子純度および同一性を定量化。
• デバイスの歩留まりと性能を非決定論的製造法と比較評価し、さらなる改良の道筋を示す。

提案手法

• 底部Al反射板を備えたSiO2上の平面InP量子ドット構造を作製し、出射を向上させて広域イメージングを可能にする。
• 温度電気冷却型InGaAsカメラを用いた近赤外広域μ-PLイメージングにより、C帯の単一QDを約80 nmの2D精度で局在化する。
• 二段階の電子ビームリソグラフィーとアライメントマークを用いて、事前選択QDの周囲に円形ブランゲ格子共振器を作製し、約90 nmの2Dキャビティ配置精度を達成。
• クラシカルなダイポールとしてQDをモデル化し、真の開境界条件を持つモーダル法でCBGモードをシミュレートしてηとFPを最適化。
• μ-PL、時間分解PL、g(2)(0)測定、Hong-Ou-Mandel干渉を用いてデバイスを特徴づけ、Purcell強化、単一光子純度、および同一性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 決定論的な製造がテレコム波長の事前選択QD周囲で高い歩留まり・高純度・高い同一性の単一光子源を生み出すか？
• RQ2 決定論的配置で1550 nmのQD-CBGデバイスで達成可能なPurcell因子と光子抽出効率はどれくらいか？
• RQ3 イメージングに基づく局在精度がキャビティ配置精度とデバイス全体の歩留まりにどう影響するか？
• RQ4 準共鳴励起下でのInAs/InP QD in CBGキャビティの光子同一性の限界は？
• RQ5 テレコム波長での非線形デバイスや高度な量子ネットワークに向けた改善には何が必要か？

主な発見

• テレコムC帯で発光するQDの2D精度80 nm、全体キャビティ配置精度90 nmの局在化。
• QD-CBG結合はPurcell因子 FP が 5.0 ± 0.4 (デバイス#1) および 3.8 ± 0.3 (デバイス#2)。
• 光子抽出効率 η = 16.6 ± 2.7% (QD-CBG #1) および 13.3 ± 2.2% (QD-CBG #2) for NA = 0.4.
• Triggered single-photon emission with g^(2)(0) = (3.2 ± 0.6) × 10^-3.
• Hong-Ou-Mandel二光子干渉は同一性 V = 19.3 ± 2.6% with post-selected V_PS = 99.8^{+0.2}_{-2.6}%.
• スペクトル的に一致するQD-CBGデバイスのプロセス歩留まりは Y = 30% versus random-placement yield ~0.67%.