[論文レビュー] Independent operation of two waveguide-integrated quantum emitters

Camille Papon, Ying Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、二重モード波ガイドと局所化された p-i-n 結合を用いて、1つのフォトリック集積回路に統合された2つの波ガイド埋込 InAs 量子ドットの独立した共鳴励起と電気的周波数調整を実証した。2光子量子干渉の可視度は (79±2)%に達し、スケーラブルな量子フォトニクスに不可欠なコherentなオンチップ動作を裏付けた。

ABSTRACT

We demonstrate the resonant excitation of two quantum dots in a photonic integrated circuit for on-chip single-photon generation in multiple spatial modes. The two quantum dots are electrically tuned to the same emission wavelength using a pair of isolated $p$-$i$-$n$ junctions and excited by a resonant pump laser via dual-mode waveguides. We demonstrate two-photon quantum interference visibility of $(79\pm2)\%$ under continuous-wave excitation of narrow-linewidth quantum dots. Our work solves an outstanding challenge in quantum photonics by realizing the key enabling functionality of how to scale-up deterministic single-photon sources.

研究の動機と目的

• 1つのフォトリック集積回路に、決定的単一光子源をスケーリングする課題に取り組む。
• 自己組織的形成量子ドットにおけるスペクトル非一様性と独立制御の欠如という課題を克服する。
• 二重モード波ガイドを用いて、共通のレーザー光源を介し、複数発光体の同時共鳴励起を実現する。
• 分離された p-i-n 結合を用いて、量子ドットの独立した電気的ストークス・チューニングにより、同じ発光波長に合わせることを可能にする。
• スケーラビリティとコherenceのベンチマークとしての高精度な2光子量子干渉を実証する。

提案手法

• TE1 モードが共鳴励起を、TE0 モードが単一光子を収集する二重モード波ガイドを採用する。
• 各量子ドットの隣接部に分離された p-i-n 結合をフォトリックで作製し、独立した電気的ストークス・チューニングを実現する。
• 偏光多様性グレーティング (PDG) を用いて、同じレーザービームを2つの発光体に等しいラビ周波数で分岐・ルーティングする。
• 連続波共鳴励起を適用し、2次相関関数 g(2)(τ) を測定することで、単一光子発光の確認を行う。
• ビームスプリッターを用いて2光子量子干渉 (HOM) 測定を実施し、干渉性の程度を評価する。
• 相関のないノイズを仮定したスペクトル拡散効果のモデルを構築し、実験データと比較してノイズ相関を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所化された電気的ゲートを用いて、2つの波ガイド埋込量子ドットを独立して同じ発光波長にチューニング可能か？
• RQ2 1つのチップ上での独立励起が可能な2つの量子ドット間で、コherentな2光子量子干渉が達成可能か？
• RQ3 遅いスペクトル拡散とノイズ相関は、独立制御発光体における2光子干渉可視度にどのように影響するか？
• RQ4 レーザー抑圧およびフィルタリング性能の限界が、HOM実験における可視度にどの程度寄与しているか？
• RQ5 二重モード波ガイド構造は、高インディスティンガビリティを維持したまま、複数発光体のスケーラブル統合を可能にするか？

主な発見

• デバイスは2光子量子干渉可視度 (79±2)%を達成し、独立して制御された2つの量子ドットからの光子間の高い不変性を実証した。
• 分離された p-i-n 結合による独立した電気的ストークス・チューニングにより、固有の非一様な広がりがあるにもかかわらず、2つの量子ドットのスペクトルを一致させることに成功した。
• 測定された HOM 可視度は、主に残存する g(2)(0) 値とレーザー漏れによる制限を受けており、スペクトル拡散効果による影響ではないことが判明した。
• スペクトル拡散ノイズは2つの量子ドット間で部分的に相関しており、相関のないノイズモデルと比較してその悪影響が軽減されていることが判明した。
• 両発光体の狭帯域幅と高いコherenceは、近似変換限界スペクトル特徴を示し、高精度な光子-発光体インターフェースを確認した。
• このプラットフォームはスケーラブルである：二重モード波ガイドと局所化チューニング設計は、チップ上に2つ以上の発光体を統合可能である。