[論文レビュー] On-chip nanomechanical filtering of quantum-dot single-photon sources

Xiaoyan Zhou, Ravitej Uppu+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ガリウムヒ素（GaAs）にモノリシックに統合されたナノメカニカルに調整可能なフォトニクスクリスタルキャビティフィルタを提案する。このフィルタは低温下で量子ドットから発生する単一光子のオンチップスペクトルフィルタリングを可能にする。電気機械的変位により10 nmを超える調整範囲を達成し、非共鳴励起下での高可視性の単一光子放出（g²(0) = 0.32 ± 0.05）と18 dBを超える消光比を実現する。これはスケーラブルで統合された量子フォトニクス回路にとって不可欠である。

ABSTRACT

Semiconductor quantum dots in photonic integrated circuits enable scaling quantum-information processing to many single photons and quantum-optical gates. On-chip spectral filters are essential to achieve high-purity and coherent photon emission from quantum dots embedded in waveguides, without resorting to free-space optics. Such spectral filters should be tunable, to compensate for the inhomogeneous spectral distribution of the quantum dots transitions. Here, we report an on-chip filter monolithically integrated with quantum dots, that uses nanomechanical motion for tuning its resonant wavelength over 10 nm, enabling operation at cryogenic temperatures and avoiding cross-talk with the emitter. We demonstrate single-photon emission from a quantum dot under non-resonant excitation by employing only the on-chip filter. These results are key for the development of fully-integrated de-multiplexing, multi-path photon encoding schemes, and multi-emitter circuits.

研究の動機と目的

• 低温下でクロスタッチを伴わずに動作するオンチップで調整可能なスペクトルフィルタを、量子ドットからの単一光子源に開発すること。
• 量子ドットの不均一スペクトル分布（約30 nm）を克服するため、フィルタの共鳴波長を広範囲かつ高精度に調整可能にする。
• コンactなフォトニクス回路に統合可能な小型化されたフォームファクターで、高い消光比と低損失を実現すること。
• 外部光学素子を一切使用せず、オンチップ部品のみで単一光子放出をフィルタリングすること。
• 調整可能なフィルタリングをオンチップ光ルーティングおよび検出と統合することで、スケーラブルな量子フォトニクス回路を実現すること。

提案手法

• フィルタは、ナノビームの電気機械的変位によって共鳴波長を調整可能な、結合されたナノビームフォトニクスクリスタルキャビティに基づく。
• 電圧誘発の機械的運動によりナノビーム間の結合強度が変化し、15 Vのバイアスで10 nmを超える共鳴波長シフトが達成される。
• 波導にモノリシックに統合されたInAs/GaAs量子ドットと組み合わせ、発生した光子を直接フィルタリング可能である。
• システムは10 K未満の温度で動作し、量子ドットの動作と熱雑音の低減に適合する。
• g²(0)の測定と単一光子純度の評価に、ハンタリー・ブラウン・アンド・トゥイス（HBT）装置を用いてフィルタの性能を特徴づける。
• 理論的モデルにより、キャビティの品質因子（Q）、内在損失（Qi）、結合レート（Qc）が透過率とバンド幅に与える影響を定式化し、設計最適化を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノメカニカルフィルタをガリウムヒ素の量子ドットとモノリシックに統合し、低温下でオンチップスペクトルフィルタリングを実現できるか？
• RQ2 電気機械的アクチュエータを用いた場合、フィルタの共鳴波長の調整範囲はどの程度達成可能か？
• RQ3 オンチップフィルタが、非共鳴励起下での高純度単一光子放出を実現するのに十分な消光比と低損失を達成できるか？
• RQ4 g²(0)および単一光子の同一性の観点から、オフチップフィルタリングと比較してフィルタの性能はどの程度か？
• RQ5 本フィルタ設計は、複数の量子ドット光源およびマルチパス量子回路への統合を可能にするスケーラビリティを有するか？

主な発見

• ナノメカニカルフィルタは15 Vのバイアスで10 nmを超える調整範囲を達成し、量子ドットの典型的な不均一スペクトル分布をカバーする。
• 非共鳴励起下で量子ドットからの発光をフィルタリングした際、g²(0) = 0.32 ± 0.05 の単一光子放出を示した。
• オンチップフィルタは18 dBを超える消光比と15 nmを超える自由スペクトル範囲を達成し、非共鳴発光の効果的抑制を実現した。
• 透過率は約8%で測定されたが、理論的モデリングにより、内在品質因子（Qi）の向上によりT > 60%を達成可能であると示唆された。
• 量子ドット発光源との間に検出可能なクロストークは認められず、1つの統合回路内での共存が可能である。
• 本設計はスケーラブルであり、将来的な複数発光源、オンチップデマルチプレクシング、およびフォールド・エンハンスド単一光子源との統合にも対応可能である。