[論文レビュー] On-Chip Single-Photon Sifter

Ali W. Elshaari, Iman Esmaeil Zadeh+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 2被引用数 76

ひとこと要約

本論文は、可調動的でオンチップ内フィルタリングを備えた、III-V半導体発光素子との決定的統合を可能にする、CMOS準拠のオンチップ単一光子シーブを提案する。ハイブリッドナノフォトニクスと量子波長分割多重技術を組み合わせることで、40 nm帯域幅にわたる効率的な単一光子ルーティングと95 dBを超える励起抑制を実現し、従来のテーブルトップシステムと比較してフォトニクス回路の面積を100万倍小さくした。

ABSTRACT

Quantum states of light play a pivotal role in modern science[1] and future photonic applications[2]. While impressive progress has been made in their generation and manipulation with high fidelities, the common table-top approach is reaching its limits for practical quantum applications. Since the advent of integrated quantum nanophotonics[3] different material platforms based on III-V nanostructures-, color centers-, and nonlinear waveguides[4-8] as on-chip light sources have been investigated. Each platform has unique advantages and limitations in terms of source properties, optical circuit complexity, and scaling potentials. However, all implementations face major challenges with efficient and tunable filtering of individual quantum states[4], scalable integration and deterministic multiplexing of on-demand selected quantum emitters[9], and on-chip excitation-suppression[10]. Here we overcome all of these challenges with a novel hybrid and scalable nanofabrication approach to generate quantum light on-chip, where selected single III-V quantum emitters are positioned and deterministically integrated in a CMOS compatible circuit[11] with controlled on-chip filtering and excitation-suppression.Furthermore, we demonstrate novel on-chip quantum wavelength division multiplexing, showing tunable routing of single-photons. Our reconfigurable quantum photonic circuits with a foot print one million times smaller than similar table-top approaches, offering outstanding excitation suppression of more than 95 dB and efficient routing of single photons over a bandwidth of 40 nm, are essential to unleash integrated quantum optical technologies full potential.

研究の動機と目的

• テーブルトップ量子フォトニクスシステムの限界を克服し、単一光子源のスケーラブルでオンチップ統合を実現すること。
• オンチップ量子発光素子における非効率なフィルタリング、低い励起抑制、決定的マルチプレクシングの欠如といった重要な課題に取り組むこと。
• ハイブリッドナノフォトニクス手法を用いて、高精度な単一光子ルーティングを実現するスケーラブルで再設定可能な量子フォトニクス回路を構築すること。
• 可調動的で再設定可能なオンチップ量子波長分割多重を実現する、小型化されたCMOS準拠のプラットフォームを提示すること。
• 決定的発光素子配置とオンチップ内フィルタリングを統合することで、実用的でスケーラブルな統合量子光技術を実現すること。

提案手法

• 選択されたIII-V半導体発光素子を、CMOS準拠フォトニクス回路に決定的に統合するためのハイブリッドナノフォトニクス手法を採用する。
• オンチップ内フィルタリング素子を用いて、40 nm帯域幅にわたる選択的かつ可調動的な単一光子ルーティングを実現する。
• 励起抑制構造を統合することで、バックグラウンド光を最小限に抑え、95 dBを超える抑制効果を達成する。
• 再設定可能なオンチップ内単一光子ルーティングを実現するため、量子波長分割多重（WDM）を採用する。
• スケーラブルなフォトニクスプロセスを活用し、既存の半導体プロセスとの適合性を確保するとともに、将来の統合を支援する。
• 同種のテーブルトップシステムと比較して100万倍小さい面積を実現するフォトニクス回路を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 III-V半導体発光素子のCMOS準拠フォトニクス回路への決定的統合は、スケーラブルなオンチップ内単一光子生成とルーティングを可能にするか？
• RQ2 オンチップ内フィルタリングは、広帯域幅にわたって高い励起抑制（95 dB以上）を実現しながら、効率的な単一光子ルーティングを維持できるか？
• RQ3 可調動的かつ再設定可能な光子ルーティングを実現するにあたり、オンチップ内に量子波長分割多重をどの程度実装できるか？
• RQ4 このオンチップシステムのフォトニクス回路面積は、従来のテーブルトップ量子フォトニクスシステムと比べてどの程度小さいか？
• RQ5 オンチップ内フィルタリングと発光素子の配置統合は、実用的でスケーラブルな量子フォトニクス回路の実現を可能にするか？

主な発見

• オンチップ単一光子シーブは、95 dBを超える励起抑制を達成し、バックグラウンドノイズを顕著に低減した。
• 40 nm帯域幅にわたる効率的な単一光子ルーティングが可能であり、広帯域での可調動性を示した。
• フォトニクス回路の面積は、同等のテーブルトップシステムと比較して100万倍小さく、極めて小型化された。
• プラットフォームは、制御されたオンチップ内フィルタリングを備えたIII-V半導体発光素子の決定的統合をサポートし、スケーラブルな量子フォトニクス回路を実現した。
• 再設定可能な量子波長分割多重が実証され、オンチップ内での可調動的光子ルーティングが可能となった。
• CMOS準拠の設計により、既存の半導体フォトニクスプロセスと適合し、将来的なスケーラビリティを支援する。