[論文レビュー] Photon Pair Generation in Silicon Micro-Ring Resonator and Enhancement via Reverse Bias

Erman Engin, Damien Bonneau+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2012

Photonic and Optical Devices被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、シリコンマイクロリングレゾネータにおける自己励起四波混合を用いて、高効率・低ノイズの光子対生成を実証しており、一致率対偶然率比（CAR）は602 ± 37、光子対生成率は123 MHz ± 11 kHzを達成した。さらに、p-i-n構造に逆バイアスをかけることで、CARの著しい劣化を伴わず、光子対生成率を最大2倍に向上させることができ、スケーラブルでチップ統合型の量子光子源の実現に貢献した。

ABSTRACT

Photon sources are fundamental components for any quantum photonic technology. The ability to generate high count-rate and low-noise correlated photon pairs via spontaneous parametric down-conversion using bulk crystals has been the cornerstone of modern quantum optics. However, future practical quantum technologies will require a scalable integration approach, and waveguide-based photon sources with high-count rate and low-noise characteristics will be an essential part of chip-based quantum technologies. Here, we demonstrate photon pair generation through spontaneous four-wave mixing in a silicon micro-ring resonator, reporting a maximum coincidence-to-accidental (CAR) ratio of 602 (+-) 37, and a maximum photon pair generation rate of 123 MHz (+-) 11 KHz. To overcome free-carrier related performance degradations we have investigated reverse biased p-i-n structures, demonstrating an improvement in the pair generation rate by a factor of up to 2, with negligible impact on CAR.

研究の動機と目的

• シリコンマイクロリングレゾネータを用いて、スケーラブルでオンチップの光子源を開発すること。
• 高い光子対生成レートと低ノイズを実現し、高い一致率対偶然率比（CAR）で定量的に評価すること。
• 逆バイアスを用いたp-i-n構造により、シリコン波ガイドにおけるフリー・キャリア効果が引き起こす性能劣化を軽減すること。
• 逆バイアスがCARに顕著な悪影響を及げず、光子対生成レートを向上させられることを実証し、実用的な統合を可能とすること。

提案手法

• 自己励起四波混合（SFWM）を用いてシリコンマイクロリングレゾネータ内で相関光子対を生成した。
• マイクロリングに統合されたp-i-nダイオード構造を用い、フリー・キャリア抑制のための逆バイアスを適用した。
• 一致率対偶然率比（CAR）を測定し、光子対生成効率とノイズレベルを定量的に評価した。
• さまざまな逆バイアス条件下で時間分解型一致計数を用いて光子対生成レートを定量評価した。
• 非線形相互作用効率を向上させるために、レゾネータのQファクターやモード重ね合わせを最適化した。
• 電気的バイアスを用いてフリー・キャリア密度を制御し、波ガイド内の吸収損失を低減した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己励起四波混合を用いたシリコンマイクロリングレゾネータで、高効率・低ノイズの光子対生成が可能かどうか。
• RQ2 逆バイアスがシリコンマイクロリングレゾネータにおける光子対生成レートにどの程度向上効果をもたらすか。
• RQ3 逆バイアスが一致率対偶然率比（CAR）を低下させ、ノイズが増加するかどうか。
• RQ4 p-i-nジャンクションを逆バイアス状態で用いることで、シリコン波ガイド内のフリー・キャリア効果を効果的に抑制できるか。
• RQ5 チップ統合型シリコンマイクロリング光源で達成可能な最大の光子対生成レートとCARは何か。

主な発見

• シリコンマイクロリングレゾネータは最大で602 ± 37の一致率対偶然率比（CAR）を達成し、優れた信号対ノイズ性能を示した。
• デバイスは最大で123 MHz ± 11 kHzの光子対生成レートを達成し、実用的な量子応用に適していた。
• 逆バイアスにより、光子対生成レートが最大2倍に向上し、大幅な効率向上が確認された。
• CARは逆バイアスの影響をほとんど受けておらず、ノイズの顕著な増加も認められず、信号品質の著しい劣化がないことが確認された。
• p-i-n構造はフリー・キャリア効果を効果的に抑制し、高出力励起下でも安定した動作を可能にした。
• これらの結果は、逆バイアスを施したシリコンマイクロリングレゾネータが、スケーラブルで高パフォーマンスな統合量子フォトニクス用光源として実現可能であることを裏付けた。