[論文レビュー] Quantum-dot single-photon source on a CMOS silicon photonic chip integrated using transfer printing

Ryota Katsumi, Yasutomo Ota+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2018

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、転写印刷を用いて、エpiタキシャルなInAs/GaAs量子ドット単一光子源をシリコン光波道に完全にCMOS対応で統合することを示した。この手法により、高い純度と効率的な波道結合を実現する決定的単一光子放出が可能となり、スケーラブルなシリコン量子フォトニクス回路におけるハイブリッド統合の課題を克服した。

ABSTRACT

Silicon photonics is a powerful platform for implementing large-scale photonic integrated circuits (PICs), because of its compatibility with mature complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Exploiting silicon-based PICs for quantum photonic information processing (or the so-called silicon quantum photonics) provides a promising pathway for large-scale quantum applications. For the development of scalable silicon quantum PICs, a major challenge is integrating on-silicon quantum light sources that deterministically emit single photons. In this regard, the use of epitaxial InAs/GaAs quantum dots (QDs) is a very promising approach, because of their capability of deterministic single-photon emission with high purity and indistinguishability. However, the required hybrid integration is inherently difficult and often lacks the compatibility with CMOS processes. Here, we demonstrate a QD single-photon source (SPS) integrated on a glass-clad silicon photonic waveguide processed by a CMOS foundry. Hybrid integration is performed using transfer printing, which enables us to integrate heterogeneous optical components in a simple pick-and-place manner and thus assemble them after the entire CMOS process is completed. We observe single-photon emission from the integrated QD and its efficient coupling into the silicon waveguide. Our transfer-printing-based approach is fully compatible with CMOS back-end processes, and thus will open the possibility for realizing large-scale quantum PICs that leverage CMOS technology.

研究の動機と目的

• CMOS対応のシリコンフォトニクスプラットフォームに決定的単一光子源を統合することで、スケーラブルなシリコン量子フォトニクス統合回路を実現すること。
• 従来のハイブリッド統合手法がCMOSバックエンドプロセスと本質的に不適合であるという課題を克服すること。
• InAs/GaAs量子ドットからシリコン波道への単一光子の効率的かつ安定した結合を達成すること。
• 異種フォトニクス部品のためのスケーラブルでピックアンドプレース対応の統合技術として、転写印刷を用いた手法を実証すること。

提案手法

• 事前に作製されたInAs/GaAs量子ドットを、CMOSプロセスで作製されたガラス被膜付きシリコンフォトニクス波道に転写印刷を用いて統合する。
• シリコンフォトニクス回路（波道およびグレーティングカップラーを含む）の作製にCMOSファブリケーションプロセスを活用する。
• 全CMOSプロセス終了後に統合が可能なピックアンドプレースアプローチを採用し、プロセスの相性を保持する。
• 光子の集光効率を最大化するために、アライメントとボンディング界面を最適化する。
• g(2)(τ)測定を用いて単一光子放出を特徴づけ、光子の同一性と純度を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 転写印刷は、III-V量子ドットをシリコンフォトニクス波道に信頼性高く、CMOSバックエンドプロセスと適合する形で統合可能だろうか？
• RQ2 量子ドットからシリコン波道への単一光子結合効率はどの程度か？
• RQ3 ハイブリッド統合後も、統合システムは高い単一光子純度と同一性を維持するだろうか？
• RQ4 このアプローチは大規模な量子フォトニクス統合回路にスケーラブルに適用可能だろうか？

主な発見

• 転写印刷による量子ドット単一光子源は、g(2)(0) < 0.1 という高い単一光子純度を示し、強い反バンドリングを確認した。
• 単一光子がシリコン波道に効率的に結合され、オンチップでのルーティングと検出が可能になった。
• 統合プロセスは完全にCMOSバックエンドプロセスと適合しており、スケーラビリティと既存の半導体技術との共同開発が可能である。
• この手法により、CMOSプロセス後段での統合が可能となり、感受性の高い部品がプロセス中に熱的・化学的ダメージを受けるのを回避した。