[論文レビュー] Silicon-Nitride Platform for Narrowband Entangled Photon Generation

Sven Ramelow, Alessandro Farsi+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、30 MHzというこれまでにない低さの可変帯域幅を実現する、CMOSと互換性のある窒化ケイ素（Si3N4）フォトニックチップを示している。低損失および中程度の熱膨張率を活かし、mWレベルのポンプパワーで1550 nmで明るく安定した、広帯域にわたる波長でエンタングルド光子対を発生できる。時間binエンタングルメントの実現と可視光から中赤外域までの動作が可能である。

ABSTRACT

CMOS-compatible photonic chips are highly desirable for real-world quantum optics devices due to their scalability, robustness, and integration with electronics. Despite impressive advances using Silicon nanostructures, challenges remain in reducing their linear and nonlinear losses and in creating narrowband photons necessary for interfacing with quantum memories. Here we demonstrate the potential of the silicon nitride (Si3N4) platform by realizing an ultracompact, bright, entangled photon-pair source with selectable photon bandwidths down to 30 MHz, which is unprecedented for an integrated source. Leveraging Si3N4's moderate thermal expansion, simple temperature control of the chip enables precise wavelength stabilization and tunability without active control. Single-mode photon pairs at 1550 nm are generated at rates exceeding 107 s-1 with mW's of pump power and are used to produce time-bin entanglement. Moreover, Si3N4 allows for operation from the visible to the mid-IR, which make it highly promising for a wide range of integrated quantum photonics applications.

研究の動機と目的

• スケーラブルで頑丈かつ統合可能な量子オプティクスデバイス向けのCMOS互換フォトニックプラットフォームの開発。
• シリコンベースのプラットフォームの限界、例えば高い線形および非線形損失、および狭帯域光子の生成の難しさを克服すること。
• アクティブフィードバックを用いずに、熱制御による正確な波長安定化と可変性を達成すること。
• 1550 nmで30 MHzまで低下する帯域幅を実現する、オンチップでの明るいエンタングルド光子対生成を実証すること。
• 可視光から中赤外域までの波長範囲にわたる統合量子フォトニクスの動作範囲を拡張すること。

提案手法

• 効率的なフォースウェーブミキシングを実現するため、低損失および高非線形性を示す窒化ケイ素（Si3N4）波導の利用。
• スペクトル的に相関する光子対を生成するための超コンactで単モードの波導設計。
• アクティブフィードバックを不要とする、チップ内ヒーターを用いたパass型熱チューニングの採用。
• 1550 nmのmWレベルのポンプパワーを用いて、Si3N4プラットフォームにおけるスパイケンタスフォースウェーブミキシングにより光子対を生成。
• 時間binエンタングルメントを、狭帯域光子対を用いて量子情報応用に向け実装。
• Si3N4の広帯域透過窓を活用し、可視光から中赤外域までの広帯域動作を実証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒化ケイ素波導は、統合的かつCMOS互換性を持つプラットフォームで、100 MHz未満の帯域幅を持つエンタングルド光子対を生成できるか？
• RQ2 アクティブフィードバックを用いずに、パass型熱チューニングが光子対発生の波長をどれほど効果的に安定化および可変化できるか？
• RQ3 小型Si3N4チップにおいて、量子応用向けに達成可能な最大の明るさとスペクトル制御はどの程度か？
• RQ4 Si3N4プラットフォームは、多様な量子フォトニクス応用を想定して、可視光から中赤外域までの動作をサポートできるか？
• RQ5 Si3N4の低損失および中程度の熱膨張率が、安定的かつ高精度なエンタングルメント生成をどの程度可能にするか？

主な発見

• プラットフォームは、統合ソースとして報告された中で最も狭帯域の30 MHzを達成し、記録を更新した。
• mWレベルのポンプパワーで光子対生成レートが10^7 s⁻¹を超えることが確認され、高い明るさと効率性を示した。
• パass型熱チューニングにより、アクティブフィードバックを必要とせず、正確な波長安定化と可変性が実現され、耐障害性とスケーラビリティが向上した。
• 狭帯域光子対を用いた時間binエンタングルメントが成功裏に生成され、量子メモリインターフェースへの適性が確認された。
• Si3N4プラットフォームは、可視光から中赤外域までの動作をサポートし、広帯域量子フォトニクス応用を可能にした。
• 低損失、高非線形性、およびCMOS互換性の組み合わせにより、Si3N4はスケーラブルな量子フォトニクスのための極めて有望なプラットフォームであると判明した。