[論文レビュー] Tunable quantum emitters on large-scale foundry silicon photonics

Hugo Larocque, Mustafa Atabey Buyukkaya+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、大規模な300 mmフォージャリーサイリコンフォトニクスと組み合わせたInAs/InP量子ドットマイクロチップレットを統合するハイブリッド統合プラットフォームを提示し、非可逆的スターリングシフトを介した電気的チューニングによる単一光子放出を実現する。このシステムは個々の発光子のアドレス指定が可能で、共鳴蛍光とサブ3 dBのファイバーカップリングを伴うスケーラブルな波長チューニングを達成し、商業的半導体フォージャリーでプログラマブルでオンチップの量子プロセッサの実現に道を拓く。

ABSTRACT

Controlling large-scale many-body quantum systems at the level of single photons and single atomic systems is a central goal in quantum information science and technology. Intensive research and development has propelled foundry-based silicon-on-insulator photonic integrated circuits to a leading platform for large-scale optical control with individual mode programmability. However, integrating atomic quantum systems with single-emitter tunability remains an open challenge. Here, we overcome this barrier through the hybrid integration of multiple InAs/InP microchiplets containing high-brightness infrared semiconductor quantum dot single photon emitters into advanced silicon-on-insulator photonic integrated circuits fabricated in a 300~mm foundry process. With this platform, we achieve single photon emission via resonance fluorescence and scalable emission wavelength tunability through an electrically controlled non-volatile memory. The combined control of photonic and quantum systems opens the door to programmable quantum information processors manufactured in leading semiconductor foundries.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子情報処理を実現するため、チューナブルで単一光子を発光する発光子を大規模フォトニック統合回路（PIC）に統合する課題に取り組む。
• モノリシックなIII-V PICの限界（高損失と個々の発光子制御の欠如）を克服するため、フォージャリーベースのシリコンオブインシュレーター（SOI）PICのスケーラビリティと低損失を活用する。
• トランスファー印刷されたInPチップレットとハイブリッド統合することで、個々の量子ドット発光子の制御を可能にし、非可逆的電気的チューニングを実現する。
• SOI PICにおける優れたポンプ除去能力により、高精度な単一光子放出と共鳴蛍光、最小限のバックグラウンドノイズを達成する。
• 将来の大規模量子フォトニックシステムに向け、商業的半導体フォージャリーと互換性があり、量産可能なプラットフォームを構築する。

提案手法

• 反復的設計とプロセス後処理技術を用いて、サブ3 dBのファイバーカップリング効率を達成した300 mmフォージャリー工程で高度なSOIフォトニック統合回路（PIC）をプロトタイピングした。
• スケーラブルでアライメント精度の高いトランスファー印刷法を用いて、高輝度のInAs/InP量子ドットを含む複数のInAs/InPマイクロチップレットをSOI PICにトランスファー印刷した。
• 焦点を合わせたレーザービームを用いた共鳴励起により、高い信号対ノイズ比で個々の量子ドットからの共鳴蛍光を達成した。
• 各量子ドットの隣接部に電気的制御可能な非可逆的メモリ構造を統合し、継続的な電力供給なしで波長チューニングを可能にする局所的スターリングシフトを実現した。
• 電荷カップルドチューニングメカニズムを用いて静電的ポテンシャルの変調によりスペクトルシフトを誘発し、最小限のクロストークを伴いながら複数の発光子に対してチューニング可能であることを実証した。
• クロス相関測定（g(2)(0) < 0.65）とスペクトルチューニング範囲（最大100 GHz）を用いて発光子の性能を評価し、個々の制御とコherenceの両立を検証した。

Figure 1: Hybrid Integration Architecture. a, Schematics illustrating our approach to integrating tunable single photon emitters embedded in a transfer-printed InP chiplet coupled to a Si PIC waveguide. Maintaining the alignment between the waveguides of the InP chiplet and the Si PIC enables single

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高輝度で安定した単一光子を発光する量子ドットを、大規模でフォージャリー基盤のシリコンフォトニクス回路と高精度でハイブリッド統合可能か？
• RQ2 個々の量子ドット発光子を非可逆的かつ局所的な電気的制御でチューニング可能であり、高い光子不変性と低バックグラウンドノイズを維持できるか？
• RQ3 プロセス後処理とデバイス設計によるスペクトルチューニング範囲と発光子ライン幅の最適化はどの程度達成可能か？
• RQ4 トランスファー印刷と電気的チューニングを用いた複数のチューナブル発光子の1枚のPIC上での統合はどの程度スケーラブルか？
• RQ5 個々の発光子のアドレス指定と低クロストークを備えた、プログラマブルで多数体量子フォトニックシステムをこのプラットフォームがサポートできるか？

主な発見

• 300 mmフォージャリーSOI PICとInAs/InPマイクロチップレットのハイブリッド統合により、サブ3 dBのファイバーカップリング効率を達成し、効率的なオンチップ光インターフェースを実現した。
• 個々の量子ドットからの共鳴蛍光が観測され、g(2)(0) < 0.65 であることを確認し、高精度な単一光子純度と低多重光子発光を裏付けた。
• 電気的制御可能な非可逆的メモリにより、個々の発光子の波長チューニングが最大100 GHzの範囲で可能となり、スケーラブルで低消費電力の波長制御を実現した。
• プラットフォームは優れたポンプ除去特性を示し、追加のフィルタリングなしで共鳴蛍光の直接観測が可能であり、低ノイズ動作にとって不可欠である。
• 発光子間のクロストークは最小限に抑えられ、約5 µm離れた発光子間でもg(2)(0) < 0.65 であったため、高精度な個別アドレス指定と低クロストークを示した。
• 統合手法はスケーラビリティを有し、従来の光学顕微鏡と電極アレイを用いて数百万個のアドレス可能な発光子の実現が可能であると示唆された。

Figure 2: Hybrid PIC Assembly. a, Images of the hybrid PIC at various stages of its assembly along with some of the components used in the process. b, Optical micrograph of the transfered microchiplet surrounded by the components tuning its emitters and routing single photons to the Si PIC. c, Schem