[논문 리뷰] An integrated source of spectrally filtered correlated photons for large scale quantum photonic systems

Nicholas C. Harris, Davide Grassani외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 29.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 81인용 수 56

한 줄 요약

이 논문은 분산 브래그 반사판과 전기적으로 테이너블링된 링 공진기를 사용하여 온칩 펌프 제거가 95 dB를 초과하는, 단일 칩에 통합된 CMOS 호환성 있는 실리콘 포토닉 칩을 제시한다. 이 칩는 스펙트럼적으로 필터링된 양자상관관계를 가진 광자 쌍을 생성하며, 단일 칩에 단일 광자 소스와 검출기를 완전히 통합하여 외부 필터 없이도 50의 동시성 대 잡음 비율을 달성한다. 이는 확장 가능한 양자 포토닉 회로의 길을 열어준다.

ABSTRACT

We demonstrate the generation of quantum-correlated photon-pairs combined with the spectral filtering of the pump field by more than 95dB using Bragg reflectors and electrically tunable ring resonators. Moreover, we perform demultiplexing and routing of signal and idler photons after transferring them via a fiber to a second identical chip. Non-classical two-photon temporal correlations with a coincidence-to-accidental ratio of 50 are measured without further off-chip filtering. Our system, fabricated with high yield and reproducibility in a CMOS process, paves the way toward truly large-scale quantum photonic circuits by allowing sources and detectors of single photons to be integrated on the same chip.

연구 동기 및 목표

• 단일 칩에 단일 광자 소스와 검출기를 통합하여 대규모 양자 포토닉 시스템을 실현하기 위해.
• 외부 필터에 의존하지 않고 약 100 dB의 제거 비율이 필요한 핵심 과제인 온칩 펌프 필드 제거 문제를 해결하기 위해.
• 확장 가능한 양자 네트워크를 위한 광자 쌍의 칩 간 전송을 시연하고, 완전한 펌프 제거 및 신호/이드러 허브 분리 기능을 제공하기 위해.
• 양자 정보 처리에 적합한 고정밀도 비고전적 이중광자 시간 상관관계를 달성하기 위해.
• 표준 CMOS 공정을 사용하여 통합된 양자 포토닉 구성 요소의 확장 가능한 고수율 제조를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 전기적으로 테이너블링 가능한 실리콘 마이크로링 공진기를 통해 자발적 4파면 혼합(sFWM)을 이용해 광자 쌍을 생성한다.
• 2.576 mm 길이의 분산 브래그 반사판(DBR)이 최초의 펌프 제거 기능을 수행하며, 60 dB 이상의 제거 비율을 제공한다.
• 동일한 칩에 있는 열적으로 테이너블링 가능한 추가-드롭 링 공진기를 통해 추가 필터링을 수행하고 총 펌프 제거 비율이 95 dB를 초과하도록 한다.
• 섬유 기반의 칩 간 전송 이후, 신호 및 이드러 광자를 테이너블링 가능한 링 필터를 사용해 스펙트럼적으로 분리한다.
• 외부에 위치한 초도체 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)가 고동시성 대 잡음 비율을 갖는 시간상관 광자 쌍을 측정한다.
• 전체 시스템은 표준 CMOS 실리콘 포토닉 공정으로 제조되어 고수율, 재현성, 확장성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 필터 없이 단일 실리콘 포토닉 통합 회로에서 온칩 펌프 제거 비율이 95 dB를 초과할 수 있는가?
• RQ2 고정밀도로 스펙트럼적으로 상관관계 있는 광자 쌍을 온칩에서 생성, 필터링, 분리할 수 있는가?
• RQ3 광섬유를 통해 동일한 칩 간 광자 쌍을 전송하면서 비고전적 상관관계와 완전한 펌프 제거를 유지할 수 있는가?
• RQ4 추가 외부 필터 없이도 동시성 대 잡음 비율이 고전적 한계(2)를 초과할 수 있는가?
• RQ5 표준 CMOS 호환 공정을 사용하여 단일 칩에 단일 광자 소스와 검출기를 통합하여 대규모 양자 포토닉 시스템을 위한 확장 가능한 제조가 가능한가?

주요 결과

• DBR와 전기적으로 테이너블링 가능한 링 공진기를 조합하여 총 펌프 제거 비율이 95 dB를 초과하는 성과를 달성하였으며, 외부 필터가 필요 없어졌다.
• 실리카 섬유를 통한 칩 간 전송 이후, 펌프 전력 0.3 mW에서 비고전적 이중광자 시간 상관관계를 유지하며 동시성 대 잡음 비율이 50 ± 6을 기록하였다.
• 소스에서 검출기까지의 총 손실은 68 dB이며, 주로 시스템 전반의 전파 및 커플링 손실 때문이었다.
• 소스, 필터링 및 분리 기능을 포함한 전체 구성은 칩당 1 mm² 이내에 수용되어 고밀도 통합 잠재력을 보여주었다.
• 제조 공정은 CMOS 호환성으로 고수율과 재현성이 높아, 통합된 양자 포토닉 구성 요소의 확장 가능한 생산이 가능하다.
• 이 시스템은 단일 칩에 단일 광자 소스와 검출기를 통합할 수 있게 하여, 대규모 선형광학 양자 계산 및 보존 샘플링을 향한 핵심 단계를 밟았다.