[논문 리뷰] Independent operation of two waveguide-integrated quantum emitters

Camille Papon, Ying Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 18.

Semiconductor Lasers and Optical Devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이중 모드 파손 및 국소적 p-i-n 접합을 사용하여 단일 광학 통합 회로 내에 내장된 두 개의 웨이브가이드 통합 InAs 양자점의 독립적이고 공진 조절 및 전기적 튜닝을 구현한다. 이는 (79±2)%의 이광자 양자 간섭 가시도를 달성하여 확장 가능한 양자 포토닉스에 필수적인 간섭성 내재 동작을 입증한다.

ABSTRACT

We demonstrate the resonant excitation of two quantum dots in a photonic integrated circuit for on-chip single-photon generation in multiple spatial modes. The two quantum dots are electrically tuned to the same emission wavelength using a pair of isolated $p$-$i$-$n$ junctions and excited by a resonant pump laser via dual-mode waveguides. We demonstrate two-photon quantum interference visibility of $(79\pm2)\%$ under continuous-wave excitation of narrow-linewidth quantum dots. Our work solves an outstanding challenge in quantum photonics by realizing the key enabling functionality of how to scale-up deterministic single-photon sources.

연구 동기 및 목표

• 단일 광학 통합 회로에서 결정적인 단일 광자 소스의 스케일업 문제를 해결한다.
• 자기 조립된 양자점에서의 스펙트럼 비균일성과 독립 제어의 부재 문제를 극복한다.
• 이중 모드 웨이브가이드를 통해 공유 레이저 소스를 이용해 다수의 발광체를 동시에 공진 조절할 수 있도록 한다.
• 격리된 p-i-n 접합을 통해 양자점을 독립적으로 전기적으로 튜닝하여 동일한 방출 파장으로 정렬한다.
• 확장성과 간섭성의 기준으로서의 고정밀 이광자 양자 간섭을 입증한다.

제안 방법

• TE1 모드가 공진 조절을 제공하고 TE0 모드가 단일 광자를 수집하는 이중 모드 웨이브가이드를 사용한다.
• 각 양자점 주변에 격리된 p-i-n 접합을 형성하여 독립적인 전기적 스타크 튜닝을 구현한다.
• 동일한 레이저 빔을 두 발광체에 균일한 라비 주파수로 분할 및 루팅하기 위해 편광 다양성 격자(PDG)를 사용한다.
• 연속파 공진 조절을 적용하고 두 번째 순서 상관 함수 g(2)(τ)를 측정하여 단일 광자 방출을 확인한다.
• 빔 스플리터를 사용하여 두 광자 간섭(HOM) 측정을 수행하여 상호구별성의 정도를 평가한다.
• 상관 없는 노이즈를 가정한 스펙트럼 확산 효과를 모델링하고 실험 데이터와 비교하여 노이즈 상관관계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 전기 게이트를 사용하여 두 개의 웨이브가이드 통합 양자점이 동일한 방출 파장으로 독립적으로 튜닝될 수 있는가?
• RQ2 단일 칩 상에서 독립적으로 자극된 두 개의 양자점 간에 간섭성 이광자 양자 간섭이 달성 가능한가?
• RQ3 느린 스펙트럼 확산과 노이즈 상관관계는 독립적으로 제어되는 발광체에서 이광자 간섭 가시도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 레이저 억제 및 필터링 성능이 HOM 실험에서 가시도에 제한을 미치는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 이중 모드 웨이브가이드 아키텍처는 고상호구별성과 함께 다수의 양자 발광체를 확장 가능한 방식으로 통합하는 데 적합한가?

주요 결과

• 장치는 (79±2)%의 이광자 양자 간섭 가시도를 달성하여 독립적으로 제어되는 두 개의 양자점에서 유래한 광자의 고상호구별성을 입증한다.
• 격리된 p-i-n 접합을 통한 독립 전기 튜닝은 본질적인 비균일한 넓이로 인한 영향에도 불구하고 두 양자점의 스펙트럼 정렬을 가능하게 한다.
• 측정된 HOM 가시도는 스펙트럼 확산 효과보다 잔여 g(2)(0) 값과 레이저 누설로 인한 제한에 의해 주로 결정된다.
• 스펙트럼 확산 노이즈는 두 양자점 간에 부분적으로 상관되어 있음을 발견하여, 상관 없는 노이즈 모델에 비해 악영향이 감소한다.
• 두 발광체의 좁은 스펙트럼 폭과 높은 간섭성은 거의 변환 한계 스펙트럼 특성을 갖는 고정밀 광자-발광체 인터페이스를 확인한다.
• 이 플랫폼은 확장 가능하다: 이중 모드 웨이브가이드와 국소 튜닝 설계는 두 개 이상의 발광체를 칩 내에서 통합하는 데 확장 가능하다.