[논문 리뷰] On-chip nanomechanical filtering of quantum-dot single-photon sources

Xiaoyan Zhou, Ravitej Uppu외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 13.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 냉각 온도에서 양자점에서 방출되는 단일 광자를 온칩 스펙트럼 필터링이 가능한 GaAs에서 단일 구조적으로 통합된 나노기계적으로 조절 가능한 광학 격자 공동 필터를 제시한다. 전기 기계적 변위를 통해 >10 nm의 조절 범위를 달성하여 비공명(excitation) 조건 하에서 고해상도 단일 광자 방출을 가능하게 하며, g²(0) = 0.32 ± 0.05 및 >18 dB의 감쇠 비율을 확보한다. 이는 확장 가능한 통합 양자 광학 회로에 필수적이다.

ABSTRACT

Semiconductor quantum dots in photonic integrated circuits enable scaling quantum-information processing to many single photons and quantum-optical gates. On-chip spectral filters are essential to achieve high-purity and coherent photon emission from quantum dots embedded in waveguides, without resorting to free-space optics. Such spectral filters should be tunable, to compensate for the inhomogeneous spectral distribution of the quantum dots transitions. Here, we report an on-chip filter monolithically integrated with quantum dots, that uses nanomechanical motion for tuning its resonant wavelength over 10 nm, enabling operation at cryogenic temperatures and avoiding cross-talk with the emitter. We demonstrate single-photon emission from a quantum dot under non-resonant excitation by employing only the on-chip filter. These results are key for the development of fully-integrated de-multiplexing, multi-path photon encoding schemes, and multi-emitter circuits.

연구 동기 및 목표

• 크로스토크 없이 냉각 온도에서 작동하는 온칩 조절 가능한 스펙트럼 필터를 개발하기 위해.
• 양자점의 비균일한 스펙트럼 분포(~30 nm)를 극복하기 위해 필터의 공진 파장에 대해 넓고 정밀한 조절 기능을 제공하기 위해.
• 다수의 발광체를 한 칩에 통합하기 위해 소형 칩 내에서 고감쇠 비율과 낮은 손실을 달성하기 위해.
• 이식 가능한 외부 광학 장치 없이도 온칩 구성 요소만으로 단일 광자 방출을 필터링하는 것을 증명하기 위해.
• 조절 가능한 필터링을 온칩 광신호 라우팅 및 검출과 통합하여 확장 가능한 양자 광학 회로를 실현하기 위해.

제안 방법

• 필터는 나노빔 간의 결합 강도가 전기 기계적 변위에 의해 조절되는 연계된 나노빔 광학 격자 공동 기반이다.
• 전압 유도 기계 운동이 나노빔 간의 결합 강도를 변화시켜 15 V의 전압 편압에서 10 nm 이상의 공진 파장 이동을 유도한다.
• 파동도와 함께 InAs/GaAs 양자점과 단일 구조적으로 통합되어 방출된 광자를 직접 필터링할 수 있다.
• 시스템은 10 K 이하의 온도에서 작동하여 양자점의 작동과 열 노이즈 최소화에 적합하다.
• g²(0) 측정 및 단일 광자 순도 평가를 위해 해너리 브라운 앤 투이스(Hanbury Brown and Twiss) 설정을 사용하여 필터 성능을 특성화한다.
• 이론적 모델은 전송 및 대역폭 최적화를 위한 공진 고질량 요소(Q), 내재 손실(Qi), 결합 속도(Qc) 간의 관계를 기반으로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaAs에서 양자점과 나노기계적 필터를 단일 구조적으로 통합하여 냉각 온도에서 온칩 스펙트럼 필터링을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 전기 기계적 액추에이터를 사용할 경우 필터의 공진 파장 조절 범위는 어느 정도인가?
• RQ3 온칩 필터가 비공명 조건 하에서 고순도 단일 광자 방출을 가능하게 하기 위해 충분한 감쇠 비율과 낮은 손실을 달성할 수 있는가?
• RQ4 g²(0) 및 단일 광자 불가분성 측면에서 온칩 필터링과 외부 필터링 간의 성능 비교는 어떠한가?
• RQ5 이러한 필터 설계는 다수의 양자점 소스 및 다중 경로 양자 회로와의 통합을 위해 확장 가능한가?

주요 결과

• 나노기계적 필터는 15 V의 편압에서 >10 nm의 조절 범위를 확보하여 일반적인 양자점의 비균일한 스펙트럼 분포를 커버한다.
• 비공명 조건 하에서 양자점의 방출을 필터링할 경우 단일 광자 방출이 g²(0) = 0.32 ± 0.05로 나타난다.
• 온칩 필터는 감쇠 비율 >18 dB 및 자유 스펙트럼 범위 >15 nm를 확보하여 비공명 방출의 효과적인 억제를 가능하게 한다.
• 전송율은 약 8%로 측정되었으며, 이론적 모델링에 따르면 내재 품질 계수(Qi) 향상으로 인해 제작 향상으로 T > 60%를 달성할 수 있다.
• 양자점 발광체와의 간섭이 감지되지 않아 단일 통합 회로 내에서 공존 가능하다.
• 이 설계는 향후 다수의 발광체, 온칩 디멀티플렉싱, 푸르셀 증폭 단일 광자 소스와의 통합에 적합한 확장 가능성을 지닌다.