[논문 리뷰] On-Chip Single-Photon Sifter

Ali W. Elshaari, Iman Esmaeil Zadeh외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 10.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 2인용 수 76

한 줄 요약

이 논문은 III-V 양자 발광체를 조절 가능한 온칩 필터링과 함께 결정적으로 통합할 수 있는 CMOS 호환성 있는 온칩 단광자 필터를 제안한다. 이는 단광자 라우팅을 가능하게 한다. 하이브리드 나노재료 공정 기술과 양자 파장 분할 다중화를 융합함으로써, 장치는 >95 dB의 자극 억제를 달성하고 40 nm 대역폭에서 효율적인 단광자 라우팅을 실현하며, 테이블탑 시스템 대비 면적을 100만 배 감소시킨다.

ABSTRACT

Quantum states of light play a pivotal role in modern science[1] and future photonic applications[2]. While impressive progress has been made in their generation and manipulation with high fidelities, the common table-top approach is reaching its limits for practical quantum applications. Since the advent of integrated quantum nanophotonics[3] different material platforms based on III-V nanostructures-, color centers-, and nonlinear waveguides[4-8] as on-chip light sources have been investigated. Each platform has unique advantages and limitations in terms of source properties, optical circuit complexity, and scaling potentials. However, all implementations face major challenges with efficient and tunable filtering of individual quantum states[4], scalable integration and deterministic multiplexing of on-demand selected quantum emitters[9], and on-chip excitation-suppression[10]. Here we overcome all of these challenges with a novel hybrid and scalable nanofabrication approach to generate quantum light on-chip, where selected single III-V quantum emitters are positioned and deterministically integrated in a CMOS compatible circuit[11] with controlled on-chip filtering and excitation-suppression.Furthermore, we demonstrate novel on-chip quantum wavelength division multiplexing, showing tunable routing of single-photons. Our reconfigurable quantum photonic circuits with a foot print one million times smaller than similar table-top approaches, offering outstanding excitation suppression of more than 95 dB and efficient routing of single photons over a bandwidth of 40 nm, are essential to unleash integrated quantum optical technologies full potential.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블한 온칩 통합을 통해 테이블탑 양자 광학 시스템의 한계를 극복하고 단광자 소스를 통합한다.
• 온칩 양자 발광체에서 효율적이지 못한 필터링, 낮은 자극 억제율, 결정적인 다중화 부족과 같은 핵심 과제를 해결한다.
• 하이브리드 나노재료 공정 기술을 활용해 고정밀도 단광자 라우팅을 실현하는 스케일러블하고 재구성 가능한 양자 광학 회로를 구현한다.
• 조절 가능한 광자 라우팅을 갖춘 온칩 양자 파장 분할 다중화 플랫폼을 구현하고 면적을 줄인다.
• 결정적인 발광체 위치 조절과 온칩 필터링을 통해 실용적이고 스케일러블한 통합 양자 광학 기술을 실현한다.

제안 방법

• 선택된 III-V 양자 발광체를 CMOS 호환성 있는 광학 회로에 결정적으로 통합하기 위해 하이브리드 나노재료 공정 기술을 활용한다.
• 온칩 필터링 구성 요소를 활용해 40 nm 대역폭에서 선택적이고 조절 가능한 단광자 라우팅을 실현한다.
• 배경광을 최소화하기 위해 자극 억제 구조를 통합하여 >95 dB의 억제율을 달성한다.
• 재구성 가능한 온칩 광자 라우팅을 가능하게 하기 위해 양자 파장 분할 다중화(WDM)를 활용한다.
• 기존 반도체 공정 기술과의 호환성을 보장하고 향후 통합을 위한 가능성을 확보하기 위해 스케일러블한 제조 기술을 활용한다.
• 유사한 테이블탑 시스템 대비 100만 배 작아진 면적을 가진 광학 회로를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 호환성 있는 광학 회로에 III-V 양자 발광체를 결정적으로 통합함으로써 스케일러블한 온칩 단광자 생성 및 라우팅이 가능한가?
• RQ2 온칩 필터링이 넓은 대역폭에서 효율적인 단광자 라우팅을 유지하면서도 >95 dB의 높은 자극 억제율을 달성할 수 있는가?
• RQ3 조절 가능하고 재구성 가능한 광자 라우팅이 가능한 온칩에서 양자 파장 분할 다중화를 어느 정도까지 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 온칩 시스템의 면적은 기존의 테이블탑 양자 광학 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 온칩 필터링과 발광체 위치 조절의 통합이 실용적이고 스케일러블한 양자 광학 회로를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 온칩 단광자 필터는 배경 노이즈를 크게 줄이는 >95 dB의 자극 억제율을 달성한다.
• 장치는 40 nm 대역폭에서 효율적인 단광자 라우팅을 실현하여 넓은 스펙트럼 조절 가능성을 입증한다.
• 광학 회로의 면적은 유사한 테이블탑 시스템 대비 100만 배 작아져 극한의 소형화를 실현한다.
• 플랫폼은 제어 가능한 온칩 필터링을 갖춘 III-V 양자 발광체의 결정적 통합을 지원하여 스케일러블한 양자 광학 회로를 가능하게 한다.
• 재구성 가능한 양자 파장 분할 다중화를 실현하여 온칩에서 조절 가능한 광자 라우팅을 가능하게 한다.
• CMOS 호환성 설계는 기존 반도체 제조 공정과의 호환성을 보장하여 향후 확장성을 지원한다.