[논문 리뷰] Quantum-dot single-photon source on a CMOS silicon photonic chip integrated using transfer printing

Ryota Katsumi, Yasutomo Ota외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 31.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전이 인쇄를 이용해 에pi성장한 InAs/GaAs 양자점 단일광자 소스를 실리콘 광각파이프에 완전히 CMOS 호환성 있게 통합하는 것을 보여준다. 이 방법은 높은 순도와 효율적인 파이프 커플링을 가능하게 하여 스케일러블 실리콘 양자 광학 회로를 위한 하이브리드 통합의 과제를 극복한다.

ABSTRACT

Silicon photonics is a powerful platform for implementing large-scale photonic integrated circuits (PICs), because of its compatibility with mature complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Exploiting silicon-based PICs for quantum photonic information processing (or the so-called silicon quantum photonics) provides a promising pathway for large-scale quantum applications. For the development of scalable silicon quantum PICs, a major challenge is integrating on-silicon quantum light sources that deterministically emit single photons. In this regard, the use of epitaxial InAs/GaAs quantum dots (QDs) is a very promising approach, because of their capability of deterministic single-photon emission with high purity and indistinguishability. However, the required hybrid integration is inherently difficult and often lacks the compatibility with CMOS processes. Here, we demonstrate a QD single-photon source (SPS) integrated on a glass-clad silicon photonic waveguide processed by a CMOS foundry. Hybrid integration is performed using transfer printing, which enables us to integrate heterogeneous optical components in a simple pick-and-place manner and thus assemble them after the entire CMOS process is completed. We observe single-photon emission from the integrated QD and its efficient coupling into the silicon waveguide. Our transfer-printing-based approach is fully compatible with CMOS back-end processes, and thus will open the possibility for realizing large-scale quantum PICs that leverage CMOS technology.

연구 동기 및 목표

• CMOS 호환성 있는 실리콘 광학 플랫폼에 결정적 단일광자 소스를 통합하여 스케일러블 실리콘 양자 광학 통합 회로를 실현하기 위해.
• 기존 하이브리드 통합 방법의 CMOS 백엔드 공정과의 본질적 불일치 문제를 해결하기 위해.
• InAs/GaAs 양자점에서 실리콘 웨이브가이드로의 단일광자 효율적이고 안정적인 커플링을 달성하기 위해.
• 이질적 광학 구성 요소를 위한 확장 가능한 피크-앤드플레이스 호환 통합 기술을 전이 인쇄를 통해 구현하기 위해.

제안 방법

• 사전 제작된 InAs/GaAs 양자점을 CMOS 공정으로 제작된 유리 코팅 실리콘 광학 웨이브가이드에 전이 인쇄 방식으로 통합하는 것.
• 웨이브가이드 및 그레이팅 커퍼를 포함한 실리콘 광학 회로의 제작을 위해 CMOS 팹 공정을 활용하는 것.
• 전체 CMOS 공정이 완료된 후에 통합이 가능하도록 하는 피크-앤드플레이스 방식을 활용하여 공정 호환성을 유지하는 것.
• 광자 수집 효율을 극대화하기 위해 정렬 및 접합 인터페이스를 최적화하는 것.
• 광자 상호구별성과 순도를 확인하기 위해 g(2)(τ) 측정을 이용한 단일광자 방출 특성 분석을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이 인쇄는 III-V 양자점 실리콘 광학 웨이브가이드에 신뢰성 있고 CMOS 백엔드 공정 호환성 있게 통합할 수 있는가?
• RQ2 양자점에서 실리콘 웨이브가이드로의 단일광자 커플링 효율은 얼마인가?
• RQ3 하이브리드 통합 후에도 통합 시스템은 높은 단일광자 순도와 구별성 유지가 가능한가?
• RQ4 이 방법은 대규모 양자 광학 통합 회로로의 스케일업이 가능한가?

주요 결과

• 전이 인쇄된 양자점 단일광자 소스는 높은 단일광자 순도를 보이며, g(2)(0) < 0.1을 통해 강한 반구성성을 확인한다.
• 실리콘 웨이브가이드로의 효율적 광자 커플링이 달성되어 칩 내 라우팅 및 검출이 가능해진다.
• 통합 공정은 CMOS 백엔드 공정과 완전히 호환되어 스케일러비리티와 기존 반도체 기술과의 공동 개발이 가능해진다.
• 이 방법은 CMOS 공정 후 통합이 가능하여 민감한 구성 요소에 대한 열적 및 화학적 손상을 방지한다.