[논문 리뷰] Silicon-Nitride Platform for Narrowband Entangled Photon Generation

Sven Ramelow, Alessandro Farsi외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 18.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 19인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 호환성 있는 실리콘 nitride (Si3N4) 광학 칩을 통해 30 MHz까지 낮은 대역폭을 갖는 좁은 대역폭의 얽힌 광자 쌍을 생성함으로써 통합 소스로서는 전례 없는 성과를 달성한다. 실리콘 나이ไตร드의 낮은 손실과 중간 정도의 열팽창 계수를 활용함으로써, mW 수준의 펌프 파wer로 1550 nm에서 밝고 안정적이며 광범위하게 조절 가능한 광자 쌍 방출이 가능해졌으며, 이는 시간-빈도 얽힘과 가시광선에서 중적외선 파장까지의 운영을 가능하게 한다.

ABSTRACT

CMOS-compatible photonic chips are highly desirable for real-world quantum optics devices due to their scalability, robustness, and integration with electronics. Despite impressive advances using Silicon nanostructures, challenges remain in reducing their linear and nonlinear losses and in creating narrowband photons necessary for interfacing with quantum memories. Here we demonstrate the potential of the silicon nitride (Si3N4) platform by realizing an ultracompact, bright, entangled photon-pair source with selectable photon bandwidths down to 30 MHz, which is unprecedented for an integrated source. Leveraging Si3N4's moderate thermal expansion, simple temperature control of the chip enables precise wavelength stabilization and tunability without active control. Single-mode photon pairs at 1550 nm are generated at rates exceeding 107 s-1 with mW's of pump power and are used to produce time-bin entanglement. Moreover, Si3N4 allows for operation from the visible to the mid-IR, which make it highly promising for a wide range of integrated quantum photonics applications.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능하고 견고하며 통합 가능한 양자 광학 장치를 위한 CMOS 호환 광학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 실리콘 기반 플랫폼의 한계, 즉 높은 선형 및 비선형 손실과 좁은 대역폭 광자 생성의 어려움을 극복하기 위해.
• 열 제어를 통해 활성 피드백 없이도 정밀한 파장 안정화 및 조절을 달성하기 위해.
• 1550 nm에서 30 MHz까지 낮은 대역폭을 갖는 온칩 얽힌 광자 쌍 생성을 실제로 구현하기 위해.
• 가시광선에서 중적외선 파장까지의 운영 범위를 확장하여 다양한 양자 광학 응용 분야를 지원하기 위해.

제안 방법

• 저손실 및 고비선형성을 갖춘 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 웨이브가이드를 활용하여 효율적인 4파면 혼합을 구현하기 위해.
• 스펙트럼적으로 상관관계진 광자 쌍을 생성하기 위해 초소형 단일모드 웨이브가이드를 설계하기 위해.
• 활성 피드백 없이도 출력 파장을 안정화하고 조절할 수 있도록 칩 수준의 히터를 이용한 수동 열조절을 적용하기 위해.
• 1550 nm에서 mW 수준의 펌프 파워를 사용하여 Si3N4 플랫폼에서 자발적 4파면 혼합을 통해 광자 쌍을 생성하기 위해.
• 시간-빈도 얽힘을 좁은 대역폭 광자 쌍을 이용해 구현하여 양자 정보 응용 분야에 활용하기 위해.
• Si3N4의 넓은 투과 창대역을 활용하여 가시광선에서 중적외선까지 광범위한 운영 범위를 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드는 통합적이고 CMOS 호환 가능한 플랫폼에서 100 MHz 이하의 대역폭을 갖는 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 수동 열조절은 활성 피드백 없이 얼마나 효과적으로 광자 쌍 방출 파장을 안정화하고 조절할 수 있는가?
• RQ3 작은 Si3N4 칩에서 양자 응용 분야를 위해 달성 가능한 최대 밝기와 스펙트럼 제어 수준은 무엇인가?
• RQ4 Si3N4 플랫폼은 다양한 양자 광학 응용 분야를 위해 가시광선에서 중적외선 스펙트럼까지 운영을 지원할 수 있는가?
• RQ5 Si3N4의 낮은 손실과 중간 정도의 열팽창 계수 덕분에 안정적이고 고정밀도의 얽힘 생성이 얼마나 가능해지는가?

주요 결과

• 플랫폼은 통합 소스로서 기록적인 좁은 광자 쌍 대역폭 30 MHz를 달성하였으며, 이는 현재까지 보고된 바 중 가장 좁은 수준이다.
• mW 수준의 펌프 파워로도 광자 쌍 생성률이 10^7 s⁻¹을 초과하여 높은 밝기와 효율성을 입증하였다.
• 수동 열조절을 통해 활성 피드백 없이도 정밀한 파장 안정화 및 조절이 가능하여 내구성과 확장 가능성이 향상되었다.
• 좁은 대역폭 광자 쌍을 이용해 시간-빈도 얽힘을 성공적으로 생성하였으며, 이는 양자 메모리 인터페이스에 적합함을 확인하였다.
• Si3N4 플랫폼은 가시광선에서 중적외선까지의 운영을 지원하여 광범위한 스펙트럼의 양자 광학 응용 분야를 가능하게 하였다.
• 낮은 손실, 높은 비선형성, CMOS 호환성의 조합으로 인해 Si3N4는 확장 가능한 양자 광학을 위한 매우 유망한 플랫폼이 되었다.