[논문 리뷰] Tunable quantum emitters on large-scale foundry silicon photonics

Hugo Larocque, Mustafa Atabey Buyukkaya외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 10.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대규모 300 mm 공장 기반 실리콘 포토닉스와 InAs/InP 양자점 마이크로칩렛을 하이브리드로 통합한 플랫폼을 제시하며, 비가역적 스타크 시프트를 통한 전기적 토닝을 통해 전기적으로 조절 가능한 단일 광자 방출을 가능하게 한다. 이 시스템은 개별 발광체의 주소 지정이 가능하고, 공명 광학 방출을 구현하며, 3 dB 이내의 섬유 커플링을 통해 확장 가능한 파장 토닝을 실현하여 상용 반도체 공장에서 구현 가능한 프로그래머블이고 온칩 양자 프로세서의 길을 열어준다.

ABSTRACT

Controlling large-scale many-body quantum systems at the level of single photons and single atomic systems is a central goal in quantum information science and technology. Intensive research and development has propelled foundry-based silicon-on-insulator photonic integrated circuits to a leading platform for large-scale optical control with individual mode programmability. However, integrating atomic quantum systems with single-emitter tunability remains an open challenge. Here, we overcome this barrier through the hybrid integration of multiple InAs/InP microchiplets containing high-brightness infrared semiconductor quantum dot single photon emitters into advanced silicon-on-insulator photonic integrated circuits fabricated in a 300~mm foundry process. With this platform, we achieve single photon emission via resonance fluorescence and scalable emission wavelength tunability through an electrically controlled non-volatile memory. The combined control of photonic and quantum systems opens the door to programmable quantum information processors manufactured in leading semiconductor foundries.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 조절 가능한 단일 광자 발광체를 대규모 포토닉 통합 회로(PIC)와 통합하는 데 도전하는 것.
• 모노리식 III-V PIC의 한계(고조도 손실 및 개별 발광체 제어 불가)를 극복하기 위해 공장 기반 실리콘 온 인슐레이터(SOI) PIC의 확장성과 낮은 손실을 활용하는 것.
• 이식 가능한 전기적 제어를 통해 전이 인쇄된 InP 칩렛과의 하이브리드 통합을 통해 다수의 양자점 발광체를 개별 제어하는 것.
• SOI PIC에서 뛰어난 펌프 제거 성능을 통해 고정밀 단일 광자 방출과 공명 광학 방출, 최소한의 배경 노이즈를 실현하는 것.
• 미래의 대규모 양자 포토닉 시스템을 위한 상용 반도체 공장과 호환되는 확장 가능하고 제조 가능한 플랫폼을 개발하는 것.

제안 방법

• 300 mm 공장 공정을 통해 고도로 발전된 SOI 포토닉 통합 회로(PIC)를 제작하였으며, 반복적 설계 및 후처리 기법을 통해 3 dB 이내의 섬유 커플링 효율을 확보하였다.
• 확장 가능하고 정렬 정밀도가 높은 전이 인쇄 기법을 사용하여 고광도 InAs/InP 양자점이 포함된 InAs/InP 마이크로칩렛을 SOI PIC에 전이 인쇄하였다.
• 초점 레이저 빔을 통한 공명 자극을 통해 고신호 대 노이즈 비율을 확보한 개별 양자점에서의 공명 광학 방출을 구현하였다.
• 각 양자점 근처에 전기 제어가 가능한 비가역 메모리 구조를 통합하여 국소적 스타크 시프트를 가능하게 하여 지속 전원 공급 없이도 파장 토닝을 실현하였다.
• 전하 결합 토닝 메커니즘을 활용해 전기적 잠재 에너지 조절을 통해 스펙트럼 시프트를 유도함으로써 다수의 발광체에 대해 최소한의 교란을 유도하며 토닝 가능성을 확보하였다.
• 교차 상관 측정(g(2)(0) < 0.65) 및 스펙트럼 토닝 범위(최대 100 GHz)를 통해 개별 제어 및 양자 간섭성의 유효성을 검증하였다.

Figure 1: Hybrid Integration Architecture. a, Schematics illustrating our approach to integrating tunable single photon emitters embedded in a transfer-printed InP chiplet coupled to a Si PIC waveguide. Maintaining the alignment between the waveguides of the InP chiplet and the Si PIC enables single

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고광도 단일 광자 방출 양자점은 대규모 공장 기반 실리콘 포토닉 회로와 안정적이고 정밀하게 하이브리드 통합이 가능한가?
• RQ2 높은 광자 불변성과 낮은 배경 노이즈를 유지하면서도 비가역적이고 국소적인 전기 제어를 통해 개별 양자점 발광체를 조절할 수 있는가?
• RQ3 후처리 및 장치 공학을 통해 스펙트럼 토닝 범위와 발광체의 선폭을 얼마나 최적화할 수 있는가?
• RQ4 전이 인쇄와 전기 토닝을 활용한 한 개의 PIC에 다수의 조절 가능한 발광체를 통합하는 데 있어 확장성은 어느 정도인가?
• RQ5 이 플랫폼은 개별 발광체 주소 지정과 낮은 교란을 갖춘 프로그래머블 다체 양자 포토닉 시스템을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 300 mm 공장 기반 SOI PIC와 InAs/InP 마이크로칩렛의 하이브리드 통합을 통해 3 dB 이내의 섬유 커플링 효율을 달성하여 효율적인 온칩 광학 인터페이스를 실현하였다.
• g(2)(0) < 0.65를 확보한 개별 양자점에서 공명 광학 방출을 관측하여 고단일 광자 순도와 낮은 다중 광자 방출을 확인하였다.
• 전기 제어가 가능한 비가역 메모리가 개별 발광체의 스펙트럼 토닝 범위를 최대 100 GHz까지 가능하게 하여 확장 가능하고 저전력 파장 제어를 실현하였다.
• 플랫폼는 뛰어난 펌프 제거 성능을 보이며, 추가 필터링 없이도 직접적으로 공명 광학 방출을 관측할 수 있었고, 이는 낮은 노이즈 작동에 필수적인 요소였다.
• 발광체 간 교란은 최소화되었으며, 약 5 µm 떨어진 발광체 간 g(2)(0) < 0.65를 확보하여 고정밀 개별 주소 지정과 낮은 교란을 입증하였다.
• 통합 방법는 확장 가능하며, 일반 광학 현미경과 전극 어레이를 활용해 수백만 개의 주소 지정 가능한 발광체를 구현할 수 있는 잠재력을 지녔다.

Figure 2: Hybrid PIC Assembly. a, Images of the hybrid PIC at various stages of its assembly along with some of the components used in the process. b, Optical micrograph of the transfered microchiplet surrounded by the components tuning its emitters and routing single photons to the Si PIC. c, Schem