[논문 리뷰] Unidirectional output from a quantum-dot single-photon source hybrid integrated on silicon

Ryota Katsumi, Yasutomo Ota외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 10.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 54인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 광결정 거울과 마이크로파형 격자(SWG) 웨이브가이드를 이용해 단일 양자점(QD) 광원을 실리콘 웨이브가이드에 하이브리드 통합하여 한 방향으로 방출되는 단일 광자 출력을 구현한다. 간섭을 통한 간섭 최소화를 통해 이방향 방출을 억제하고, SWG의 낮은 등效 군집율을 활용하여 위치 이탈에 대한 내성을 향상시킴으로써, 저자들은 총 QD-웨이브가이드 커플링 효율이 74% 이상인 결과를 도출하였으며, 실험적으로 g(2)[0] = 0.28을 확인하여 단일 광자 방출을 입증하였다.

ABSTRACT

We report a quantum-dot single-photon source (QD SPS) hybrid integrated on a silicon waveguide embedding a photonic crystal mirror, which reflects photons and enables efficient unidirectional output from the waveguide. The silicon waveguide is constituted of a subwavelength grating so as to maintain the high efficiency even under the presence of stacking misalignment accompanied by hybrid integration processes. Experimentally, we assembled the hybrid photonic structure by transfer printing, and demonstrated single-photon generation from a QD and its unidirectional output from the waveguide. These results point out a promising approach toward scalable integration of SPSs on silicon quantum photonics platforms.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 양자 광학 회로에서 확장 가능하고 결정론적인 단일 광자 소스를 실현하기 위해.
• 기존의 웨이브가이드 결합 QD 소스에서 발생하는 양방향 광자 방출의 한계를 극복하기 위해.
• 하이브리드 통합 과정에서의 위치 이탈에 대한 민감도를 줄이기 위해 웨이브가이드의 등효율 군집율을 감소시켜야 하므로.
• 간섭 제어와 광결정 거울 반사 작용을 통해 고효율의 한 방향 단일 광자 출력을 달성하기 위해.
• 비국소 광자 방출과 고효율 커플링을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 전이 인쇄를 통해 GaAs 기반 양자점(QD)을 광결정 나노빔 공진기와 실리콘 웨이브가이드에 통합한다.
• 등효율 군집율(neff)을 감소시키기 위해 마이크로파형 격자(SWG) 웨이브가이드를 사용하여 간섭 진동의 주기를 증가시키고 위치 오차에 대한 내성을 향상시킨다.
• 웨이브가이드의 한쪽 끝에 광결정(PhC) 거울을 배치하여 후방으로 진행하는 광자를 반사시켜 간섭 최대화를 통해 한 방향 출력을 실현한다.
• 공진기-웨이브가이드 간 거리(L)를 조절하여 간섭 조건을 제어한다: 간섭 최대화는 커플링 효율을 극대화하고, 간섭 최소화는 이를 억제한다.
• 이론적 설계는 공진기 모드와 웨이브가이드 모드 간 위상 일치 조건을 이용하여 QD-웨이브가이드 커플링 효율을 근접 1에 도달하도록 한다.
• 실험적 검증으로는 시간 해상도가 있는 형광 측정, 이阶 상관도(g(2)[t]) 측정, 온도 의존 Q-요소 분석을 통해 간섭 제어의 타당성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이 인쇄된 QD SPS를 실리콘 웨이브가이드에 통합하여 한 방향 단일 광자 방출을 달성할 수 있는가?
• RQ2 마이크로파형 격자로 등효율 군집율을 감소시켜 하이브리드 통합 과정에서의 위치 이탈에 대한 내성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 광결정 거울에 의한 간섭 제어가 가능한 시스템에서 QD-웨이브가이드 커플링 효율은 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ4 온도에 따른 군집율 변화가 공진기 Q-요소와 간섭 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 방출된 빛이 진정으로 비국소적 특성을 띠며 단일 광자 행동을 보여주는가?

주요 결과

• 가장 우수한 샘플에서 총 QD-웨이브가이드 커플링 효율이 약 74%에 도달하였으며, QD의 측정된 자발적 방출률이 3.8 GHz로 측정되어 강한 퓌르셀 증폭 효과를 나타낸다.
• g(2)[0] = 0.28인 명확한 반구동 패턴이 관측되어 방출된 빛이 비국소적 성질을 띠고 있음을 확인하였다.
• 온도 의존 Q-요소 측정 결과, 저온에서 간섭 최대화 조건을 만족하는 것으로 확인되었으며, 온도 상승에 따라 Q-요소가 증가하는 경향을 보였고, 이는 이론 모델과 일치하였다.
• 약간 다른 공진기 위치를 가진 두 샘플의 시뮬레이션 및 측정된 Q-요소 간 뛰어난 일치를 보였으며, 이는 간섭 모델의 타당성과 열팽창이 간섭 조건 조절에 기여하는 바를 검증하였다.
• SWG 웨이브가이드 설계는 neff를 성공적으로 감소시켜 간섭 진동 주기를 증가시켰고, 제작 과정에서 관측된 약 70 nm의 이격 오차에 대해서도 시스템의 내성을 확보하였다.
• 측정된 방출률과 패턴이 없는 QD와의 비교를 통해 퓌르셀 증폭 효과를 기반으로 약 88%의 QD-공진기 커플링 효율을 유추하였다.