[論文レビュー] Bright and pure single-photon source in a silicon chip by nanoscale positioning of a color center in a microcavity

Baptiste Lefaucher, Yoann Baron+9 more|ArXiv.org|Jan 22, 2025

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、SOI上の円形ブレッグ共振器内にWセンターを決定論的に配置することで、全シリコンのオンチップ単一光源を実現し、CWおよびパルス励起下で高純度の単一光子純度と高Purcell効果を達成します。

ABSTRACT

We present an all-silicon source of near-infrared linearly-polarized single photons, fabricated by nanoscale positioning of a color center in a silicon-on-insulator microcavity. The color center consists of a single W center, created at a well-defined position by Si$^{+}$ ion implantation through a 150 nm-diameter nanohole in a mask. A circular Bragg grating cavity resonant with the W's zero-phonon line at 1217 nm is fabricated at the same location as the nanohole. By Purcell enhancement of zero-phonon emission, we obtain a photon count rate of $1.29 \pm 0.01$ Mcounts/s at saturation under above-gap continuous-wave excitation with a Debye-Waller factor of $98.6\pm1.4 \%$. A clean photon antibunching behavior is observed up to pump powers ensuring saturation of the W's emission ($g^{(2)}(0)=0.06\pm0.02$ at $P=9.2P_{sat}$), evidencing that the density of additional parasitic fluorescent defects is very low. We also demonstrate the triggered emission of single photons with $93\pm2 \%$ purity under weak pulsed laser excitation. At high pulsed laser power, we reveal a detrimental effect of repumping processes, that could be mitigated using selective pumping schemes in the future. These results represent a major step towards on-demand sources of indistinguishable near-infrared single photons within silicon photonics chips.

研究の動機と目的

• シリコンでナノスケール emitters の配置を用いて、明るく純粋な単一光子をオンチップで決定論的に生成することを実証する。
• WセンターのZPL発光に対する強いPurcell効果を円形ブレッグ格子共振腔(CBG)で達成する。
• CWおよびパルス励起下での単一光子純度、輝度、偏光特性を評価する。
• シリコンフォトニクスにおけるスケーラブルで同一性の高いオンチップ光子源の可能性と限界を評価する。

提案手法

• Si+イオン注入を用い、PMMAマスクの150 nmのナノホールを通してWセンターのアレイを作製する。
• ナノホール位置を中心とし、W ZPLが1217–1218 nmに共振する円形ブレッグ格子共振腔を作成する。
• 上部ギャップを超えるCWおよびパルス励起下でのフォトルミネセンス分光と二次粒子相関 g(2)(τ) による発光特性を評価する。
• 反射率測定を用いて共振モードのカotryQ因子とPurcell強化を抽出し、共振器-発光体結合を解析する。
• パルス励起下での寿命測定を通じてZPL分画とPurcell強化放射寿命を推定する。

Figure 1: Integration of W centers in circular Bragg grating cavities, and expected cavity effects. a, Implantation of Si + ions in SOI through a PMMA layer patterned with nanoholes. b, Activation of the W centers by thermal annealing. The microscopic structure of the W center is shown in the inset.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップのシリコンフォトニック構造でPurcell強化を最大化するように、Wセンターを共振腔アンチノードに決定論的に配置できるか。
• RQ2 CWおよびパルス励起下で、WセンターをSOI CBG共振腔において得られる輝度、純度(g(2)(0))、ZPL分画はどの程度か。
• RQ3 発光体-共振腔のデタuningと配置公差は、収集効率とPurcell因子にどのような影響を与えるか。
• RQ4 非放射性チャネルやブリンクなどの主な制限と、シリコンカラーセンターからのオンチップで同一性の高いシングル光子発光を改善する見通しはどうか。

主な発見

Emitter	Cavity	I_PL (kcps)	tau (ns)	g^(2)(0)	Positioning
G ⋆	2D PhC	20	6.7	0.30	No (Redjem et al. 24)
G	2D PhC	20	6	0.03	No (Saggio et al. see SI in ref.[23])
T	1D PhC	20	169	0.07	No (Islam et al. 21)
W	CBG	940	7	0.03	Yes (This work)

• Wセンターが共振腔アンチノードと位置合わせされた場所で決定論的に作成され、ZPL発光の強いPurcell強化を達成。
• CW飽和カウントレートは約1.29 Mcps付近、g(2)(0) ≈ 0.03–0.06で、全出力範囲にわたり寄生発光が非常に低いことを示す。
• ゼロフォノン分画はPLの約98.6%であり、共振器Purcell強化によるZPL発光が効率的であることを示す。
• 弱パルス励起下で高純度の偏光単一光子源を示し、トリガー発光で93%の純度を達成。
• 共振器反射測定からΔλ ≈ 7.7 nmのモードQ ≈ 158のモードを得ており、ZPLと共振モードの理想的なスペクトル整合を示唆。
• パルス励起下のトリガー発光は単光子発光に対応する中心ピーク面積を示す反波動（ビ Blinkingや準安定状態ダイナミクス）の観察と解析がある。
• 未パターン化のSOI Wセンターと比較して、飽和時のPLカウントレートで約400倍の輝度増大を示し、共振腔が明るさに寄与していることを示した。

Figure 2: Observation of a single W center in a CBG cavity. a, PL map of a single W center in a CBG cavity at saturation under CW excitation. b, PL saturation curve for the W in the CBG cavity under above-gap CW excitation. The PL intensity is integrated over the 1200 - 1300 nm spectral range. The b