[논문 리뷰] High emission rate from a Purcell-enhanced, triggered source of pure single photons in the telecom C-band

Cornelius Nawrath, Raphael Joos외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 26.

Semiconductor Quantum Structures and Devices인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 원형 브라그 격자에 내장된 InAs/InGaAs/GaAs 양자점 기반의 풀러셀 강화, 촉발식 단일광자 소스를 제시하며, 228 MHz의 자극 반복 주파수에서 13.9 MHz의 광섬유 커플링 단일광자 카운트율과 g²(0) = 0.0052를 달성했으며, 통신 C밴드에서 작동하고 최대 40 K까지 작동 가능한 소형 냉각기와도 호환된다.

ABSTRACT

Several emission features mark semiconductor quantum dots as promising non-classical light sources for prospective quantum implementations. For long-distance transmission [1] and Si-based on-chip processing[2, 3], the possibility to match the telecom C-band [4] stands out, while source brightness and high single-photon purity are key features in virtually any quantum implementation [5, 6]. Here we present an InAs/InGaAs/GaAs quantum dot emitting in the telecom C-band coupled to a circular Bragg grating. The Purcell enhancement of the emission enables a simultaneously high brightness with a fiber-coupled single-photon count rate of 13.9MHz for an excitation repetition rate of 228MHz (first-lens collection efficiency ca. 17% for NA = 0.6), while maintaining a low multi-photon contribution of g(2)(0) = 0.0052. Moreover, the compatibility with temperatures of up to 40K attainable with compact cryo coolers, further underlines the suitability for out-of-the-lab implementations.

연구 동기 및 목표

• 실세계 양자 기술에 적합한 고광도, 순수 단일광자 소스를 개발하기 위해.
• 반도체 양자점에서 고방출 광도와 단일광자 순수성 사이의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 소형 냉각기를 사용한 실험실 외 응용을 위한 호환성을 확보하기 위해.
• 원형 브라그 격자를 통해 풀러셀 강화를 활용하여 수집 효율과 복사 붕괴 속도를 동시에 향상시키기 위해.
• 실리콘 포토닉스와 장거리 양자 통신에 통합 가능한 고정밀 단일광자 방출을 입증하기 위해.

제안 방법

• 통신 C밴드(1530–1565 nm)에서의 방출을 가능하게 하기 위해 얇은 미세조직 버퍼층(MMB)에 성장된 InAs/InGaAs/GaAs 양자점을 기반으로 한 소스.
• 양자점 주변에 원형 브라그 격자(CBG)를 제작하여 풀러셀 강화 및 광범위한 수집 효율 향상을 제공함.
• Su-8 수지를 사용한 뒷면 뒤집힌 칩 결합을 통해 양자점을 실리콘 캐리어로 이송한 후, GaAs 기반 및 AlGaAs 임시 기반층을 선택적 에칭 처리함.
• 전자선 리소그래피 및 인덕티브 결합 플라즈마 반응 이온 에칭(ICP-RIE)을 사용하여 InGaAs 막대에 CBG 구조를 정의함.
• 0.6 NA 현미경 목렌스를 통해 방출된 광자를 수집하며, 광섬유 커플링 편광 분리기와 초도체 나노와이어 단일광자 탐지기(SNSPD)를 사용한 편광 분별 검출을 수행함.
• 76~228 MHz의 반복 주파수로 1530 nm 펄스를 사용하여 p-껍질 전이로 자극하며, 레이저 배경을 억제하고 양자점 방출을 분리하기 위해 볼륨 브라그 필터를 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaAs 기반 양자점 기반의 풀러셀 강화, 통신 C밴드 단일광자 소스가 고광도와 고순수 단일광자 방출을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 실용적이고 소형화된 장치에서 원형 브라그 격자가 복사 붕괴 속도와 수집 효율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 최소한의 다중광자 방출을 유지하면서 촉발 작동 조건에서 얻을 수 있는 최대 광섬유 커플링 단일광자 카운트율은 얼마인가?
• RQ4 소형 냉각기와 호환되는 온도에서 소스는 어떤 성능을 보이며, 실용적 구현 가능성은 어떻게 되는가?
• RQ5 광자 불일치를 제한하는 주요 디코herence 원인은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 228 MHz의 자극 반복 주파수에서 광섬유 커플링 단일광자 카운트율이 13.88 MHz에 도달했으며, 첫 번째 렌즈 수집 효율은 약 17% (NA = 0.6)였다.
• 이차 상관 함수 g²(0)는 (5.2 ± 0.1) × 10⁻³로 측정되어 다중광자 방출이 최소화된 고순수 단일광자 방출을 확인함.
• 풀러셀 인자는 약 3으로 측정되어 복사 붕괴 속도를 향상시켜 고광도를 달성하면서도 낮은 다중광자 함량을 유지함.
• 소형 냉각기를 사용하여 최대 40 K까지 안정적으로 작동함으로써 실험실 외 응용을 위한 실용적 가능성 입증.
• 광자 불일치는 조사되었으며, 양자점 부위에서의 자기장 및 전기장 불안정성이 주요 디코herence 원인으로 밝혀졌으며, 이는 필드 안정화를 통한 공명 향상 가능성을 시사함.
• 수집 및 탐지 효율을 최적화하기 위해 볼륨 브라그 필터와 편광 선택적 SNSPD를 사용하여 고신뢰도 신호 품질 확보.