[논문 리뷰] Photon Pair Generation in Silicon Micro-Ring Resonator and Enhancement via Reverse Bias

Erman Engin, Damien Bonneau외 13명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 22.

Photonic and Optical Devices인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 마이크로링 공진기에서 자발적 4웨이브믹싱을 통해 고효율, 저노이즈 광자 쌍 생성을 구현함으로써, 공진률 대 임의율 비율(CAR)이 602 ± 37이고, 광자 쌍 생성률이 123 MHz ± 11 kHz임을 입증한다. 또한 역편압을 가함으로써 p-i-n 구조가 광자 쌍 생성률을 최대 두 배로 증가시키며 CAR에 대한 영향을 최소화함으로써, 확장 가능한 칩 통합 양자 광원을 실현한다.

ABSTRACT

Photon sources are fundamental components for any quantum photonic technology. The ability to generate high count-rate and low-noise correlated photon pairs via spontaneous parametric down-conversion using bulk crystals has been the cornerstone of modern quantum optics. However, future practical quantum technologies will require a scalable integration approach, and waveguide-based photon sources with high-count rate and low-noise characteristics will be an essential part of chip-based quantum technologies. Here, we demonstrate photon pair generation through spontaneous four-wave mixing in a silicon micro-ring resonator, reporting a maximum coincidence-to-accidental (CAR) ratio of 602 (+-) 37, and a maximum photon pair generation rate of 123 MHz (+-) 11 KHz. To overcome free-carrier related performance degradations we have investigated reverse biased p-i-n structures, demonstrating an improvement in the pair generation rate by a factor of up to 2, with negligible impact on CAR.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 마이크로링 공진기를 사용하여 확장 가능한 칩 내 광자 소스를 개발하기 위해.
• 고효율 광자 쌍 생성률과 저노이즈 성능을 확보하기 위해 공진률 대 임의율 비율(CAR)을 높이는 데 목적이 있다.
• 실리콘 웨이브가이드에서 성능을 떨어뜨리는 자유전자 효과를 역편압된 p-i-n 구조를 통해 완화하기 위해.
• 역편압이 CAR에 크게 영향을 주지 않으면서도 광자 쌍 생성률을 향상시킬 수 있음을 입증하여 실용적인 통합을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 상관된 광자 쌍을 생성하기 위해 실리콘 마이크로링 공진기에서 자발적 4웨이브믹싱(SFWM)을 활용하였다.
• 자유전자 억제를 위해 마이크로링에 통합된 p-i-n 다이오드 구조를 사용하여 역편압을 적용하였다.
• 공진률 대 임의율 비율(CAR)을 측정하여 광자 쌍 생성 효율성과 노이즈 수준을 정량화하였다.
• 다양한 역편압 조건 하에서 시간 해상도 공진률 측정을 통해 광자 쌍 생성률을 정량화하였다.
• 비선형 상호작용 효율을 향상시키기 위해 공진기의 Q 인자와 모드 겹침을 최적화하였다.
• 전기적 편압을 통해 자유전자 농도를 제어하고 웨이브가이드의 흡수 유도 손실을 감소시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자발적 4웨이브믹싱을 사용하여 실리콘 마이크로링 공진기에서 고효율, 저노이즈 광자 쌍 생성이 가능한가?
• RQ2 역편압이 실리콘 마이크로링 공진기에서 광자 쌍 생성률을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 역편압이 공진률 대 임의율 비율(CAR)을 떨어뜨려 노이즈가 증가하는가?
• RQ4 역편압 조건에서 p-i-n 접합을 사용하여 실리콘 웨이브가이드의 자유전자 효과를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ5 칩 통합 실리콘 마이크로링 소스에서 확보 가능한 최대 광자 쌍 생성률과 CAR는 얼마인가?

주요 결과

• 실리콘 마이크로링 공진기는 최대 공진률 대 임의율 비율(CAR)이 602 ± 37로 나타나 높은 신호 대 노이즈 성능을 보였다.
• 장치는 최대 광자 쌍 생성률 123 MHz ± 11 kHz를 달성하여 실용적 양자 응용에 적합함을 입증하였다.
• 역편압을 통해 광자 쌍 생성률이 최대 두 배로 증가하여 효율성이 크게 향상됨을 확인하였다.
• CAR는 역편압에 의해 크게 영향을 받지 않아 노이즈 증가가 없었으며, 신호 품질에 대한 영향이 최소화됨을 확인하였다.
• p-i-n 구조는 자유전자 효과를 효과적으로 억제하여 고출력 흥(excitation) 조건에서도 안정된 작동이 가능함을 입증하였다.
• 결과적으로 역편압된 실리콘 마이크로링 공진기를 사용한 확장 가능한 고성능 통합 양자 광학 소스의 실현 가능성을 입증하였다.