[論文レビュー] Unidirectional output from a quantum-dot single-photon source hybrid integrated on silicon

Ryota Katsumi, Yasutomo Ota+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 54被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、フォトニクスクリスタルミラーとサブ波長グレーティング（SWG）波ガイドを用いて一方向出力が実現された、シリコン波ガイド上にハイブリッド統合された量子ドット（QD）単一光子源を提示する。干渉を制御して双方向放射を抑制するとともに、SWGの低効果屈折率を活用して位置ずれに対する耐性を高めることで、著者らは74%を超える全QD-波ガイド結合効率を達成し、g(2)[0] = 0.28の実験的確認により単一光子放出を裏付けた。

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.

研究の動機と目的

• シリコン量子フォトニクス回路におけるスケーラブルで決定論的な単一光子源の実現を目的とする。
• 従来の波ガイド結合QD光源における双方向光子放出の制限を克服することを目的とする。
• ハイブリッド統合時の位置ずれに対する感受性を低減するため、波ガイドの有効屈折率を低下させることを目的とする。
• 干渉制御とフォトニクスミラーの反射を用いて、高効率で一方向の単一光子出力を達成することを目的とする。
• 非古典的光子放出と高い結合効率の実験的妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• デバイスは、移動印刷を用いてシリコン波ガイド上にガリウムヒ素ベースの量子ドット（QD）をフォトニクスクリスタルナノビームキャビティに統合する。
• 有効屈折率（neff）を低下させるためにサブ波長グレーティング（SWG）波ガイドが用いられ、干渉振動の周期を延長し、位置決め誤差に対する耐性を向上させる。
• 波ガイドの一方の端にフォトニクスクリスタル（PhC）ミラーを配置し、後退する光子を反射することで、建設的干渉によって一方向出力を実現する。
• キャビティ-波ガイド間距離（L）を調整して干渉を制御する：建設的干渉が結合効率を最大化し、破壊的干渉がそれを抑制する。
• 理論的設計では、キャビティモードと波ガイドモードの位相一致条件を満たすことで、QD-波ガイド結合効率をほぼ1に近づける。
• 実験的妥当性には、時間分解光励起、2次自己相関（g(2)[t]）測定、温度依存Qファクター解析を含み、干渉制御の確認を目的とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 移動印刷されたQD SPSをシリコン波ガイド上に統合した場合、一方向単一光子放出を達成できるか？
• RQ2 サブ波長グレーティングによる有効屈折率の低減は、ハイブリッド統合時の位置ずれに対する耐性をどのように向上させるか？
• RQ3 PhCミラーからの制御された干渉を有するシステムにおけるQD-波ガイド結合効率はどの程度達成可能か？
• RQ4 温度に起因する屈折率変化は、キャビティQファクターと干渉条件にどのように影響を与えるか？
• RQ5 放出光は真正に非古典的であり、単一光子行動を示していると確認できるか？

主な発見

• 最良のサンプルでは全QD-波ガイド結合効率が約74%に達した。QDの測定された自発的放出率は3.8 GHzであり、強いポール効果増幅を示唆している。
• g(2)[0] = 0.28の明確なアンチバッチングディップが観測され、放出光の非古典的性質が裏付けられた。
• 温度依存Qファクター測定により、低温（サンプル1）で建設的干渉が成立していることが確認された。Qファクターは温度上昇に伴い増加し、理論的モデルと整合的であった。
• わずかに異なるキャビティ位置を有する2つのサンプルについて、シミュレートされたQファクターと測定されたQファクターの間に良好な一致が見られ、干渉モデルの妥当性と熱膨張による干渉の調整役割が検証された。
• SWG波ガイド設計によりneffが成功裏に低下し、干渉振動周期が延長され、製造時の約70 nmの位置ずれに対してもシステムの耐性が向上した。
• 測定された放出率とパターンなしQDとの比較に基づき、ポール効果増幅効果からQD-キャビティ結合効率は約88%と推定された。