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

Cornelius Nawrath, Raphael Joos+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2022

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 8

一句话总结

本论文提出了一种基于InAs/InGaAs/GaAs量子点的Purcell增强型、触发式单光子源，采用环形布拉格光栅结构，在228 MHz激发重复频率下实现了13.9 MHz的光纤耦合单光子计数率，g²(0) = 0.0052，工作于电信C波段，并兼容最高40 K的紧凑型制冷机。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于实际量子技术应用的高亮度、高纯度、兼容电信C波段的单光子源。
• 克服半导体量子点在高发射亮度与单光子纯度之间的权衡难题。
• 实现与紧凑型制冷机的兼容性，以支持非实验室环境下的量子应用。
• 利用环形布拉格光栅实现Purcell增强，同时提升收集效率与辐射衰变速率。
• 展示适合与硅光子学集成及远距离量子通信的高保真度单光子发射。

提出的方法

• 该源基于在薄型 metamorphic buffer layer (MMB) 上外延生长的InAs/InGaAs/GaAs量子点，以实现电信C波段（1530–1565 nm）的发射。
• 在量子点周围制作环形布拉格光栅（CBG），以提供Purcell增强并改善宽带收集效率。
• 通过使用Su-8树脂的倒装芯片键合技术将器件转移至Si载板，随后选择性刻蚀GaAs衬底和AlGaAs牺牲层。
• 采用电子束光刻与电感耦合等离子体反应离子束蚀刻（ICP-RIE）在InGaAs膜上定义CBG结构。
• 使用0.6 NA的显微镜物镜收集发射光子，通过光纤耦合偏振分束器与超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）实现偏振分辨探测。
• 通过1530 nm皮秒脉冲激发p壳层跃迁，激发重复频率为76至228 MHz，利用体积布拉格滤波器抑制激光背景并隔离量子点发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于GaAs基量子点的Purcell增强型、电信C波段单光子源能否同时实现高亮度与高单光子纯度？
• RQ2 环形布拉格光栅在实际紧凑器件中，对辐射衰变速率与收集效率的增强程度如何？
• RQ3 在触发工作模式下，实现最小多光子发射的最高光纤耦合单光子计数率是多少？
• RQ4 该源在兼容紧凑制冷机的温度下性能如何，是否具备实际部署潜力？
• RQ5 限制光子不可区分性的主要退相干来源是什么，如何加以缓解？

主要发现

• 在228 MHz激发重复频率下，该源实现13.88 MHz的光纤耦合单光子计数率，第一透镜收集效率约为17%（NA = 0.6）。
• 测得的二阶相关函数g²(0)为(5.2 ± 0.1) × 10⁻³，证实了高单光子纯度及极低的多光子发射。
• 约3倍的Purcell因子增强了辐射衰变速率，实现了高亮度，同时保持了低多光子成分。
• 该器件在最高40 K的温度下稳定运行，使用紧凑制冷机，证明了其在非实验室量子应用中的实际可行性。
• 对光子不可区分性的研究发现，量子点位置的磁质和电场不稳定性是主要的退相干来源，提示通过磁场稳定化可提升相干性。
• 通过体积布拉格滤波器与偏振选择性SNSPDs优化了系统效率（包括收集与探测），确保了高信号保真度。