[论文解读] Individually Addressable and Spectrally Programmable Artificial Atoms in Silicon Photonics

Mihika Prabhu, Carlos Errando-Herranz+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 11

一句话总结

该论文首次实现了在硅光子集成电路（PICs）中单片集成可单独寻址且光谱可编程的G中心人工原子，实现了波长为1278 nm的单光子发射，非均匀线宽窄至1.1 nm，激发态寿命为8.3 ± 0.7 ns。作者提出一种非易失性光学修整技术，可实现高达300 pm（55 GHz）的光谱移位，使发射器与25 GHz通信波长信道对齐，为可扩展的、与VLSI兼容的量子光子学铺平道路。

ABSTRACT

Artificial atoms in solids have emerged as leading systems for quantum information processing tasks such as quantum networking, sensing, and computing. A central goal is to develop platforms for precise and scalable control of individually addressable artificial atoms that feature efficient optical interfaces. Color centers in silicon, such as the recently-isolated carbon-related 'G-center', exhibit emission directly into the telecommunications O-band and can leverage the maturity of silicon-on-insulator (SOI) photonics. Here, we demonstrate the generation, individual addressing, and spectral trimming of G-center artificial atoms in a SOI photonic integrated circuit (PIC) platform. Focusing on the neutral charge state emission at 1278nm, we observe waveguide-coupled single photon emission with an exceptionally narrow inhomogeneous distribution with standard deviation of 1.1nm, an excited state lifetime of 8.3$\pm$0.7ns, and no degradation after months of operation. In addition, we introduce a technique for optical trimming of spectral transitions up to 300 pm (55 GHz) and local deactivation of single artificial atoms. This non-volatile "spectral programming" enables the alignment of quantum emitters into 25 GHz telecommunication grid channels. Our demonstration opens the path to quantum information processing based on implantable artificial atoms in very large scale integrated (VLSI) photonics.

研究动机与目标

• 实现人工原子在硅光子集成电路（PICs）中的可扩展单片集成，以支持大规模量子光子学。
• 通过使用基于硅的色心，克服传统量子平台在单片可制造性不足和光学接口效率低下方面的局限。
• 实现硅光子集成电路中G中心缺陷的单独寻址与光谱控制，使其与25 GHz通信频段网格对齐。
• 展示非易失性、光致光谱编程及局部发射器禁用技术，实现精确的发射器工程。
• 在全集成硅平台上验证长期稳定性与高保真度的量子发射。

提出的方法

• 利用绝缘体上硅（SOI）技术制造具有单模波导和高Q因子谐振腔的硅光子集成电路（PICs）。
• 在SOI晶圆中植入并激活G中心缺陷（C_s-Si_i-C_s），形成在O波段发射波长为1278 nm的人工原子。
• 采用连续波532 nm激光激发，在低温（6 K）条件下进行光谱测量，以探测单光子发射与二阶相关性。
• 通过聚焦激光辐照实现光学修整，利用电荷重分布与直流斯塔克效应实现高达300 pm的非易失性光谱移位。
• 采用有限差分特征模仿真模拟电场分布，并估算表面电荷效应引起的斯塔克移位。
• 分析热仿真结果，排除局部加热作为光谱移位原因，支持光致电荷变化导致的斯塔克移位假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在硅光子集成电路中实现可单独寻址的G中心人工原子的单片集成，并实现高保真度的单光子发射？
• RQ2 在波导耦合的PIC平台上，G中心发射的可实现光谱线宽与稳定性如何？
• RQ3 光学辐照能否实现非易失性、光谱可编程的G中心跃迁调谐？最大可实现的移位量是多少？
• RQ4 所观测到的光谱移位的物理机制是什么——热效应、电离，还是电荷重分布引起的直流斯塔克效应？
• RQ5 能否通过光学控制实现对单个发射器的局部禁用，从而实现量子发射器阵列的选择性工程？

主要发现

• G中心缺陷表现出波导耦合的单光子发射，非均匀线宽仅为1.1 nm，表明阵列中具有高光谱纯度与均匀性。
• 激发态寿命测量值为8.3 ± 0.7 ns，证实具有强光学相干性，适用于量子信息应用。
• 在连续运行超过一个月后，未观察到发射强度或光谱特性退化，表明具有长期稳定性。
• 光学修整技术可实现高达300 pm（55 GHz）的非易失性光谱移位，使发射器精确对齐至25 GHz通信波长信道。
• 光谱调谐归因于Si/SiO2界面处光致电荷变化引起的直流斯塔克移位，估算电场强度达约100 MV/m，潜在移位可达1000 GHz。
• 热仿真结果排除了局部加热作为光谱移位原因，支持电荷介导的斯塔克移位而非热效应的假设。