[论文解读] On-chip nanomechanical filtering of quantum-dot single-photon sources

Xiaoyan Zhou, Ravitej Uppu+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 42被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在GaAs中单片集成的、可纳米机械调谐的光子晶体腔滤波器，可在低温下实现对量子点发射单光子的片上光谱滤波。该滤波器通过电机械位移实现超过10 nm的调谐范围，可在非共振激发下实现高可见度的单光子发射，g²(0) = 0.32 ± 0.05，消光比超过18 dB，这对于可扩展的集成量子光子电路至关重要。

ABSTRACT

Semiconductor quantum dots in photonic integrated circuits enable scaling quantum-information processing to many single photons and quantum-optical gates. On-chip spectral filters are essential to achieve high-purity and coherent photon emission from quantum dots embedded in waveguides, without resorting to free-space optics. Such spectral filters should be tunable, to compensate for the inhomogeneous spectral distribution of the quantum dots transitions. Here, we report an on-chip filter monolithically integrated with quantum dots, that uses nanomechanical motion for tuning its resonant wavelength over 10 nm, enabling operation at cryogenic temperatures and avoiding cross-talk with the emitter. We demonstrate single-photon emission from a quantum dot under non-resonant excitation by employing only the on-chip filter. These results are key for the development of fully-integrated de-multiplexing, multi-path photon encoding schemes, and multi-emitter circuits.

研究动机与目标

• 开发一种可在低温下工作的片上可调谐光谱滤波器，用于量子点单光子源，且无串扰。
• 通过实现滤波器谐振波长的宽范围、精确调谐，克服量子点存在的非均匀光谱分布（约30 nm）。
• 在紧凑的芯片面积内实现高消光比和低损耗，以实现与多个发射器的集成。
• 仅使用片上组件实现单光子发射滤波，无需外部光学元件。
• 通过将可调谐滤波与片上光路引导和探测集成，实现可扩展的量子光子电路。

提出的方法

• 该滤波器基于耦合纳米梁光子晶体腔，其谐振波长通过纳米梁的电机械位移进行调谐。
• 电压引起的机械运动改变了纳米梁之间的耦合强度，使腔的谐振波长在15 V偏置下实现超过10 nm的移动。
• 该器件与InAs/GaAs量子点在波导中单片集成，实现对发射光子的直接滤波。
• 系统在10 K以下温度下运行，确保与量子点工作兼容并最小化热噪声。
• 采用汉伯里·布朗和特维斯（HBT）装置表征滤波器性能，测量g²(0)以评估单光子纯度。
• 理论模型将腔的品质因数（Q）、本征损耗（Qi）和耦合速率（Qc）与透射率和带宽关联，指导设计优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将纳米机械滤波器单片集成于GaAs中的量子点，实现在低温下的片上光谱滤波？
• RQ2 通过电机械驱动，该滤波器的谐振波长可实现多大的调谐范围？
• RQ3 该片上滤波器能否实现足够的消光比和低损耗，以在非共振激发下实现高纯度单光子发射？
• RQ4 与片外滤波相比，该滤波器在g²(0)和单光子不可区分性方面性能如何？
• RQ5 该滤波器设计能否实现与多个量子点源及多路径量子电路的集成？

主要发现

• 该纳米机械滤波器在15 V偏置下实现了超过10 nm的调谐范围，覆盖了量子点典型的非均匀光谱分布。
• 在非共振激发下，该器件对量子点发射的单光子表现出g²(0) = 0.32 ± 0.05的特性。
• 片上滤波器实现了超过18 dB的消光比和超过15 nm的自由光谱范围，有效抑制了非共振发射。
• 透射率测量值约为8%，理论建模表明，通过提高本征品质因数（Qi）可使透射率T提升至60%以上。
• 该滤波器与量子点发射器之间无检测到串扰，可在单一集成电路上共存。
• 该设计具有可扩展性，可兼容未来多个发射器、片上波分复用及Purcell增强的单光子源的集成。