[论文解读] On-Chip Single-Photon Sifter

Ali W. Elshaari, Iman Esmaeil Zadeh+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 2被引用 76

一句话总结

本文提出了一种CMOS兼容的片上单光子分选器，实现了III-V量子发射器的确定性集成，并具备可调谐、片上的滤波功能，可实现单光子路由。通过结合混合纳米制造与量子波分复用技术，该器件实现了超过95 dB的激发抑制，以及在40 nm带宽内高效的单光子路由，其尺寸相比台面系统缩小了一百万倍。

ABSTRACT

Quantum states of light play a pivotal role in modern science[1] and future photonic applications[2]. While impressive progress has been made in their generation and manipulation with high fidelities, the common table-top approach is reaching its limits for practical quantum applications. Since the advent of integrated quantum nanophotonics[3] different material platforms based on III-V nanostructures-, color centers-, and nonlinear waveguides[4-8] as on-chip light sources have been investigated. Each platform has unique advantages and limitations in terms of source properties, optical circuit complexity, and scaling potentials. However, all implementations face major challenges with efficient and tunable filtering of individual quantum states[4], scalable integration and deterministic multiplexing of on-demand selected quantum emitters[9], and on-chip excitation-suppression[10]. Here we overcome all of these challenges with a novel hybrid and scalable nanofabrication approach to generate quantum light on-chip, where selected single III-V quantum emitters are positioned and deterministically integrated in a CMOS compatible circuit[11] with controlled on-chip filtering and excitation-suppression.Furthermore, we demonstrate novel on-chip quantum wavelength division multiplexing, showing tunable routing of single-photons. Our reconfigurable quantum photonic circuits with a foot print one million times smaller than similar table-top approaches, offering outstanding excitation suppression of more than 95 dB and efficient routing of single photons over a bandwidth of 40 nm, are essential to unleash integrated quantum optical technologies full potential.

研究动机与目标

• 为克服台面量子光子系统存在的局限性，实现单光子源的可扩展片上集成。
• 解决片上量子发射器中过滤效率低、激发抑制差以及缺乏确定性复用的关键挑战。
• 通过混合纳米制造方法，实现可扩展、可重构的高保真度单光子路由量子光子电路。
• 展示一种尺寸减小、CMOS兼容的片上量子波分复用平台，具备可调谐光子路由功能。
• 通过确定性发射器定位与片上滤波，实现实用化、可扩展的集成量子光学技术。

提出的方法

• 采用混合纳米制造方法，将选定的III-V量子发射器确定性地集成到CMOS兼容的光子电路中。
• 利用片上滤波组件，在40 nm带宽内实现选择性、可调谐的单光子路由。
• 集成激发抑制结构以最小化背景光，实现超过95 dB的抑制。
• 采用量子波分复用（WDM）技术，实现可重构、片上的单光子路由。
• 利用可扩展的制造技术，确保与现有半导体工艺的兼容性，并支持未来集成。
• 设计的光子电路尺寸仅为同等台面系统的百万分之一。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过将III-V量子发射器确定性地集成到CMOS兼容的光子电路中，实现可扩展的片上单光子产生与路由？
• RQ2 片上滤波能否在保持宽频带高效单光子路由的同时，实现超过95 dB的激发抑制？
• RQ3 在片上实现量子波分复用的程度如何，能否实现可调谐、可重构的光子路由？
• RQ4 该片上系统的尺寸与传统台面量子光子系统相比如何？
• RQ5 片上滤波与发射器定位的集成能否实现实用化、可扩展的量子光子电路？

主要发现

• 片上单光子分选器实现了超过95 dB的激发抑制，显著降低了背景噪声。
• 该器件可在40 nm带宽内实现高效的单光子路由，展示了广泛的光谱可调谐性。
• 光子电路的尺寸仅为同等台面系统的百万分之一，实现了极致的小型化。
• 该平台支持III-V量子发射器的确定性集成与可控的片上滤波，实现了可扩展的量子光子电路。
• 该系统展示了可重构的量子波分复用，可在片上实现可调谐的单光子路由。
• CMOS兼容的设计确保了与现有半导体制造工艺的兼容性，支持未来的可扩展性。