[论文解读] Tunable quantum emitters on large-scale foundry silicon photonics

Hugo Larocque, Mustafa Atabey Buyukkaya+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种混合集成平台，将InAs/InP量子点微芯片与大规模300 mm代工厂硅光子学相结合，通过非易失性斯塔克移位实现电控可调的单光子发射。该系统实现了单个发射器的可寻址性、共振荧光以及亚3 dB的光纤耦合，为在商业半导体代工厂中实现可编程、片上量子处理器铺平了道路。

ABSTRACT

Controlling large-scale many-body quantum systems at the level of single photons and single atomic systems is a central goal in quantum information science and technology. Intensive research and development has propelled foundry-based silicon-on-insulator photonic integrated circuits to a leading platform for large-scale optical control with individual mode programmability. However, integrating atomic quantum systems with single-emitter tunability remains an open challenge. Here, we overcome this barrier through the hybrid integration of multiple InAs/InP microchiplets containing high-brightness infrared semiconductor quantum dot single photon emitters into advanced silicon-on-insulator photonic integrated circuits fabricated in a 300~mm foundry process. With this platform, we achieve single photon emission via resonance fluorescence and scalable emission wavelength tunability through an electrically controlled non-volatile memory. The combined control of photonic and quantum systems opens the door to programmable quantum information processors manufactured in leading semiconductor foundries.

研究动机与目标

• 解决将可调谐、单光子发射器与大规模光子集成电路（PICs）集成以实现可扩展量子信息处理的挑战。
• 通过利用代工厂硅基绝缘体（SOI）PICs的可扩展性与低损耗特性，克服传统III-V族单片集成PICs的高传播损耗与缺乏单个发射器控制的局限。
• 通过与转移印刷的InP芯片集成及非易失性电控调谐，实现对多个量子点发射器的独立控制。
• 通过SOI PIC中优异的泵浦抑制，实现高保真度单光子发射与共振荧光，同时背景噪声极低。
• 开发一种与商业半导体代工厂兼容的可扩展、可制造平台，为未来大规模量子光子系统铺平道路。

提出的方法

• 采用300 mm代工厂工艺制造先进的SOI光子集成电路（PICs），通过迭代设计与后处理技术实现亚3 dB的光纤耦合效率。
• 采用可扩展、对准精确的转移印刷方法，将包含高亮度InAs/InP量子点的多个InAs/InP微芯片转移到SOI PIC上。
• 通过聚焦激光束实现共振激发，以获得来自单个量子点的高信噪比共振荧光。
• 在每个量子点附近集成电控非易失性存储结构，实现局部斯塔克移位，从而在无需持续供电的情况下实现波长调谐。
• 采用电荷耦合调谐机制，通过静电势调制诱导光谱移位，实现多个发射器的可调谐性，且串串扰极小。
• 通过互相关测量（g(2)(0) < 0.65）与谱调谐范围（最高达100 GHz）表征发射器性能，验证了独立控制与相干性。

Figure 1: Hybrid Integration Architecture. a, Schematics illustrating our approach to integrating tunable single photon emitters embedded in a transfer-printed InP chiplet coupled to a Si PIC waveguide. Maintaining the alignment between the waveguides of the InP chiplet and the Si PIC enables single

实验结果

研究问题

• RQ1 高亮度、单光子发射的量子点能否稳定且精确地与大规模、代工厂制造的硅光子电路实现混合集成？
• RQ2 在保持高光子不可区分性与低背景噪声的前提下，能否实现对单个量子点发射器的非易失性、局部电控调谐？
• RQ3 通过后处理与器件工程，光谱调谐范围与发射器线宽可在多大程度上实现优化？
• RQ4 利用转移印刷与电控调谐技术，在单个PIC上实现多个可调谐发射器的集成在多大程度上具备可扩展性？
• RQ5 该平台能否支持可编程、多体量子光子系统，具备单个发射器可寻址性与低串扰？

主要发现

• InAs/InP微芯片与300 mm代工厂SOI PIC的混合集成实现了亚3 dB的光纤耦合效率，实现了高效的片上光学接口。
• 观察到单个量子点的共振荧光，g(2)(0) < 0.65，证实了高单光子纯度与低多光子发射。
• 电控非易失性存储结构实现了单个发射器的光谱调谐，调谐范围最高达100 GHz，展示了可扩展、低功耗的波长控制能力。
• 该平台表现出优异的泵浦抑制能力，无需额外滤波即可直接观测共振荧光，这对低噪声运行至关重要。
• 发射器间的串扰被最小化，分离约5 µm的发射器g(2)(0) < 0.65，表明高保真度的独立寻址与低串扰。
• 该集成方法具备可扩展性，利用常规光学显微镜与电极阵列，有望实现数百万个可寻址发射器。

Figure 2: Hybrid PIC Assembly. a, Images of the hybrid PIC at various stages of its assembly along with some of the components used in the process. b, Optical micrograph of the transfered microchiplet surrounded by the components tuning its emitters and routing single photons to the Si PIC. c, Schem