Investigation of single photon quantum optical circuits implemented on semiconductor chips

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K06294
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 太田 泰友 東京大学, ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構, 特任准教授 (90624528)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 量子光学 / 光集積回路 / ハイブリッド集積技術 / フォトニック結晶 / 量子ドット

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、転写プリント法を活用した量子ドット単一光子源の光集積回路上へのハイブリッド集積に取り組んできた。昨年度までに、ファウンドリで作製したシリコンチップ上への光源のハイブリッド集積の実現に成功している。今年度は、シリコンチップ上での光源波長制御技術の実現など、より一層の発展を成し遂げることができた。以下にその詳細を記す。
(1)オンチップ波長制御技術：　光源波長を精密に制御するための光駆動ヒーターを積載した単一光子源をシリコンチップ上に集積した。光吸収パッドからなるヒーターは、転写プリント法を使い光源の上に装荷した。低温光学実験により、ヒーター加熱に伴い量子ドット波長を1nm以上シフト可能であることを確認した。さらには、二つの光源を近接して一つの回路に集積し、発光波長を独立制御することで、二つの光源の波長を一致させることに成功した。
(2)一方向出射技術：　シリコン光回路中にフォトニック結晶ミラーを配置することで、導波路に結合した量子ドット発光が一方向のみに伝搬する構造を設計した。実際に、導波路を電子線リソグラフィーを用いて作製し光源を転写することで、その動作を実験的に確認した。結果、量子ドット―導波路間を高効率に結合しつつ一方向へ単一光子を出射することに成功した。
(3)単一プラズモン光源：　平坦化された銀表面に、量子ドットを含むマイクロリング共振器を転写集積することで、量子プラズモニック光源の実現を図った。電磁界計算から、高次プラズモニック横モード使うことで、量子ドットから効率的にプラズモン生成できることを見出した。低温光学実験により、量子ドットからの単一プラズモン生成を確認することができた。

Research Products

• [Journal Article] In situ wavelength tuning of quantum-dot single-photon sources integrated on a CMOS-processed silicon waveguide (2020)
  • Author(s): Katsumi Ryota、Ota Yasutomo、Osada Alto、Tajiri Takeyoshi、Yamaguchi Takuto、Kakuda Masahiro、Iwamoto Satoshi、Akiyama Hidefumi、Arakawa Yasuhiko
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 116 Pages: 041103～041103
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5129325
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface-passivated high-Q GaAs photonic crystal nanocavity with quantum dots (2020)
  • Author(s): K. Kuruma, Y.Ota, M.Kakuda, S.Iwamoto, and Y.Arakawa
  • Journal Title: APL Photonics Volume: 5 Pages: 046106
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5144959
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single Plasmon Generation in an InAs/GaAs Quantum Dot in a Transfer-Printed Plasmonic Microring Resonator (2019)
  • Author(s): Tamada Akihito、Ota Yasutomo、Kuruma Kazuhiro、Watanabe Katsuyuki、Iwamoto Satoshi、Arakawa Yasuhiko
  • Journal Title: ACS Photonics Volume: 6 Pages: 1106～1110
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b01749
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 一方向出射が可能なSi上集積量子ドット単一光子源の作製と評価 (2020)
  • Author(s): 勝見 亮太、太田 泰友、田尻 武義、角田 雅弘、岩本 敏、秋山 英文、荒川 泰彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会, 14p-B415-10, 上智大学, 東京(2020).
• [Presentation] 転写プリント法を用いたハイブリッド集積シリコンフォトニクス (2020)
  • Author(s): 太田 泰友、岩本 敏、荒川 泰彦
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会 第40回年次大会, S09-21p-II, 仙台国際センセー,宮城(2020)
  • Invited
• [Presentation] 一方向出射が可能なSi光導波路集積型量子ドット単一光子源の設計 (2020)
  • Author(s): 勝見 亮太、太田 泰友、岩本 敏、秋山 英文、荒川 泰彦
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会, 19a-E208-2, 北海道大学, 札幌, 北海道 (2019)
• [Presentation] Hybrid-integrated silicon quantum photonics toward scalable photonic quantum information processing (2019)
  • Author(s): Y. Ota, R. Katsumi, A. Osada, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa
  • Organizer: The 42nd PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS) in Xiamen, Xiamen, China, December (2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hybrid Integration of a Quantum-Dot Single-Photon Emitter on a CMOS-Processed Si Waveguide Using Transfer Printing (2019)
  • Author(s): R. Katsumi, Y. Ota, A. Osada, T. Yamaguchi, T. Tajiri, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa
  • Organizer: The 9th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence-Advanced Nanophotonics and Silicon Device Systems-(ISPEC2019), P-30, Tokyo, Japan, November (2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local tuning of transfer-printed quantum-dot single-photon sources on a CMOS silicon chip (2019)
  • Author(s): R. Katsumi, Y. Ota, A. Osada, T. Tajiri, T. Yamaguchi, M. Kakuda, S. Iwamoto, H. Akiyama, and Y. Arakawa
  • Organizer: THE TWENTY-FOURTH MICROOPTICS CONFERENCE, G-6, Toyama, Japan, November 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hybrid integration of quantum dot-nanocavity systems on silicon (2019)
  • Author(s): Y. Ota, R. Katsumi, A. Osada, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa
  • Organizer: Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, FM3D.4, Washington, DC, USA, September 2019.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hybrid integration of quantum/classical light sources on Si using transfer printing (2019)
  • Author(s): Y. Ota, R. Katsumi, A. Osada, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa
  • Organizer: 2019 International Conference on Solid State Devices and Matrials (SSDM2019), B-1-01, Nagoya, Japan, September 2019.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated quantum dot single photon sources on Si (2019)
  • Author(s): Y. Ota, R. Katsumi, A. Osada, M. Kakuda, S. Iwamoto, Y. Arakawa
  • Organizer: The 11th International Conference on Information Optics and Photonics(CIOP2019), Xi'an China, August 2019.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum-dot single-photon source on a CMOS-processed silicon waveguide (2019)
  • Author(s): R. Katsumi, Y. Ota, A. Osada, T. Yamaguchi, T. Tajiri, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO),FM1M.2, San Jose, California, USA, May 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Strongly-coupled single quantum dot-cavity system on a silicon waveguide (2019)
  • Author(s): A. Osada, Y. Ota, R. Katsumi, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa
  • Organizer: International Conference on Nano-photonics and Nano-optoelectronics 2019(ICNN2019),ICNN-4-04, Yokohama, Japan, April 2019.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ハイブリッド集積シリコン量子フォトニクスの可能性 (2019)
  • Author(s): 太田 泰友、勝見 亮太、長田 有登、玉田 晃均、角田 雅弘、岩本 敏、荒川 泰彦
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会, 19p-E301-5, 北海道大学, 札幌, 北海道 (2019)
  • Invited