Bright and pure single-photon source in a silicon chip by nanoscale positioning of a color center in a microcavity

技術要約：マイクロキャビティ内へのカラーセンターのナノスケール配置による、シリコンチップ上の明るく純粋な単一光子源

問題提起
シリコン量子フォトニクスは、シリコンチップ上でのフォトニック量子状態の処理を目指しており、これはスケーラブルな量子技術にとって不可欠な能力である。しかし、この分野は現在、シリコンチップ上に任意の大きさの絡み合い光子状態を決定論的に生成することの困難さによって制限されている。四光子混合に基づく集積光源は存在するが、これらは効率と多光子放出の間の固有のトレードオフに悩まされている。ファイバー結合された外部光源や、量子エミッターのハイブリッド集積を用いる代替アプローチは、結合損失によって妨げられている。これらの制限を克服するために、シリコンフォトニクスチップに直接集積された、オンデマンドの非可換（indistinguishable）な単一光子源への切実なニーズがある。近赤外領域のカラーセンターは、シリコンにおいて、結合損失を回避するための有望な解決策を提供するが、その実用的な実装には、決定論的な放出を実現するためにパーセル効果を活用するよう、フォトニックキャビティ内に精密に埋め込むことが必要となる。T、G、G*、およびエルビウムドープントに基づく既存のシリコンベースの単一光子源（SPS）は、遅い放出速度、低い量子効率、または寄生的な欠陥を導入する非選択的な製造プロセスといった、重大な障壁に直面している。

手法
著者らは、シリコン・オン・絶縁体（SOI）円形ブラッグ格子（CBG）キャビティ内に、特定の「Wセンター」（シリコン内の特定の点欠陥）を決定論的に配置することで、単一光子源を製造する戦略を提示している。この手法は、以下の3段階のプロセスで構成される：

1. イオン注入によるナノスケール配置： 既存のエミッターを特定してからその周囲にキャビティを製作する手法（光学分解能によって制限される）の代わりに、著者らはエミッターを事前定義された位置に作成する。150 nm径のナノホールを持つ480 nm厚のポリメチルメタクリレート（PMMA）マスクをSOIウェハ上に堆積させる。Si+イオンをこれらのナノホールを通じて70 keVで注入する。その後の200°C、30分間の熱アニールにより、3つの格子間シリコン原子からなるWセンターを活性化させる。
2. キャビティ製造： Wセンターのゼロフォノン線（ZPL）である1217 nmに共鳴する円形ブラッグ格子キャビティを、電子ビームリソグラフィおよび反応性イオンエッチングによって製造する。極めて重要な点は、これらのキャビティがナノホールの公称座標を中心に配置されており、事前の光学マッピングなしに、エミッターがキャビティの高電場領域内に配置されることを保証している点である。
3. 特性評価： 光学的特性は、10 Kでの連続波（CW）およびパルス励起下でのフォトルミネッセンス（PL）分光法および光子相関測定を用いて分析される。セットアップには、高開口数（0.65）の対物レンズと超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）を使用する。

主要な貢献と結果
本研究は、明るく、純粋で、直線偏光を持つ単一光子源を実証しており、以下の具体的な結果を示している：

• 高い光子カウントレート： ギャップ以上のCW励起下において、本光源は 1.29 ± 0.01 Mcps（百万カウント/秒）の飽和カウントレートを達成した。これは、パーセル増強と高い収集効率に起因して、平面的なSOI内の単一Wセンターの平均レートよりも約400倍高い。
• 高い純度とアンブンチング： 本光源はクリーンな光子アンブンチングを示す。飽和パワー（$P = 9.2 P_{sat}$）において、二次の相関関数は $g^{(2)}(0) = 0.06 \pm 0.02$ と測定された。低パワー（$P = 2.8 P_{sat}$）では、これは $g^{(2)}(0) = 0.03 \pm 0.01$ に改善する。これらの値は、寄生的な蛍光欠陥の密度が非常に低いこと、および極めて純度の高い単一光子放出を示している。
• ゼロフォノン線（ZPL）の増強： PLスペクトルは、ZPLが全放出強度の 98.6 ± 1.4% を占めることを明らかにしており、これはパターン化されていないSOIで観察される約39%と比較して大幅な改善である。これは、キャビティがゼロフォノン放出を選択的に増強していることを裏付けている。
• パーセル増強： Wセンターの励起状態の寿命は、バルク値の約34 nsから、キャビティ内では 7 ± 1 ns に短縮された。この加速は $F > 7.2$ のパーセル因子に対応し、エミッターがキャビティモードに効果的に結合していることを確認している。
• トリガー放出： 弱いパルスレーザー励起（5 MHz繰り返し率）の下で、本光源は 93 ± 2% の純度（$g^{(2)}(0) \approx 0.07$）でトリガーされた単一光子放出を示す。
• 位置決め精度： 数値シミュレーションおよび実験データは、ナノスケール配置手法によって、Wセンターがパーセル増強が最大となるキャビティ中心の100 nm以内に配置されることを確認している。

意義と主張
著者らは、これらの結果が、シリコンフォトニクスチップ内におけるオンデマンドの非可換な近赤外単一光子源に向けた「大きな一歩」を象徴すると主張している。本研究は、高い量子効率と比較的速い放出を持つことから、決定論的なSPSとしてのWセンターの有望な候補としての地位を検証している。さらに、エミッターの局在化における光学分解能の限界を回避するナノスケール配置戦略と組み合わせた場合、CBGキャビティがSOIチップ上にSPSを構築するための魅力的な手段であることを確認している。

論文では、現在の光源は明るく純粋であるが、ブリンキング（エミッターが約17%の時間のみ光学的に活性である）および非放射再結合によって、単一光子パルスの生成効率が現在制限されていると述べている。著者らは、パーセル因子と収集効率を高めるために、現在のCBGキャビティを導波路結合型フォトニック結晶キャビティ（例：ナノビーム）に置き換えること、および高パルスパワー下で見られる再ポンピング効果を緩和するために共鳴ポンピングスキームを実装することで、将来的な改善が可能であると示唆している。この戦略は、同一のフォトニック回路に接続された複数の単一光子源の、スケーラブルな集積に適していると提示されている。