Integrated Whispering-Gallery Microlaser-Waveguide Platform for On-Chip Electrical Excitation of InGaAs Quantum Dots

技術要約：InGaAs量子ドットのオンチップ電気励起のための、集積型ウィスパーリングギャラリー・マイクロレーザー–導波路プラットフォーム

問題提起
スケーラブルな集積量子フォトニック回路（IQPC）の実現には、高輝度かつ高不可識別性を備えた、決定論的でオンデマンドな単一光子源が必要である。固体系量子ドット（QD）は有望な候補であるが、その実用的な集積には課題が残されている。電流注入による電気励起は非共鳴的であり、電荷ノイズやタイミングジッタが発生しやすく、光子の不可識別性を制限する場合が多い。一方、厳密な共鳴光励起は優れたコヒーレンスを提供するが、通常は嵩高い外部レーザーに依存するため、スケーラビリティを阻害する。著者らは、外部レーザーシステムの設置面積や複雑さを回避しつつ、量子ドットに対してコヒーレントな光励起を提供できる、コンパクトで電気駆動可能なオンチップ励起スキームの必要性を指摘している。

手法
著者らは、電気駆動されるウィスパーリングギャラリーモード（WGM）マイクロピラーレーザーとリッジ導波路を統合した、モノリシック量子フォトニックデバイスを作製した。このデバイス構造は、分子線エピタキシー（MBE）法によって成長させたp–i–nダイオード構造に基づいている。活性領域は、AlGaAs/GaAs 分布ブラッグ反射器（DBR）に挟まれたGaAsキャビティ内に埋め込まれたInGaAs量子ドットで構成されている。

主な作製および実験ステップは以下の通りである：

• デバイス設計： 2つの電気接触を持つWGMマイクロピラー（直径7.2 µm）を、リッジ導波路に隣接して配置した。ピラーと導波路の間のギャップ距離（$d_{gap}$）を100 nmから900 nmまで変化させ、エバネッセント結合を最適化した。
• 結合メカニズム： 導波路の一端にはブラッグアウトカプラーを備え、もう一方の端には、量子ドットとアパーチャコンタクトを含む導波路集積マイクロピラー（WIM）を組み込んだ。このWIMにより、量子閉じ込めスターク効果（QCSE）を介した量子ドットのスペクトルチューニングが可能となる。
• 特性評価： デバイスは、4 Kおよび20 Kのクライオスタット内でテストされた。エルミネッセンス（EL）を分析し、レーザー閾値、品質係数（Q値）、および$d_{gap}$の関数としての結合効率を決定した。
• 励起スキーム： WGMマイクロレーザーを電気駆動してコヒーレント光を放出させ、それをリッジ導波路へとエバネッセント結合させた。この光はWIMへと伝搬し、そこに埋め込まれた量子ドットを光励起する。量子ドットからの放出光を収集し、二次相関関数$g^{(2)}(\tau)$を用いて量子光学特性を分析した。

主な貢献と結果

• ギャップ依存のレーザー特性： 本研究では、ピラーと導波路のギャップ距離がマイクロレーザーの性能にどのように影響するかを系統的に調査した。小さなギャップ（$<200$ nm）を持つデバイスは、アウトカップリング損失の増大により、参照デバイスよりも大幅に高いレーザー閾値電流（最大3.5倍）を示した。品質係数（$Q$）は、微小な分離において結合損失が支配的になるという理論モデルに従い、ギャップ距離とともに増加することが判明した。
• 効率的なオンチップ結合： 500 nmのギャップを持つ参照デバイスにおいて、著者らは効率的なエバネッセント結合を実証した。導波路伝送信号の入出力特性は、マイクロレーザーからの直接放出と一致しており、レーザー閾値は約24 µAであった。放出波長幅は閾値において0.1 nmから0.03 nmへと狭まり、時間的コヒーレンスの開始が確認された。
• ウェッティング層とWGMの寄与： 著者らは、全励起電力に対するウェッティング層とWGMモードの電力寄与を定量化した。レーザー閾値以上では、WGMモードが支配的な電力源となり、1 mAの注入電流において全強度の60%以上を占めた。
• オンチップ量子ドット励起とチューニング： WGMレーザーからのコヒーレント放出は、WIM内の量子ドットを正常に励起した。得られたフォトルミネッセンスは、二重エキシトン状態と一致するパワー依存性を示した。さらに、WIMにバイアス電圧を印加することで、量子ドットの放出波長を最大0.35 nmまでスペクトル制御できることが示され、QCSEによる制御が実証された。
• 単一光子放出： 連続波（CW）オンチップ励起下において、選択された量子ドット放出線は強い光子反バンチングを示した。測定された二次相関値は$g^{(2)}(0) = (3.49 \pm 0.01)\%$であり、高純度な単一光子の生成が確認された。

意義
本論文は、これらの結果が、量子ドットベースの集積量子フォトニック回路のための、低フットプリントで決定論的かつスケーラブルな単一光子源の開発に向けた重要な一歩であることを主張している。電気駆動されるオンチップマイクロレーザーが、別の量子ドットエミッターに対して効果的にコヒーレント光励起を提供できることを示すことで、本研究は、高性能な励起光源を量子回路に直接統合するという課題に対処している。高純度の単一光子放出の観測に成功したことは、このアーキテクチャが将来のIQPCにおいて実現可能であることを裏付けており、嵩高い外部レーザーを、コンパクトで電気的に制御可能なオンチップ代替品に置き換えるための道筋を提示している。