Onderzoekers van de Photonics Research Group, een imec-onderzoeksgroep aan de Gentse universiteit en MIT kondigden aan dat ze enkelvoudige fotonstralers hebben geïntegreerd in 2-D gelaagde materialen met een siliciumnitride fotonische chip. Zelfs voor matige kwantumopbrengsten, diëlektrische holtes zouden zo kunnen worden ontworpen dat de extractie van een enkel foton in de geleide modus eenheid kan bereiken. De resultaten gepubliceerd in Natuurcommunicatie , bieden een cruciale stap in fundamenteel onderzoek naar kwantumfotonica en 2D-materialen.

Fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) maken de miniaturisering mogelijk van complexe kwantum optische schakelingen die grote aantallen fotonische apparaten verbinden met geoptimaliseerde invoegverliezen en fasestabiliteit. Een centrale bouwsteen voor zo'n geïntegreerd quantumcircuit is een single photon emitter (SPE), en een verscheidenheid aan materiaalsystemen is onderzocht om dergelijke SPE's op de chip te creëren. Op 2D gebaseerde SPE's hebben enkele unieke eigenschappen die ze bijzonder aantrekkelijk maken voor integratie met PIC's. Eerst, ze kunnen eenvoudig worden gekoppeld aan PIC's en op elkaar worden gestapeld om complexe heterostructuren te creëren. Tweede, vanwege hun dunheid, en de afwezigheid van totale interne reflectie, ze maken zeer hoge lichtextractie-efficiënties mogelijk zonder dat er extra bewerkingen nodig zijn, waardoor een efficiënte overdracht van één foton tussen de host en de onderliggende PIC mogelijk is. Derde, 2D-materialen die zijn gekweekt met een hoge uniformiteit op wafelschaal, worden steeds gemakkelijker beschikbaar.

Door middel van spanningstechniek op nanoschaal, het team koppelde op 2D gebaseerde SPE's aan een CMOS-compatibele siliciumnitride-golfgeleider. Bovendien, ze hebben cruciale prestatieparameters voor deze bron geëxtraheerd en deze gebruikt in een optimalisatieanalyse om de extractie van enkelvoudige fotonen en de ononderscheidbaarheid in de geleide modus te maximaliseren. Het bleek dat zelfs voor matige kwantumopbrengsten, diëlektrische holtes zouden zo kunnen worden ontworpen dat de extractie van een enkel foton in de geleide modus eenheid kan bereiken.

"Deze resultaten bieden een cruciale stap in het opschalen van kwantumfotonische apparaten met behulp van op 2D gebaseerde geïntegreerde enkele fotonbronnen, " verklaarde Frédéric Peyskens, eerste auteur van het artikel.