Silicon quantum photonics provides a promising pathway to realize large-scale quantum photonic integrated circuits (QPICs) by exploiting the power of complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Toward scalable operation of such silicon-based QPICs, a straightforward approach is to integrate deterministic single-photon sources (SPSs). To this end, hybrid integration of deterministic solid-state SPSs, such as those based on InAs/GaAs quantum dots (QDs), is highly promising. However, the spectral and spatial randomness inherent in the QDs poses a serious challenge for scalable implementation of multiple identical SPSs on a silicon CMOS chip. To overcome this challenge, we have been investigating a hybrid integration technique called transfer printing, which is based on a pick-and-place operation and allows for the integration of the desired QD SPSs on any locations on the silicon CMOS chips at will. Nevertheless, even in this scenario, in situ fine tuning for perfect wavelength matching among the integrated QD SPSs will be required for interfering photons from dissimilar sources. Here, we demonstrate in situ wavelength tuning of QD SPSs integrated on a CMOS silicon chip. To thermally tune the emission wavelengths of the integrated QDs, we augmented the QD SPSs with optically driven heating pads. The integration of all the necessary elements was performed using transfer printing, which largely simplified the fabrication of the three-dimensional stack of micro/nanophotonic structures. We further demonstrate in situ wavelength matching between two dissimilar QD sources integrated on the same silicon chip. Our transfer-printing-based approach will open the possibility for realizing large-scale QPICs that leverage CMOS technology.

1.
J. L.
O'Brien
,
A.
Furusawa
, and
J.
Vučković
,
Nat. Photonics
3
,
687
(
2009
).
2.
D.
Dai
,
J.
Bauters
, and
J. E.
Bowers
,
Light Sci. Appl.
1
,
e1
(
2012
).
3.
J. W.
Silverstone
,
D.
Bonneau
,
J. L.
O'Brien
, and
M. G.
Thompson
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
22
,
390
(
2016
).
4.
T.
Rudolph
,
APL Photonics
2
,
030901
(
2017
).
5.
A.
Peruzzo
,
M.
Lobino
,
J. C. F.
Matthews
,
N.
Matsuda
,
A.
Politi
,
K.
Poulios
,
X.-Q.
Zhou
,
Y.
Lahini
,
N.
Ismail
,
K.
Worhoff
,
Y.
Bromberg
,
Y.
Silberberg
,
M. G.
Thompson
, and
J. L.
OBrien
,
Science
329
,
1500
(
2010
).
6.
N. C.
Harris
,
D.
Bunandar
,
M.
Pant
,
G. R.
Steinbrecher
,
J.
Mower
,
M.
Prabhu
,
T.
Baehr-Jones
,
M.
Hochberg
, and
D.
Englund
,
Nanophotonics
5
,
456
(
2016
).
7.
J.
Wang
,
S.
Paesani
,
Y.
Ding
,
R.
Santagati
,
P.
Skrzypczyk
,
A.
Salavrakos
,
J.
Tura
,
R.
Augusiak
,
L.
Mančinska
,
D.
Bacco
,
D.
Bonneau
,
J. W.
Silverstone
,
Q.
Gong
,
A.
Acín
,
K.
Rottwitt
,
L. K.
Oxenløwe
,
J. L.
O'Brien
,
A.
Laing
, and
M. G.
Thompson
,
Science
360
,
285
(
2018
).
8.
H.
Wang
,
Y.
He
,
Y.-H.
Li
,
Z.-E.
Su
,
B.
Li
,
H.-L.
Huang
,
X.
Ding
,
M.-C.
Chen
,
C.
Liu
,
J.
Qin
,
J.-P.
Li
,
Y.-M.
He
,
C.
Schneider
,
M.
Kamp
,
C.-Z.
Peng
,
S.
Höfling
,
C.-Y.
Lu
, and
J.-W.
Pan
,
Nat. Photonics
11
,
361
(
2017
).
9.
D. J. P.
Ellis
,
A. J.
Bennett
,
C.
Dangel
,
J. P.
Lee
,
J. P.
Griffiths
,
T. A.
Mitchell
,
T.-K.
Paraiso
,
P.
Spencer
,
D. A.
Ritchie
, and
A. J.
Shields
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
211104
(
2018
).
10.
I.
Aharonovich
,
D.
Englund
, and
M.
Toth
,
Nat. Photonics
10
,
631
(
2016
).
11.
S.
Khasminskaya
,
F.
Pyatkov
,
K.
Słowik
,
S.
Ferrari
,
O.
Kahl
,
V.
Kovalyuk
,
P.
Rath
,
A.
Vetter
,
F.
Hennrich
,
M. M.
Kappes
,
G.
Gol'tsman
,
A.
Korneev
,
C.
Rockstuhl
,
R.
Krupke
, and
W. H. P.
Pernice
,
Nat. Photonics
10
,
727
(
2016
).
12.
D.
Englund
,
B.
Shields
,
K.
Rivoire
,
F.
Hatami
,
J.
Vučković
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nano Lett.
10
,
3922
(
2010
).
13.
M.
Gould
,
E. R.
Schmidgall
,
S.
Dadgostar
,
F.
Hatami
, and
K. M. C.
Fu
,
Phys. Rev. Appl.
6
,
011001
(
2016
).
14.
P.
Tonndorf
,
O.
Del Pozo-Zamudio
,
N.
Gruhler
,
J.
Kern
,
R.
Schmidt
,
A. I.
Dmitriev
,
A. P.
Bakhtinov
,
A. I.
Tartakovskii
,
W.
Pernice
,
S.
Michaelis De Vasconcellos
, and
R.
Bratschitsch
,
Nano Lett.
17
,
5446
(
2017
).
15.
T. T.
Tran
,
K.
Bray
,
M. J.
Ford
,
M.
Toth
, and
I.
Aharonovich
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
37
(
2016
).
16.
X.
Ding
,
Y.
He
,
Z.-C.
Duan
,
N.
Gregersen
,
M.-C.
Chen
,
S.
Unsleber
,
S.
Maier
,
C.
Schneider
,
M.
Kamp
,
S.
Höfling
,
C.-Y.
Lu
, and
J.-W.
Pan
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
020401
(
2016
).
17.
N.
Somaschi
,
V.
Giesz
,
L.
De Santis
,
J. C.
Loredo
,
M. P.
Almeida
,
G.
Hornecker
,
S. L.
Portalupi
,
T.
Grange
,
C.
Anton
,
J.
Demory
,
C.
Gomez
,
I.
Sagnes
,
N. D. L.
Kimura
,
A.
Lemaitre
,
A.
Auffeves
,
A. G.
White
,
L.
Lanco
,
P.
Senellart
,
C.
Antón
,
J.
Demory
,
C.
Gómez
,
I.
Sagnes
,
N. D.
Lanzillotti-Kimura
,
A.
Lemaítre
,
A.
Auffeves
,
A. G.
White
,
L.
Lanco
, and
P.
Senellart
,
Nat. Photonics
10
,
340
(
2016
).
18.
P.
Senellart
,
G.
Solomon
, and
A.
White
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
1026
(
2017
).
19.
S.
Hepp
,
M.
Jetter
,
S. L.
Portalupi
, and
P.
Michler
,
Adv. Quantum Technol.
2
,
1900020
(
2019
).
20.
T.
Miyazawa
,
K.
Takemoto
,
Y.
Sakuma
,
S.
Hirose
,
T.
Usuki
,
N.
Yokoyama
,
M.
Takatsu
, and
Y.
Arakawa
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
L620
(
2005
).
21.
M. D.
Birowosuto
,
H.
Sumikura
,
S.
Matsuo
,
H.
Taniyama
,
P. J.
Van Veldhoven
,
R.
Nötzel
, and
M.
Notomi
,
Sci. Rep.
2
,
321
(
2012
).
22.
M.
Benyoucef
,
M.
Yacob
,
J. P.
Reithmaier
,
J.
Kettler
, and
P.
Michler
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
162101
(
2013
).
23.
K. D.
Zeuner
,
M.
Paul
,
T.
Lettner
,
C.
Reuterskiöld Hedlund
,
L.
Schweickert
,
S.
Steinhauer
,
L.
Yang
,
J.
Zichi
,
M.
Hammar
,
K. D.
Jöns
, and
V.
Zwiller
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
173102
(
2018
).
24.
I. E.
Zadeh
,
A. W.
Elshaari
,
K. D.
Jöns
,
A.
Fognini
,
D.
Dalacu
,
P. J.
Poole
,
M. E.
Reimer
, and
V.
Zwiller
,
Nano Lett.
16
,
2289
(
2016
).
25.
A. W.
Elshaari
,
I. E.
Zadeh
,
A.
Fognini
,
M. E.
Reimer
,
D.
Dalacu
,
P. J.
Poole
,
V.
Zwiller
, and
K. D.
Jöns
,
Nat. Commun.
8
,
379
(
2017
).
26.
J.-H.
Kim
,
S.
Aghaeimeibodi
,
C. J. K. K.
Richardson
,
R. P.
Leavitt
,
D.
Englund
, and
E.
Waks
,
Nano Lett.
17
,
7394
(
2017
).
27.
M.
Davanco
,
J.
Liu
,
L.
Sapienza
,
C.-Z.
Zhang
,
J. V.
De Miranda Cardoso
,
V.
Verma
,
R.
Mirin
,
S. W.
Nam
,
L.
Liu
, and
K.
Srinivasan
,
Nat. Commun.
8
,
889
(
2017
).
28.
A.
Dousse
,
L.
Lanco
,
J.
Suffczyński
,
E.
Semenova
,
A.
Miard
,
A.
Lemaître
,
I.
Sagnes
,
C.
Roblin
,
J.
Bloch
, and
P.
Senellart
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
267404
(
2008
).
29.
S.
Unsleber
,
Y.-M.
He
,
S.
Gerhardt
,
S.
Maier
,
C.-Y.
Lu
,
J.-W.
Pan
,
N.
Gregersen
,
M.
Kamp
,
C.
Schneider
, and
S.
Höfling
,
Opt. Express
24
,
8539
(
2016
).
30.
P.
Schnauber
,
J.
Schall
,
S.
Bounouar
,
T.
Höhne
,
S. I.
Park
,
G. H.
Ryu
,
T.
Heindel
,
S.
Burger
,
J. D.
Song
,
S.
Rodt
, and
S.
Reitzenstein
,
Nano Lett.
18
,
2336
(
2018
).
31.
P.
Schnauber
,
A.
Singh
,
J.
Schall
,
S. I.
Pa.rk
,
J. D.
Song
,
S.
Rodt
,
K.
Srinivasan
,
S.
Reitzenstein
, and
M.
Davanco
,
Nano Lett.
19
,
7164
(
2019
).
32.
E.
Menard
,
K. J.
Lee
,
D. Y.
Khang
,
R. G.
Nuzzo
, and
J. A.
Rogers
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
5398
(
2004
).
33.
A.
De Groote
,
P.
Cardile
,
A. Z.
Subramanian
,
A. M.
Fecioru
,
C.
Bower
,
D.
Delbeke
,
R.
Baets
, and
G.
Roelkens
,
Opt. Express
24
,
13754
(
2016
).
34.
J.
Justice
,
C.
Bower
,
M.
Meitl
,
M. B.
Mooney
,
M. A.
Gubbins
, and
B.
Corbett
,
Nat. Photonics
6
,
610
(
2012
).
35.
N.
Ye
,
G.
Muliuk
,
J.
Zhang
,
A.
Abbasi
,
A. J.
Trindade
,
C.
Bower
,
D.
Van Thourhout
, and
G.
Roelkens
,
J. Lightwave Technol.
36
,
1249
(
2018
).
36.
A.
Faraon
,
D.
Englund
,
I.
Fushman
,
J.
Vučković
,
N.
Stoltz
, and
P.
Petroff
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
213110
(
2007
).
37.
A. W.
Elshaari
,
E.
Büyüközer
,
I. E.
Zadeh
,
T.
Lettner
,
P.
Zhao
,
E.
Schöll
,
S.
Gyger
,
M. E.
Reimer
,
D.
Dalacu
,
P. J.
Poole
,
K. D.
Jöns
, and
V.
Zwiller
,
Nano Lett.
18
,
7969
(
2018
).
38.
Y.
Chen
,
J.
Zhang
,
M.
Zopf
,
K.
Jung
,
Y.
Zhang
,
R.
Keil
,
F.
Ding
, and
O. G.
Schmidt
,
Nat. Commun.
7
,
10387
(
2016
).
39.
R. M.
Stevenson
,
R. J.
Young
,
P.
Atkinson
,
K.
Cooper
,
D. A.
Ritchie
, and
A. J.
Shields
,
Nature
439
,
179
(
2006
).
40.
M.
Petruzzella
,
S.
Birindelli
,
F. M.
Pagliano
,
D.
Pellegrino
,
Ž.
Zobenica
,
L. H.
Li
,
E. H.
Linfield
, and
A.
Fiore
,
APL Photonics
3
,
106103
(
2018
).
41.
R. B.
Patel
,
A. J.
Bennett
,
I.
Farrer
,
C. A.
Nicoll
,
D. A.
Ritchie
, and
A. J.
Shields
,
Nat. Photonics
4
,
632
(
2010
).
42.
J.-H.
Kim
,
C. J. K.
Richardson
,
R. P.
Leavitt
, and
E.
Waks
,
Nano Lett.
16
,
7061
(
2016
).
43.
R.
Katsumi
,
Y.
Ota
,
M.
Kakuda
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
Optica
5
,
691
(
2018
).
44.
R.
Katsumi
,
Y.
Ota
,
A.
Osada
,
T.
Yamaguchi
,
T.
Tajiri
,
M.
Kakuda
,
S.
Iwamoto
,
H.
Akiyama
, and
Y.
Arakawa
,
APL Photonics
4
,
036105
(
2019
).
45.
A.
Osada
,
Y.
Ota
,
R.
Katsumi
,
M.
Kakuda
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
024071
(
2019
).
46.
A.
Osada
,
Y.
Ota
,
R.
Katsumi
,
K.
Watanabe
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
Appl. Phys. Express
11
,
072002
(
2018
).
47.
A.
Tamada
,
Y.
Ota
,
K.
Kuruma
,
K.
Watanabe
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
ACS Photonics
6
,
1106
(
2019
).
48.
Y.
Halioua
,
A.
Bazin
,
P.
Monnier
,
T. J.
Karle
,
G.
Roelkens
,
I.
Sagnes
,
R.
Raj
, and
F.
Raineri
,
Opt. Express
19
,
9221
(
2011
).
49.
P. B.
Deotare
,
M. W.
McCutcheon
,
I. W.
Frank
,
M.
Khan
, and
M.
Lončar
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
031102
(
2009
).
50.
E.
Kuramochi
,
H.
Taniyama
,
T.
Tanabe
,
K.
Kawasaki
,
Y.-G.
Roh
, and
M.
Notomi
,
Opt. Express
18
,
15859
(
2010
).
51.
R.
Ohta
,
Y.
Ota
,
M.
Nomura
,
N.
Kumagai
,
S.
Ishida
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
173104
(
2011
).
52.
S.
Masubuchi
,
M.
Morimoto
,
S.
Morikawa
,
M.
Onodera
,
Y.
Asakawa
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
T.
Machida
,
Nat. Commun.
9
,
1413
(
2018
).
53.
S.
Kako
,
C.
Santori
,
K.
Hoshino
,
S.
Götzinger
,
Y.
Yamamoto
, and
Y.
Arakawa
,
Nat. Mater.
5
,
887
(
2006
).
54.
T.
Grange
,
N.
Somaschi
,
C.
Antón
,
L.
De Santis
,
G.
Coppola
,
V.
Giesz
,
A.
Lemaître
,
I.
Sagnes
,
A.
Auffèves
, and
P.
Senellart
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
253602
(
2017
).
55.
A.
Thoma
,
P.
Schnauber
,
M.
Gschrey
,
M.
Seifried
,
J.
Wolters
,
J. H.
Schulze
,
A.
Strittmatter
,
S.
Rodt
,
A.
Carmele
,
A.
Knorr
,
T.
Heindel
, and
S.
Reitzenstein
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
033601
(
2016
).
56.
J.
Iles-Smith
,
D. P. S.
Mccutcheon
,
A.
Nazir
, and
J.
Mørk
,
Nat. Photonics
11
,
521
(
2017
).
57.
Z.
Yuan
,
B. E.
Kardynal
,
R. M.
Stevenson
,
A. J.
Shields
,
C. J.
Lobo
,
K.
Cooper
,
N. S.
Beattie
,
D. A.
Ritchie
, and
M.
Pepper
,
Science
295
,
102
(
2002
).
58.
Y.-L.
Loo
,
R. L.
Willett
,
K. W.
Baldwin
, and
J. A.
Rogers
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
7654
(
2002
).
59.
Y. L.
Loo
,
D. V.
Lang
,
J. A.
Rogers
, and
J. W. P.
Hsu
,
Nano Lett.
3
,
913
(
2003
).
You do not currently have access to this content.