Summary
Chips fotónicos de silicio tienen la posibilidad de realizar sistemas cuánticos complejos integrados. Se presenta aquí un método para preparar y probar un chip fotónico de silicio para mediciones cuántica.
Abstract
Chips fotónicos de silicio tienen el potencial para realizar circuitos cuánticos integrados complejos de procesamiento de información, incluyendo fuentes de fotones, la manipulación qubit, y detectores de fotón único integrados. A continuación, presentamos los aspectos clave de la preparación y prueba de un chip cuántico fotónico de silicio con una fuente de fotones integrada y interferómetro de dos fotones. El aspecto más importante de un circuito cuántico integrado se minimiza la pérdida de modo que todos los fotones generados son detectados con la mayor fidelidad posible. A continuación, describimos cómo realizar el acoplamiento de borde de baja pérdida mediante el uso de un ultra-alta en fibra apertura numérica para asemejarse a la modalidad de las guías de ondas de silicio. Mediante el uso de una receta de empalme de fusión optimizado, la fibra uhna está perfectamente interconectado con una fibra monomodo estándar. Este acoplamiento de baja pérdida permite la medición de la producción de fotones de alta fidelidad en un resonador de anillo de silicio integrado y la posterior interferencia de dos fotones de la p producidohotons en un interferómetro de Mach-Zehnder estrechamente integrado. Este documento describe los procedimientos esenciales para la preparación y caracterización de alto rendimiento y circuitos fotónicos cuánticos de silicio escalables.
Introduction
El silicio se muestra una gran promesa como una plataforma fotónica para el procesamiento de información cuántica 1, 2, 3, 4, 5. Uno de los componentes vitales de circuitos fotónicos cuánticos es la fuente de fotones. Fuentes de fotones de par se han desarrollado a partir de silicio en forma de resonadores de micro anillo realizado a través de un proceso no lineal de tercer orden, espontánea de cuatro ondas de mezcla (SFWM) 6, 7, 8. Estas fuentes son capaces de producir pares de fotones indistinguibles, que son ideales para experimentos que implican el entrelazamiento de fotones 9.
Es importante tener en cuenta que el anillo de fuentes de resonador pueden operar tanto con las agujas del reloj y la propagación en sentido antihorario, y los dos direcciones de propagación diferentes son genreunir independientes entre sí. Esto permite que un solo anillo funcione como dos fuentes. Cuando ópticamente bombeado desde ambas direcciones, estas fuentes generan el siguiente estado entrelazado:
dónde 
y 
son los operadores de creación independientes para bi-fotones clockwise- y en sentido contrario, se propagan, respectivamente. Esta es una forma muy deseable de estado entrelazado conocido como un estado N00N (N = 2) 10.
Pasando este estado a través de un Mach-Zehnder on-chip (MZI) resulta en el estado:
Este estado oscila entre la máxima coincidencia y cero coincidencia en dos vecesla frecuencia de interferencia clásica en un MZI, doblando efectivamente la sensibilidad del interferómetro 10. A continuación, presentamos el procedimiento utilizado para probar una fuente de fotones integrada tal y dispositivo MZI.
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Protocol
NOTA: Este protocolo supone que el chip fotónico ya se ha fabricado. El chip se describe aquí (que se muestra en la Figura 1A) fue fabricado en la instalación de la Universidad de Cornell nanoescala Ciencia y Tecnología utilizando técnicas de procesamiento estándar para los dispositivos fotónicos de silicio 11. Estos incluyen el uso de obleas de silicio sobre aislante (compuesta de una capa de silicio 220 nm de espesor, una capa de 3 m de dióxido de silicio, y un sustrato de silicio 525 micras de espesor), la litografía por haz de electrones para definir las guías de ondas de tira (500-nm de ancho), y la deposición química de vapor mejorada por plasma del revestimiento de dióxido de silicio (~ 3 micras de espesor). Los resonadores de micro anillo fueron diseñados con un radio interno de 18,5 micras y un hueco-guía de ondas a anillo de 150 nm. Figuras de mérito para este dispositivo incluyen la pérdida, factor de calidad, el rango espectral libre, y la dispersión.
1. Photonic chip Preparación
- Coloque una pequeña Amount de cera en un montaje de pulido-cruz de seccionamiento y calentar a ~ 130 ° C.
NOTA: La cantidad de cera que se utilizará depende del tamaño de la muestra que está siendo montado. Debe haber suficiente cera para mantener el chip inmóvil, mientras que un exceso dará lugar a la cera en las facetas de chips. - Coloque el chip fotónico sobre la porción del pulido montar con la cera. Asegúrese de que la cera se funde completamente para que el chip es plana contra la montura. Utilice pinzas de plástico al manipular el chip para evitar dañar las facetas.
- Permitir que el montaje se enfríe en el aire ambiente de modo que la cera se solidifica. Enfriamiento rápido que esto puede causar daños en el chip.
- Pulir las facetas de chips.
NOTA: Es importante elegir la plataforma correcta lapidado como comenzando con una almohadilla que es demasiado agresivo puede resultar en el pulido de distancia más del chip de lo deseado.- Una el pulido de montaje a la pulidora y pulir durante sólo unos segundos. Una almohadilla con una rugosidad 3-m ha demostrado serun buen punto de partida para los chips de silicio con longitudes de faceta de ~ 1 cm.
- Quitar el montaje de pulido e inspeccionar la faceta chip para determinar cómo se monta el nivel del chip.
NOTA: Un microscopio es útil para medir la distancia entre los extremos de las guías de onda y la faceta de la viruta. Estas mediciones permiten el ángulo entre la faceta y la guía de ondas que se determine. - Hacer los ajustes necesarios a los micrómetros en la pulidora con el fin de mejorar la nivelación del chip.
- Repita pasos 1.4.1-1.4.3 hasta que la faceta del chip y las guías de ondas se encuentran dentro de 0,15 ° de ser ortogonales entre sí.
- Polaco el chip en pasos de ~ 50 m, la inspección de la viruta entre cada paso para controlar la distancia restante, hasta que hay ~ 100 micras izquierda a pulir. Si en cualquier momento el revestimiento parece estar deslaminación de la superficie, asegurarse de que la almohadilla está girando a fin de pulimento de la parte superior del chip a la parte inferior.
NOTA: También puede ayudar el uso de un lubricante de pulido en lugar de agua. Esta deslaminación es un resultado de la tensión en el revestimiento y es una indicación de que el proceso de fabricación debe ser optimizado. - Cambiar a una almohadilla de chapoteo 1-m y pulir hasta que no es de ~ 20 m restante.
- Cambiar a una almohadilla de 0,5-m y continuar pulido para otro 15 m.
- Utilice una almohadilla de 0,1-m para la final 5 micras para asegurar una faceta suave. Imágenes de microscopio de la faceta de un chip de fotónico de silicio antes y después del pulido se muestran en la Figura 2.
- Calentar el montaje con el chip unido a ~ 130 ° C para permitir que la cera se derrita.
- Una vez que la cera se derrita por completo, retire el chip de la montura y dejar que se enfríe lentamente.
- Limpiar cualquier de la cera restante desde el chip usando acetona, isopropanol, y agua.
2. Preparación de fibras Pigtails
- Franja de cualquier tampón o recubrimiento from el extremo de un cable flexible de conexión fibra de modo único (SMF) y desde un extremo de una fibra ultra-alta apertura numérica (uhna).
- Limpiar los extremos desnudos de las fibras con una mezcla de acetona y metanol.
- Escindir el extremos desnudos de ambas fibras con una cuchilla de fibra comercial.
- Fusión empalmar el extremo cortado de las fibras. Una receta para el empalme SMF a la fibra uhna se muestra en la Tabla 1.
- Deslizar un manguito protector sobre el empalme y colocarlo en el horno de la manga para fijar de forma permanente a la fibra.
- Repetir los pasos 2.1 a 2.5 para preparar un total de tres fibras.
3. Configuración de la instalación de Prueba
NOTA: Un diagrama de la configuración de la prueba se muestra en la Figura 1B. El soporte para el chip es un pedestal de cobre que está en contacto con un refrigerador termoeléctrico (TEC). Hay un microscopio equipado con ambas cámaras visibles e infrarrojos (IR) para la visualización del chip fotónico.
- Lugaruna pequeña cantidad de cera en el chip de montaje y se aplica voltaje a la TEC para fundir la cera.
- Colocar el chip en la cera derretida, asegurándose de que quede plano en el monte.
- Elimina la tensión de la TEC y permitir que el montaje y el chip para enfriar lentamente.
- Adjuntar cada una de las fibras empalmadas a una fibra de ranura en V con la cinta de poliimida y montar una sola ranura en V para cada una de las etapas de 3 ejes utilizando el hardware de montaje suministrado por el fabricante.
- acoplamiento del borde de la fibra.
- Conectar las tres fibras a sus respectivos componentes: uno a la salida óptica del láser y los otros dos a medidores de potencia óptica.
- Ajustar el microscopio de manera que se centra en el chip, donde las guías de ondas alcanzan el borde.
- Posición de las fibras cerca del borde de chip de modo que estén en la vista de la cámara visible y ajustar sus alturas manera que el núcleo de cada fibra está en el foco.
- Ajuste el posicionamiento horizontal de las fibras con el micromete etapars para que se alinean con las guías de onda.
- A su vez en la salida óptica del láser y ajustar las posiciones del micrómetro horizontal y vertical de la fibra de entrada hasta que la luz es el acoplamiento en la guía de ondas. Esto se mostrará en la cámara de infrarrojos como la dispersión a lo largo de la guía de onda de entrada.
- Tune la longitud de onda del láser a un punto donde el resonador de micro anillo se ilumina en la cámara. Esto indica que la condición de resonancia está siendo satisfecha y que la luz está llegando a las guías de onda de salida.
- Ajuste las posiciones micrómetro horizontal y vertical de las fibras de salida hasta que haya una cantidad medible de luz que se extiende desde las guías de ondas a los medidores de potencia.
- Maximizar el poder de ambos detectores mediante la manipulación de las posiciones micrómetro horizontal y vertical de las tres fibras.
- maximizar aún más el poder de los detectores al hacer ajustes finos a las posiciones de fibra horizontal y vertical usando el controll piezoERS.
- Usa los controladores piezoeléctricos para mover las fibras ligeramente más cerca de la viruta. Asegúrese de no utilizar los micrómetros para empujar las fibras sobre el chip, ya que al hacerlo es probable que dañe los extremos cortados de las fibras.
- Repetir los pasos 3.5.9 y 3.5.10 hasta que las fibras están firmemente presionados contra los lados del chip.
NOTA: El exceso de luz dispersa de las guías de onda, junto con la mala transmisión de guía de ondas, puede ser una indicación de los defectos de la guía de onda. Estos pueden incluir, pero no están limitados a, sitios de materiales de defectos, límites de costura, y la rugosidad de la guía de ondas excesiva.
- Colocar un controlador de polarización basado en fibra entre el láser y el chip. Esto permite un control del estado de polarización que hace que sea al chip. Las guías de ondas, siendo más anchos que altos, ayuda a reducir al mínimo cualquier rotación de la polarización en el chip.
- caracterización de la dispersión.
- Sintonizar la polarización de la salida del láser para maximizar el acoplamiento de el chip. Este dispositivo fue diseñado para transversal-eléctrico de polarización (TE) y, como tal, el (TM) de polarización transversal magnético tiene una pérdida mucho mayor.
- Analiza un láser sintonizable en el rango de longitud de onda de interés (1.510 nm a 1.600 nm en este caso) y controlar los medidores de potencia. Cualquier artefactos en los espectros de transmisión son probablemente debido a una combinación de la componente TM de la polarización y etalón efectos de la interfaz de chip de fibra.
- Localizar las longitudes de onda resonantes en el espectro y también extraer el ancho de banda de cada resonancia. Este chip particular tenía anchos de banda tan pequeñas como 65 pm, lo cual se traduce en factores de calidad (Q) de hasta 23.000.
- Determinar la gama libre espectral (FSR), la separación entre las resonancias, para cada par adyacente de resonancias. Este dispositivo en particular tenía una FSR de ~ 5 nm.
- Calcular el índice de grupo (n g) del modo de guiado para cada valor de la FSR utilizando la siguiente ecuación:
n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
donde λ es la longitud de onda y r es el radio del resonador micro-ring. La ecuación anterior es una aproximación de primer orden del índice de grupo. - Utilice el ancho de banda de cada resonancia para determinar una anchura (Delta n g) asociada con cada valor del índice de grupo.
- Elija las longitudes de onda para los dos láseres de bombeo de tal manera que coincida con las resonancias en el espectro y tienen un número impar de resonancias entre ellos (Figura 1C).
- Determinar la longitud de onda de los degenerados bi-fotones utilizando la siguiente ecuación:
donde λ bomba 1 y λ bomba 2 son las longitudes de onda de los fotones de bombeo. - Añadir una línea horizontal en la trama de índice de grupo frente a longitud de onda que se extiende entre las dos longitudes de onda de la bomba (Figura 3). Si es posible que el line para sentarse dentro de n g ± Δ n g en las tres longitudes de onda de interés al mismo tiempo, la condición de coincidencia de fases está satisfecho y fotones puede generarse a través SFWM. Si no es posible, trate de la elección de las longitudes de onda de bombeo que están más cerca juntos y puedes volver a intentarlo.
- Añadir una segunda fuente de láser sintonizable y controlador de polarización a la configuración y combinar las salidas ópticas de los dos láseres con un combinador de fibra de 1 x 2.
- Añadir una serie de filtros de muesca basado en fibra (suficiente de ellos lograr ~ 120 dB de atenuación) inmediatamente antes del chip.
NOTA: Los filtros permiten ambas longitudes de onda de la bomba pasen pero rechazan la longitud de onda bi-fotón. Ellos ayudan a eliminar el exceso de ruido (es decir, de banda ancha dispersión Raman en la fibra óptica) antes del acoplamiento al chip. El espectro de filtro se muestra en la Figura 1B. - Añadir una serie de filtros de paso de banda basados en fibra (lo suficiente de ellos para lograr ~ 150 dB de atenuación)inmediatamente después de la chip.
NOTA: Los filtros deben ser lo suficientemente amplia como para permitir que los bi-fotones pasen pero lo suficientemente estrecha como para rechazar los fotones de bombeo. Se necesitan dos conjuntos de estos, un juego para cada salida. El espectro de filtro se muestra en la Figura 1B. - Enviar los fotones rechazados de cada conjunto de filtros para separar los medidores de potencia.
NOTA: Estos medidores de potencia se utilizan para controlar el acoplamiento óptico al chip y también pueden ser utilizados para determinar si los láseres de bombeo están quedando en resonancia. - Conectar la salida óptica individuales de cada conjunto de filtros a base de fibra a un solo detector de fotones (SPD) y conectar ambas salidas de señales eléctricas procedentes de los SPD a un correlador coincidencia.
- Cruzar un par de sondas de tungsteno y fijar la punta hacia abajo en una de las patas en espiral (~ 1 mm de longitud) de la MZI.
- Conectar una fuente de alimentación a las dos sondas cruzados de tal manera que generan calor cuando se aplica voltaje. Esto actuará como el desfasador para tMZI él.
NOTA: Véase la discusión para una descripción del método más estandarizado para la sintonización térmica de los dispositivos fotónicos.
4. La medición de interferencia de dos fotones
- Tune tanto de los láseres de bombeo a las longitudes de onda elegidas. Utilice los medidores de potencia que están supervisando los fotones de bombeo rechazados para asegurar que ambos láseres están sintonizados con las resonancias. Cuando los láseres están correctamente ajustados para las resonancias deseados, se maximizará la señal desechado para los filtros.
- Ajuste la salida de potencia óptica de cada láser a -3 dBm.
NOTA: Esto resultará en <100 mW en el chip. Es importante mantener la potencia de la bomba esta baja con el fin de minimizar la pérdida (de absorción multi-fotón y libre de portador de absorción) y mantener la estabilidad (por minimizar los cambios térmicos inducidos por la luz). uniones PN se pueden usar para eliminar los portadores de la guía de ondas para acomodar mejor más altas potencias de bombeo. - Monitorizar los recuentos de coincidencia (Sincronizaciónnous individuales a través de dos puertos) mediante la integración de más de ~ 220 ps sobre el pico de los datos. Un tiempo de integración suficiente ha pasado cuando un mínimo de 100 recuentos de coincidencia se han recogido.
Nota: La ventana de integración debe ser lo suficientemente amplia para tener en cuenta la fluctuación temporal del SPD. - Establecer la fuente de alimentación para el desfasador a la tensión inicial (por ejemplo, 0 V).
- Explorar uno de los láseres sintonizables en toda la gama de longitud de onda y el uso de los medidores de potencia que están recogiendo los fotones de bombeo rechazados para confirmar la ubicación de las resonancias de interés. Establecer los láseres de bombeo a las longitudes de onda correspondientes a las resonancias deseados.
Nota: Es importante realizar este paso cada vez que la tensión de desplazamiento de fase se cambia como la sintonización térmica puede dar lugar a pequeños cambios en las longitudes de onda resonantes. - Recoger los datos resultantes (recuento de fotón único, así como los recuentos de coincidencia) desde el correlador coincidencia para el elegido previamentetiempo de integración. Aquí, un tiempo de integración de 90 s fue elegido con una resolución de tiempo de 32 ps.
- Aumentar la tensión aplicada al desfasador por 5 mV.
- Repetir los pasos 4.4 a 4.6 hasta que los datos se han recogido para el intervalo deseado de tensiones.
NOTA: La tensión máxima se limita a 2,4 V debido a la rápida degradación de las sondas por encima de este voltaje. - Incorporar los picos de coincidencia para cada tensión de alimentación sobre ~ 220 ps para determinar el número total de coincidencias (Figura 4).
- Integrar más de 320 ns de distancia desde el pico de coincidencia para obtener las coincidencias accidentales. Utilice este resultado para calcular el número de alteraciones en el pico de coincidencia.
- Montar los individuales recuentos de cada detector con la siguiente función sinusoidal modificada:
donde A, B, C, D, E, y F son los parámetros de ajuste. Este ajuste es necesario debido a la no lineal RELACIÓNIP entre el voltaje y el cambio térmica inducida (fase relativa). - Convertir la variable independiente a la fase relativa de los tres conjuntos de datos (los sencillos cuenta desde cada detector y los recuentos de coincidencia) con la siguiente ecuación:
donde B, C, D, y E son los parámetros de ajuste de la etapa 4.11. Esta conversión es posible debido a la conocida función de transferencia sinusoidal de un MZI 12. - Ajustar los datos de coincidencia (con la fase relativa como la variable independiente) con la siguiente función seno:
donde A y B son los parámetros de ajuste. - Calcular la visibilidad de cada patrón de interferencia con la siguiente ecuación:
donde ƒ (θ) max y ƒ (
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Representative Results
recuentos de fotones individuales de cada detector, así como los recuentos de coincidencia, se recogieron como la fase relativa entre los dos caminos estaba sintonizada. Los recuentos individuales (figura 5A) muestran el patrón de interferencia clásica de un MZI con visibilidades de 94,5 ± 1,6% y 94,9 ± 0,9%. Las mediciones de coincidencia (Figura 5B) muestran la interferencia cuántica del estado entrelazado, como es evidente por la oscilación al doble de la frecuencia del patrón de interferencia clásica, con una visibilidad de 93,3 ± 2,0% (96,0 ± 2,1% con las alteraciones resta) . Para confirmar que los fotones principalmente se generan en el anillo, las bombas se han configurado en dos resonancias que requerirían la BI-fotones para ser generados en una longitud de onda no soportado por el anillo. La línea naranja en la figura 5B confirma que, con una configuración de este tipo, no hay coincidenc significativa ES. La Figura 6 muestra los recuentos de coincidencia para los pares de resonancia disponibles que son simétricos en la frecuencia de la resonancia correspondiente a la BI-fotones deseados. En todos los casos, el 2 θ dependencia de la fase relativa es evidente.
Figura 1: Banco de pruebas experimental para la guía de ondas de circuitos de silicio. (A) Imagen de la viruta cuántica fotónico de silicio que indica la dirección de propagación de los fotones. El recuadro es un diagrama de conservación de la energía para el proceso de mezcla de cuatro ondas que se produce dentro del anillo. (B) Montaje experimental utilizado para probar el circuito fotónico de silicio. (C) transmisión de espectro de la cavidad de micro anillo, con flechas que indican la configuración de bombeo, así como la longitud de onda de la BI-fotones generados.s / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg" target = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: la faceta Mejora de pulido. Imágenes de la faceta de un chip de fotónico de silicio (a) después de la fabricación pero antes de pulir y (b) después del pulido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Caracterización de guías de ondas de dispersión. Trama de la longitud de onda y el índice de grupo. La región sombreada en rojo es representativa de la anchura de banda de las resonancias y permite la fácil evaluación de la fase-macondición tching. La línea discontinua verde es horizontal y se encuentra completamente dentro de la región sombreada, demostrando que la condición de coincidencia de fases es satisfecho. El hecho de que los datos es plana en toda la gama es la confirmación de dispersión cero. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Medición de la coincidentes fotones. Parcela del pico coincidencia medido con el tiempo de correlación con un tiempo de integración de 90 s y una resolución de tiempo de 32 ps. Las líneas rojas de trazos indican los bordes de la ventana de coincidencia, en las que hay un total de 459 coincidencias. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: mediciones de interferencia clásica y cuántica. (A) luz clásica que demuestra el patrón de interferencia típico de un MZI como la fase relativa entre los dos caminos es variada. (B) medidas de correlación coincidencia que muestra la dependencia 2 θ de la fase relativa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Bi-Fotón Visibilidad de Varios Bomba Longitud de onda Configuraciones. Los gráficos de las mediciones de las coincidencias de correlación y visibilidades calculados para las longitudes de onda de bombeo de (a (b) 1,518.2 nm y 1,586.9 nm, (c) 1,522.9 nm y 1,581.8 nm, (d) 1,527.7 nm y 1,576.7 nm, (e) 1,532.4 nm y 1,571.6 nm, y (f) 1,537.2 nm y 1,566.6 nm. En todos los casos, el 2 θ dependencia de la fase relativa es evidente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| SMF a uhna empalme de fibras Parámetros | |
| Alinear: Core | Enfoque: Automático |
| ECF: Off | Apagado automático |
| Límite Cleave: 1 ° | Límite del ángulo de Core: 1 ° |
| Arco de limpieza: 150 ms | Gap: 15 micras |
| Gapset Posición: Central | Prefuse de energía: 20 bits |
| Tiempo Prefuse: 180 ms | Overlap: 10 micras |
| CUR1 Potencia: 20 bits | Tiempo CUR1: 18.000 ms |
| Arc2: Off | Tiempo Rearc: 800 ms |
| Taper Splice: Off | |
Tabla 1: Ajustes para la fusión de empalme de fibra SMF a uhna.
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Discussion
Hay varios desafíos para el campo de la fotónica integrados superar a fin de que los sistemas complejos y escalables de dispositivos fotónicos a ser factible. Estos incluyen, pero no se limitan a: estrechas tolerancias de fabricación, aislamiento a partir de inestabilidades ambientales, y la minimización de todas las formas de pérdida. Hay pasos críticos en el protocolo anterior que ayudan a minimizar la pérdida de dispositivos fotónicos.
Uno de los requisitos más importantes en minimizar la pérdida se sigue muy de cerca los modos ópticos de las fibras y las guías de ondas. Parte de la dificultad surge de la gran diámetro del campo modal (MFD) de SMF (~ 10 m). En el lado del dispositivo integrado, hay una guía de ondas de silicio 500 nm-ancho con un MFD mucho más pequeña (<1 m). Esta transición de modo entre la fibra y la guía de ondas se puede mejorar de dos maneras: el SMF a una longitud de fibra uhna o la colocación de una conicidad inversa a la del borde del chip fotónico. La región empalmada between el SMF y actúa de fibra uhna como un convertidor de modo, reducir el tamaño del modo a ~ 3 m. La conicidad inversa se utiliza para expandir el modo en el chip mediante la reducción de la anchura de la guía de ondas, ya que se aproxima a la faceta. Este chip utiliza una conicidad lineal a partir de las 500 guías de onda nm a los 150 consejos nm (en las facetas de chips), con una longitud de transición de 300 m. La conicidad de la anchura de la guía de ondas hasta el borde de los resultados de chips en una disminución en el índice efectivo del modo óptico y, a su vez, el modo se expande.
El pulido de la faceta chip también es muy importante en la mitigación de la pérdida óptica. Dos preocupaciones mientras pulido están parando en la superficie deseada y desprendimiento del material de revestimiento superior. Idealmente, la posición final de la faceta sería precisamente en el extremo de la conicidad. Sin embargo, esto es bastante difícil de lograr, y por esa razón, la punta del cono se extiende por 100 m de manera que el pulido se puede detener unas pocas micras antes de lacónica comienza. Si se quita demasiado poco material, el modo no será capturado tan eficientemente por la conicidad. Si se quita demasiado material, habrá un desajuste modo más grande en la interfaz de fibra / de chip, y se perderán más de la luz. La otra preocupación principal es la delaminación del revestimiento superior. Si hay problemas con la fabricación (limpieza o la tensión excesiva en el revestimiento), el revestimiento no puede adherirse al sustrato en el borde del chip. Cuando ocurre la delaminación a ocurrir en una de las guías de onda, el resultado será muy pobres eficacias de acoplamiento. Si se observa durante el pulido, un lubricante que no sea agua de pulido a menudo puede mejorar los resultados.
No hay margen de mejora en el protocolo anterior. La mejora más importante vendría de utilizar el método más común para afinar térmicamente el dispositivo. El método utilizado aquí fue el resultado de un proceso de fabricación simplificado que no incluye ninguna capas metálicas. Por lo general, un yo resistivacapa tal se utiliza para elementos de calentamiento, y una capa de metal altamente conductivo se utiliza para almohadillas de contacto y los cables de las almohadillas a los elementos de calentador. Una etapa se puede usar entonces para establecer abajo sondas en las almohadillas, lo que permite una tensión que debe aplicarse a los calentadores. Esto permite un mayor nivel de control y la estabilidad. Un chip fotónico de silicio similar a lo que se puso a prueba aquí, pero con calentadores de metal se muestra en el vídeo adjunto.
Hay otros métodos de acoplamiento de luz al chip fotónico. Para este trabajo, se utilizó acoplamiento borde. Otros métodos comunes incluyen acoplamiento espacio libre y de acoplamiento de rejilla. acoplamiento espacio libre se basa en elementos ópticos a granel para alinear y enfocar el haz en la guía de ondas en el borde del chip. El inconveniente con acoplamiento de esta manera es que puede ser muy difícil de optimizar la alineación de la viga, y no siempre será un reflejo en la interfaz debido a la diferencia de índice. acopladores de rejilla dispersan la luz de la olaorientar verticalmente, de modo que el extremo de una fibra se puede colocar en la superficie del revestimiento para acoplar al dispositivo. Estos también tienen algunos problemas, incluyendo la alineación difícil (la fibra es a menudo en la línea de visión del microscopio) y mayores pérdidas. acoplamiento del borde de fibra tampoco es perfecta. Al presionar las fibras contra el chip puede dañar los extremos de las fibras, y tanto las fibras y el borde chip de ser necesario limpiar con frecuencia. El beneficio de acoplamiento del borde de la fibra es que la alineación es mucho más fácil que los otros dos métodos y es capaz de alcanzar menores pérdidas.
A medida que la complejidad de los sistemas ópticos aumenta, la única manera factible para que les permite escalar en una plataforma estable es en un sistema integrado, al igual que el camino de la tecnología electrónica. El reto es la fusión de la plataforma de la fotónica integrada con la mayor parte y sistemas ópticos basados en fibras que ya están desplegados. Con la utilización de sistemas de información cuántica basada en fotones, donde la infescalas espaciales ormación exponencialmente (en comparación con la escala lineal de los sistemas clásicos), tecnologías fotónicas estabilidad de fase y de baja pérdida integrado son de suma importancia para el éxito. El protocolo que hemos descrito sirve como una trayectoria inicial hacia delante para hacer avanzar esta tecnología emergente.
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Disclosures
No tenemos nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue realizado en parte en la nanoescala Ciencia y Tecnología Fondo para la Universidad de Cornell, un miembro de la Red de Infraestructura Nacional de Nanotecnología, que es apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia (Grant ECCS-1542081). Reconocemos el apoyo para este trabajo del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL). Este material está basado en trabajo apoyado en parte por la National Science Foundation con la adjudicación núm ECCS14052481.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Axis NanoMax Flexure Stage | Thorlabs | MAX312D | Precision 3-axis stages |
| Three-Hole Fiber Stripping Tool | Thorlabs | FTS4 | buffer stripping tool |
| Three Channel Piezo Controller | Thorlabs | MDT693B | Piezo controllers for NanoMax stages |
| Fiber Polarization Controller | Thorlabs | FPC562 | 3-Paddle fiber-based polarization controller |
| Fiber Cleaver | Thorlabs | XL411 | Fiber cleaver |
| Standard V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV001 | standard v-groove mount |
| Tapered V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV002 | tapered v-groove mount |
| Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage | Thorlabs | AMA011 | right-angle bracket |
| 50:50 Fiber Optic Coupler | Thorlabs | TW1550R5F1 | 50/50 combiner |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Fujikura | FSM-40S | Fusion splicer |
| MultiPrep Polishing System - 8" | Allied High Tech | 15-2100 | Chip polisher |
| GreenLube | Allied High Tech | 90-209010 | Polishing Lubricant |
| Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge | Allied High Tech | 15-1010-RE | Polishing mount |
| Lightwave Measurement System | Keysight | 8164B | Mainframe for tunable laser |
| Tunable Laser Source | Keysight | 81606A | Tunable laser |
| Optical Power Sensor | Keysight | 81634B | Power meter |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID210 | Single photon detectors |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID230 | Low noise, free-running single photon detectors |
| PicoHarp | PicoQuant | PicoHarp 300 | Time-correlated single photon counting |
| WiDy SWIR InGaAs Camera | NIT | 640U-S | IR Camera |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 30055053-368-2.2 | pump cleanup filters |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 1011787-012 | pump rejection filters |
| Ultra-High Numerical Aperture Fiber | Nufern | UHNA-7 | high index fiber |
| Ultra Optical Single Mode Fiber | Corning | SMF-28 | standard single mode fiber |
References
- Silverstone, J. W., et al. On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources. Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).
- Harris, N. C., et al. Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems. Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).
- Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
- Najafi, F., et al. Scalable Integration of Single-Photon Detectors. Nat. Commun. 6, 1-8 (2015).
- Dutt, A., et al. On-Chip Optical Squeezing. Phys. Rev. Appl. 3 (4), 1-7 (2015).
- Azzini, S., et al. Ultra-low power generation of twin photons in a compact silicon ring resonator. Opt. Express. 20 (21), 23100-23107 (2012).
- Clemmen, S., et al. Continuous wave photon pair generation in silicon-on-insulator waveguides and ring resonators erratum. Opt. Express. 17 (19), 16558 (2009).
- Engin, E., et al. Photon pair generation in a silicon micro-ring resonator with reverse bias enhancement. Opt. Express. 21 (23), 27826-27834 (2013).
- Steidle, J. a, et al. High spectral purity silicon ring resonator photon-pair source. Proc. of SPIE. 9500, 950015 (2015).
- Preble, S. F., et al. On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source. Phys. Rev. Appl. 4, 021001 (2015).
- Cao, L., Aboketaf, A. A., Preble, S. F. CMOS compatible micro-oven heater for efficient thermal control of silicon photonic devices. Opt. Commun. 305, 66-70 (2013).
- Chrostowski, L., Hochberg, M. Silicon Photonics Design. , Cambridge University Press. Section 4.3 (2013).
