Summary
السيليكون رقائق الضوئية لديها القدرة على تحقيق أنظمة الكم متكاملة معقدة. المقدمة هنا هي طريقة لإعداد واختبار رقاقة السيليكون الضوئية لقياس الكم.
Abstract
السيليكون رقائق الضوئية لديها القدرة على تحقيق الدوائر المتكاملة نوعية معقدة معالجة المعلومات، بما في ذلك مصادر الفوتون، والتلاعب و qubit، وكشف المتكاملة فوتون واحد. هنا، نقدم الجوانب الرئيسية لإعداد واختبار السليكون الضوئية رقاقة الكم مع مصدر الفوتون متكامل وتداخل ثنائي الفوتون. الجانب الأكثر أهمية من دائرة نوعية متكاملة والتقليل فقدان بحيث يتم الكشف عن كل من الفوتونات ولدت مع أعلى الإخلاص الممكنة. هنا، نحن تصف كيفية تنفيذ المنخفضة خسارة حافة اقتران باستخدام ألياف فائقة الفتحة العددية لتتناسب عن كثب الوضع في الدليل الموجي السيليكون. باستخدام الأمثل وصفة الانصهار الربط، وربطه الألياف أونة بسلاسة مع الألياف أحادية النمط القياسي. هذا اقتران المنخفضة خسارة يسمح للقياس الإنتاج الفوتون عالية الدقة في مرنان متكامل حلقة السليكون ولاحقة تدخل ثنائي الفوتون من ع المنتجةhotons في تداخل ماخ زيندر متكاملة بشكل وثيق. وتصف هذه الورقة الإجراءات الضرورية لإعداد وتوصيف عالية الأداء والسيليكون الكم الدوائر الضوئية للتحجيم.
Introduction
السيليكون تبدو واعدة كبيرة بوصفه منصة الضوئيات لمعالجة المعلومات الكمومية 1، 2، 3، 4، 5. واحدة من المكونات الحيوية الدوائر الضوئية الكم هو المصدر الفوتون. وقد وضعت مصادر الفوتون الزوج من السيليكون في شكل المرنانات الدائري الصغير مصنوع عن طريق ثالث ترتيب عملية غير الخطية، عفوية أربع موجة خلط (SFWM) 6 و 7 و 8. هذه المصادر هي قادرة على انتاج أزواج من الفوتونات لا يمكن تمييزها، والتي تعتبر مثالية لإجراء التجارب التي تنطوي على الفوتون التورط 9.
ومن المهم أن نلاحظ أن عصابة يمكن لمصادر مرنان تعمل مع كل من عقارب الساعة ونشر عكس اتجاه عقارب الساعة، واثنين من الاتجاهات المختلفة انتشار الجينحشد مستقلة عن بعضها البعض. وهذا يسمح حلقة واحدة لكنواتين المصادر. عندما ضخ بصريا من كلا الاتجاهين، هذه المصادر تولد الدولة المتشابكة التالية:
أين 
و 
هي مشغلي خلق مستقلة للالفوتونات ثنائية clockwise- ونشر عكس اتجاه عقارب الساعة، على التوالي. هذا هو شكل من المرغوب فيه جدا من الدولة المتشابكة المعروفة باسم دولة N00N (N = 2) (10).
تمر هذه الدولة من خلال ماخ زيندر تداخل على رقاقة (MZI) ينتج في الدولة:
تتأرجح هذه الدولة بين أقصى قدر من قبيل المصادفة والصفر مصادفة في مرتينوتيرة التدخل الكلاسيكية في MZI، وذلك بمضاعفة حساسية تداخل 10. هنا، نقدم الإجراءات المستخدمة لاختبار هذا مصدر الفوتون متكامل وجهاز MZI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ملاحظة: يفترض هذا البروتوكول الذي شرائح الضوئية قد تم ملفقة. كانت ملفقة الشريحة الموصوفة هنا (كما هو موضح في الشكل 1A) في جامعة كورنيل النانومترية الحجم العلوم والتكنولوجيا مرفق باستخدام تقنيات المعالجة القياسية للسيليكون الأجهزة الضوئية 11. وتشمل هذه استخدام رقائق السليكون على العازل (التي تتألف من طبقة السيليكون 220 نانومتر سميكة، وطبقة 3 ميكرون من ثاني أكسيد السيليكون، والركيزة السيليكون 525 ميكرون سميكة)، شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية لتحديد الدليل الموجي قطاع (500 نانومتر واسعة)، ومحسنة البلازما ترسيب الأبخرة الكيميائية من الكسوة ثاني أكسيد السيليكون (~ 3 ميكرون سميكة). تم تصميم المرنانات حلقة صغيرة مع نصف قطره الداخلي 18.5 ميكرون وجود فجوة من 150 نانومتر الدليل الموجي إلى الحلبة. تشمل أرقام تقديرية لهذا الجهاز الخسارة، عامل الجودة، النطاق الطيفي الحر، والتشتت.
1. إعداد رقاقة الضوئية
- وضع امون صغيرطن من الشمع على تلميع جبل عبر باجتزاء والحرارة إلى ~ 130 ° C.
ملاحظة: كمية من الشمع ليتم استخدامها تعتمد على حجم العينة يتم تركيبه. يجب أن يكون هناك ما يكفي من الشمع للحفاظ على رقاقة متحرك، بينما كثيرا سيؤدي الشمع على جوانب رقاقة. - وضع رقاقة الضوئية على جزء من تلميع جبل مع الشمع. تأكد من أن الشمع ذاب تماما بحيث رقاقة مسطحة على جبل. استخدام ملاقط بلاستيكية عند التعامل مع رقاقة لتجنب إتلاف الأوجه.
- السماح للجبل لتبريد في الهواء المحيط بحيث يتصلب الشمع. تبريد أسرع من هذا قد يؤدي إلى تلف رقاقة.
- تلميع جوانب رقاقة.
ملاحظة: من المهم أن تختار لوحة اللف الصحيحة كما تبدأ مع وسادة هذا هو عدوانية جدا يمكن أن يؤدي إلى تلميع بعيدا أكثر من شريحة من المطلوب.- إرفاق تلميع جبل لملمع والبولندية لبضع ثوان فقط. وقد أظهرت وسادة مع خشونة 3 ميكرون أن يكوننقطة انطلاق جيدة لرقائق السيليكون مع أطوال وجه من وجوه ~ 1 سم.
- إزالة جبل تلميع وتفقد الوجه رقاقة لتحديد كيفية المستوى هي التي شنت على رقاقة.
ملاحظة: المجهر مفيد لقياس المسافة بين طرفي الدليل الموجي ووجه من وجوه رقاقة. هذه القياسات تسمح للزاوية بين الوجه والدليل الموجي يحدد لاحقا. - إجراء التعديلات اللازمة للميكرومتر على ملمع من أجل تحسين تسوية للرقاقة.
- كرر الخطوات 1.4.1-1.4.3 حتى وجه من وجوه رقاقة والدليل الموجي ضمن 0.15 درجة من كونها متعامد مع بعضها البعض.
- تلميع رقاقة في خطوات ~ 50 ميكرون، وتفتيش رقاقة بين كل خطوة لرصد المسافة المتبقية، حتى يكون هناك ~ 100 ميكرون يقم لتلميع. إذا كان في أي نقطة تظهر الكسوة إلى أن delaminating من السطح، والتأكد من أن لوحة يدور حتى البولندية من أعلى شريحة إلى أسفل.
ملاحظة: قد يساعد أيضا على استخدام مواد التشحيم تلميع بدلا من الماء. هذا التبطين هو نتيجة للإجهاد في الكسوة وهو إشارة إلى أن تحتاج عملية التصنيع إلى أن يكون الأمثل. - تغيير لوحة اللف 1 ميكرومتر والبولندية حتى يكون هناك ~ 20 ميكرون المتبقية.
- تغيير لوحة 0.5 ميكرومتر ومواصلة تلميع لمدة 15 آخر ميكرون.
- استخدام وسادة 0.1 ميكرومتر لوضع الترتيبات فينال 5 ميكرون لضمان الوجه على نحو سلس. وتظهر الصور المجهر من وجه من وجوه شريحة الضوئية السيليكون قبل وبعد التلميع في الشكل 2.
- تسخين جبل مع الشريحة المرفقة إلى ~ 130 درجة مئوية للسماح الشمع لتذوب.
- مرة واحدة وذاب الشمع تماما، وإزالة شريحة من جبل والسماح لتبرد ببطء.
- تنظيف أي من الشمع المتبقي من رقاقة باستخدام الأسيتون، الأيزوبروبانول، والماء.
2. إعداد الألياف أسلاك التوصيل المصنوعة
- تجريد أي عازلة أو طلاء الابام نهاية (SMF) ضفيرة الألياف طريقة واحدة واحدة من نهاية الألياف فائقة الفتحة العددية (أونة).
- تنظيف نهايات العارية من الألياف مع خليط من الأسيتون والميثانول.
- يلتصق نهايات عارية من كل من الألياف مع الألياف الساطور التجاري.
- الانصهار بترخيص نهاية المشقوق من الألياف. ويرد صفة للالربط SMF إلى الألياف أونة في الجدول 1.
- الشريحة كم واقي على لصق ووضعه في الفرن كم لنعلق عليه بشكل دائم إلى الألياف.
- كرر الخطوات من 2،1-2،5 لإعداد ما مجموعه ثلاثة الألياف.
3. تكوين لإعداد اختبار
ملاحظة: رسم تخطيطي لإعداد الاختبار هو مبين في الشكل 1B. جبل لرقاقة هو التمثال النحاس التي هي على اتصال مع برودة الحرارية الكهربائية (TEC). هناك المجهر مزودة كلا (IR) الكاميرات المرئية والأشعة تحت الحمراء لعرض شرائح الضوئية.
- مكانكمية صغيرة من الشمع على رقاقة جبل وتطبيق الجهد لTEC لإذابة الشمع.
- وضع شريحة على الشمع المنصهر، وضمان أنه يجلس شقة في جبل.
- إزالة الجهد من TEC والسماح للجبل ورقاقة لتبرد ببطء.
- نعلق كل من الألياف تقسم إلى الألياف الخامس الأخدود مع الشريط بوليميد وجبل واحد الخامس الأخدود لكل مرحلة من المراحل 3 محاور باستخدام الأجهزة المتزايدة التي توفرها الشركة المصنعة.
- الألياف حافة اقتران.
- توصيل الألياف ثلاثة مكونات كل منها: واحدة إلى الإخراج البصري لليزر واثنين آخرين إلى متر الطاقة الضوئية.
- ضبط المجهر بحيث يتم التركيز على الشريحة حيث تصل إلى الدليل الموجي الحافة.
- ضع الألياف على مقربة من حافة رقاقة بحيث تكون في وجهة نظر الكاميرا وضوحا وضبط ارتفاعها بحيث جوهر كل الألياف هو في التركيز.
- ضبط وضع أفقي من الألياف مع micromete المرحلةالتمرير بحيث تصطف أنها حتى مع الدليل الموجي.
- بدوره على الإخراج البصري ليزر وتناغم المواقف ميكرومتر الأفقية والرأسية من الألياف المدخلات حتى الضوء اقتران في الدليل الموجي. هذا وسوف تظهر على الكاميرا IR كما تناثر على طول الموجي الإدخال.
- ضبط الطول الموجي لليزر إلى نقطة حيث يضيء مرنان حلقة صغيرة، حتى على الكاميرا. هذا يدل على أن حالة الرنين يجري بالارتياح وأن الضوء هو الوصول إلى الدليل الموجي الناتج.
- توفيق أوضاع ميكرومتر الأفقية والرأسية من الألياف الإخراج حتى هناك كمية قابلة للقياس الضوء تمتد من الدليل الموجي إلى عدادات الطاقة.
- تحقيق أقصى قدر من القوة لكلا كشف عن طريق التلاعب في مواقف ميكرومتر الأفقية والرأسية من الألياف الثلاثة.
- وعلاوة على ذلك تحقيق أقصى قدر من السلطة للكشف عن بجعل تعديلات دقيقة لمواقف الألياف الأفقية والعمودية باستخدام سيطروا بيزوالمتطلبات البيئية.
- استخدام وحدات تحكم بيزو للانتقال الألياف أقرب قليلا إلى شرائح. تأكد من عدم استخدام ميكرومتر لدفع الألياف على رقاقة، لأن ذلك من المرجح أن يؤدي إلى تلف نهايات المشقوق من الألياف.
- كرر الخطوات من 3.5.9 و3.5.10 حتى يتم الضغط على الألياف بحزم ضد جانبي الشريحة.
ملاحظة: الضوء المتناثرة المفرط من الدليل الموجي، إلى جانب الفقراء نقل الدليل الموجي، يمكن أن يكون مؤشرا على عيوب الدليل الموجي. ويمكن لهذه تشمل، ولكنها لا تقتصر على، المواقع المادية عيب، والحدود خياطة، والإفراط في خشونة الدليل الموجي.
- وضع وحدة تحكم الاستقطاب القائم على الألياف بين الليزر ورقاقة. وهذا يسمح للسيطرة على الدولة الاستقطاب الذي يجعل من لرقاقة. والدليل الموجي، ويجري على نطاق أوسع مما هي عليه طويل القامة، والمساعدة في التقليل من أي دوران الاستقطاب على رقاقة.
- توصيف التشتت.
- ضبط استقطاب انتاج الليزر لتحقيق أقصى قدر من اقتران ل رقاقة. وقد تم تصميم هذا الجهاز لعرضية والكهرباء (TE) الاستقطاب وعلى هذا النحو، و(TM) الاقطاب عرضية المغناطيسي لديه الخسارة أعلى من ذلك بكثير.
- مسح ليزر الانضباطي على نطاق الطول الموجي للاهتمام (1510 نانومتر إلى 1600 نانومتر في هذه الحالة) ومراقبة عدادات الطاقة. ومن المرجح أي القطع الأثرية في أطياف نقل نتيجة لمزيج من المكون TM من الاستقطاب وETALON الآثار من واجهة الألياف رقاقة.
- تحديد موجات الرنانة في الطيف وكذلك استخراج وعرض النطاق الترددي من كل الرنين. وكان هذا رقاقة خاص عرض نطاق ترددي صغيرة مثل 65 مساء، وهو ما يترجم إلى عوامل الجودة (Q) لمدة تصل إلى 23،000.
- تحديد نطاق مجانا الطيفي (FSR)، والفصل بين الأصداء، لكل زوج المجاور من الأصداء. وكان هذا جهاز معين على FSR من ~ 5 نانومتر.
- حساب مؤشر مجموعة (ن ز) من وضع موجهة لكل قيمة من FSR باستخدام المعادلة التالية:
ن 5 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg "/>
حيث λ هو الطول الموجي و r نصف قطر مرنان الدائري الصغير. المعادلة أعلاه هو تقريب من الدرجة الأولى لمؤشر المجموعة. - استخدام عرض النطاق الترددي من كل الرنين لتحديد العرض (Δn ز) المرتبطة بكل قيمة المؤشر المجموعة.
- اختيار الأطوال الموجية لمدة الليزر مضخة بحيث أنها تتزامن مع الأصداء في الطيف ولها عدد فردي من الأصداء بينهما (الشكل 1C).
- تحديد الطول الموجي للفوتونات ثنائية المنحطة باستخدام المعادلة التالية:
حيث λ مضخة 1 و λ مضخة 2 هي موجات من الفوتونات المضخة. - إضافة خط أفقي على قطعة من مؤشر مجموعة مقابل الطول الموجي الذي يمتد بين موجات ضخ اثنين (الشكل 3). إذا كان من الممكن للينه على الجلوس داخل ن ز ± Δ ن ز على جميع الأطوال الموجية ثلاثة من الفائدة في وقت واحد، شرط مرحلة مطابقة اقتنعت والفوتونات يمكن أن تتولد عن طريق SFWM. إذا لم يكن ذلك ممكنا، حاول اختيار الأطوال الموجية المضخة التي هي أقرب معا والتحقق مرة أخرى.
- إضافة مصدر ليزر الانضباطي الثاني وحدة تحكم الاستقطاب إلى الإعداد والجمع بين مخرجات البصرية من كلا الليزر مع الألياف الموحد 1 × 2.
- إضافة سلسلة من المرشحات الشق القائم على الألياف (ما يكفي منها تحقيق ~ 120 ديسيبل من التوهين) على الفور قبل رقاقة.
ملاحظة: المرشحات لتمكين كل من موجات مضخة لتمرير كنهم يرفضون الطول الموجي ثنائي الفوتون. أنها تساعد على إزالة الضوضاء الزائدة (أي واسع النطاق رامان نثر في الألياف البصرية) قبل اقتران إلى شرائح. يظهر الطيف مرشح في الشكل 1B. - إضافة سلسلة من المرشحات ممر الموجة القائم على الألياف (ما يكفي منها لتحقيق ~ 150 ديسيبل من التوهين)مباشرة بعد رقاقة.
ملاحظة: يجب أن تكون المرشحات واسعة بما يكفي لتسمح الفوتونات ثنائية لتمرير لكن ضيق بما فيه الكفاية لرفض الفوتونات المضخة. وهناك حاجة إلى مجموعتين من هذه، مجموعة واحدة لكل مخرج. يظهر الطيف مرشح في الشكل 1B. - إرسال الفوتونات رفض من كل مجموعة من المرشحات للفصل عدادات الطاقة.
ملاحظة: يتم استخدام هذه عدادات الطاقة لمراقبة اقتران البصرية إلى الرقاقة، ويمكن أيضا أن تستخدم لتحديد ما إذا كان ليزر المضخة هي المتبقية على الرنين. - وصل الناتج البصرية الفردية من كل مجموعة من المرشحات القائم على الألياف لكشف فوتون واحد (SPD) وربط كل من مخرجات إشارة كهربائية من مواشفات إلى خاسسرح صدفة.
- عبور زوج من تحقيقات التنغستن وتعيين نصائح على واحد من الساقين دوامة (~ 1 ملم في الطول) من MZI.
- توصيل التيار الكهربائي إلى تحقيقين عبرت بحيث أنها تولد حرارة عند تطبيق الجهد. هذا سيكون بمثابة المرحلة شيفتر لرانه MZI.
ملاحظة: انظر مناقشة للحصول على وصف طريقة أكثر توحيدا لضبط الحرارية الأجهزة الضوئية.
4. قياس ثنائي الفوتون التدخل
- ضبط كل من الليزر مضخة لموجات المختار. استخدام عدادات الطاقة التي يتم رصدها الفوتونات مضخة رفضت لضمان أن كلا من الليزر يتم ضبطها إلى الأصداء. عندما يتم ضبطها أشعة الليزر بشكل صحيح إلى الأصداء المطلوبة، سيتم تكبير إشارة رفض من المرشحات.
- تعيين انتاج الطاقة الضوئية من كل الليزر ل-3 ديسيبل.
ملاحظة: سوف ينتج عن هذا <100 مللي واط في رقاقة. فمن المهم للحفاظ على قوة المضخة هذا المستوى المنخفض من أجل تقليل الخسائر (من امتصاص الفوتون متعددة والناقل الحرة) والحفاظ على الاستقرار (عن طريق تقليل التحولات الحرارية الناجم عن الضوء). تقاطعات PN يمكن استخدامها لإزالة شركات من الدليل الموجي لاستيعاب أفضل القوى مضخة أعلى. - مراقبة التهم صدفة (التزامنالفردي النوس عبر منفذين) من خلال دمج أكثر من ~ 220 ملاحظة حول ذروة البيانات. لقد مر وقت كاف التكامل عندما تم جمع ما لا يقل عن 100 تهم من قبيل المصادفة.
ملاحظة: نافذة التكامل يجب أن تكون واسعة بما فيه الكفاية لحساب غضب توقيت مواشفات. - تعيين امدادات الطاقة للمرحلة شيفتر إلى الجهد الأولي (على سبيل المثال، 0 V).
- مسح واحدة من الليزر الانضباطي على نطاق الطول الموجي كامل واستخدام عدادات الطاقة التي يتم جمع الفوتونات مضخة رفض لتأكيد موقع الأصداء من الفائدة. تعيين الليزر المضخة إلى موجات المقابلة لالأصداء المطلوب.
ملاحظة: من المهم لإكمال هذه الخطوة في كل مرة يتم فيها تغيير المرحلة شيفتر التيار الكهربائي وضبط الحراري يمكن أن يؤدي إلى تحولات صغيرة في موجات الرنانة. - جمع البيانات الناتجة (عمليات العد فوتون واحد، فضلا عن تهم من قبيل المصادفة) من خاسسرح صدفة لاختيار سابقاالوقت التكامل. هنا، تم اختيار وقت التكامل من 90 الصورة مع دقة توقيت 32 ملاحظة.
- زيادة الجهد المطبق على مرحلة شيفتر بنسبة 5 بالسيارات.
- كرر الخطوات من 4،4-4،6 حتى يتم جمع البيانات لمجموعة المطلوب من الفولتية.
ملاحظة: أقصى الجهد اقتصر على 2.4 V بسبب تدهور السريع للتحقيقات فوق هذا الجهد. - دمج القمم صدفة لكل الجهد امدادات الطاقة على ~ 220 ملاحظة لتحديد عدد من الصدف (الشكل 4).
- دمج أكثر من 320 نانو ثانية بعيدا عن ذروة صدفة للحصول على الصدف غير مقصود. استخدام هذه النتيجة لحساب عدد من accidentals في ذروة صدفة.
- تناسب الفردي التهم من كل كاشف مع دالة الجيب المعدلة التالية:
حيث A، B، C، D، E، F و هي المعلمات مناسبة. هذا يصلح أمر ضروري نظرا لrelationsh غير الخطيةالملكية الفكرية بين الجهد والتحول الحراري الناجم (المرحلة النسبية). - تحويل المتغير المستقل للمرحلة النسبية لجميع ثلاث مجموعات من البيانات (الفردي بحساب من كل كاشف والتهم صدفة) مع المعادلة التالية:
حيث B، C، D، E وهي المعايير صالح من الخطوة 4.11. هذا التحويل غير ممكن نظرا لنقل وظيفة الجيبية معروفة من MZI 12. - احتواء البيانات صدفة (مع المرحلة النسبية كمتغير مستقل) مع وظيفة شرط التالية:
حيث A و B هي المعايير مناسبة. - حساب رؤية كل نمط التدخل في المعادلة التالية:
حيث ƒ (θ) كحد أقصى وƒ (
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
، وقد تم جمع التهم الفوتون الفردية من كل كاشف، فضلا عن تهم من قبيل الصدفة كما ضبطها المرحلة النسبية بين المسارين. التهم الفردية (الشكل 5A) تظهر نمط التدخل الكلاسيكية من MZI مع الرؤى من 94.5 ± 1.6٪ و 94.9 ± 0.9٪. القياسات صدفة (الشكل 5B) تظهر تدخل الكم الدولة المتشابكة، كما هو واضح من التذبذب في ضعف وتيرة نمط التدخل الكلاسيكية، مع وضوح 93.3 ± 2.0٪ (96.0 ± 2.1٪ مع accidentals طرح) . للتأكد من أن الفوتونات هي في المقام الأول يجري إنشاؤها في الحلقة، تم تكوين مضخات إلى قسمين الأصداء التي تتطلب الفوتونات ثنائية إلى أن تتولد في الطول الموجي غير معتمدة من قبل عصابة. الخط البرتقالي في الشكل 5B يؤكد أنه مع مثل هذا التكوين، لا توجد coincidenc كبير وفاق. ويبين الشكل 6 تهم من قبيل الصدفة لأزواج صدى المتاحة التي هي متماثل في تردد عن الرنين المقابلة لالفوتونات ثنائية المطلوب. في جميع الحالات، 2 θ اعتماد المرحلة النسبية هو واضح.
الشكل 1: w اختبارات تجريبية للدائرة الدليل الموجي السيليكون. (أ) صورة من السيليكون الضوئية رقاقة الكم يشير إلى اتجاه انتشار الفوتونات. وأقحم هو مخطط الحفاظ على الطاقة لعملية خلط أربع موجة الذي يحدث داخل الحلبة. (ب) إعداد التجريبية المستخدمة لاختبار الدوائر السيليكون الضوئية. (ج) نقل الطيف من تجويف الدائري الصغير، مع السهام تشير إلى التكوين الضخ وكذلك الطول الموجي للفوتونات ثنائية تم إنشاؤه.ق / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تحسين سطيح من تلميع. صور للوجه من وجوه على رقاقة السيليكون الضوئية (أ) بعد التصنيع ولكن قبل تلميع و (ب) بعد التلميع. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): توصيف الدليل الموجي التشتت. مؤامرة من الاعتماد الطول الموجي للمؤشر المجموعة. المنطقة الحمراء المظللة هي ممثل من عرض النطاق الترددي من الأصداء، ويسمح لتقييم سهلة للتخلص أماهحالة tching. خط متقطع الأخضر الأفقي ويكمن تماما داخل المنطقة المظللة، مما يدل على أن الشرط مرحلة مطابقة راضية. حقيقة أن البيانات مسطح عبر مجموعة كاملة هو تأكيد الصفر التشتت. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (4): قياس بالتزامن الفوتونات. مؤامرة من ذروة صدفة قياس مع الزمن correlator مع الوقت التكامل بين 90 ق ودقة توقيت 32 ملاحظة. خطوط حمراء متقطع تشير إلى حواف النافذة صدفة، حيث هناك ما مجموعه 459 الصدف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: الكلاسيكية والكم قياسات التدخل. (أ) ضوء الكلاسيكية مما يدل على نمط التداخل نموذجي من MZI كمرحلة النسبية بين المسارين متنوع. (ب) القياسات صدفة ارتباط تظهر الاعتماد 2 θ المرحلة النسبية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: ثنائي الفوتون الرؤية لمختلف مضخة الطول الموجي تكوينات. قطع القياسات الصدف الارتباط والرؤى المحسوبة لموجات ضخ (أ (ب) 1،518.2 نانومتر و 1،586.9 نانومتر، (ج) 1،522.9 نانومتر و 1،581.8 نانومتر، (د) 1،527.7 نانومتر و 1،576.7 نانومتر، (ه) 1،532.4 نانومتر و 1،571.6 نانومتر، و (و) 1،537.2 نانومتر و 1،566.6 نانومتر. في جميع الحالات، 2 θ اعتماد المرحلة النسبية هو واضح. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
| SMF إلى أونة الألياف الربط معلمات | |
| محاذاة: كور | التركيز: السيارات |
| ECF: معطلة | السيارات الطاقة: معطلة |
| الحد يلتصق: 1 ° | جوهر زاوية الحد: 1 ° |
| تنظيف القوس: 150 مللي | الفجوة: 15 ميكرون |
| Gapset الوظيفة: مركز | Prefuse الطاقة: 20 قليلا |
| Prefuse الوقت: 180 مللي | التداخل: 10 ميكرون |
| Arc1 الطاقة: 20 بت | Arc1 الوقت: 18000 مللي ثانية |
| Arc2: معطلة | Rearc الوقت: 800 مللي |
| تفتق لصق: معطلة | |
الجدول 1: إعدادات فيوجن الربط SMF إلى الألياف أونة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
هناك تحديات متعددة لمجال الضوئيات متكاملة لالتغلب عليها من أجل لأنظمة معقدة وقابلة للتطوير الأجهزة الضوئية مجدية. وتشمل هذه، ولكنها لا تقتصر على: التحمل تلفيق ضيقة، بمعزل عن عدم الاستقرار البيئية، والتقليل من جميع أشكال الخسارة. هناك خطوات حاسمة في البروتوكول أعلاه التي تساعد على تقليل الخسائر من الأجهزة الضوئية.
واحدة من أهم المتطلبات الحاسمة في تقليل الخسارة مطابقة عن كثب وسائط بصرية من الألياف والدليل الموجي. جزء من صعوبة ينبع من كبير قطره مجال وضع (MFD) من SMF (~ 10 ميكرون). على الجانب جهاز متكامل، هناك الدليل الموجي السيليكون على نطاق نانومتر 500 مع MFD أصغر بكثير (<1 ميكرون). ويمكن تحسين هذا التحول وضع بين الألياف والدليل الموجي في بطريقتين: SMF على طول الألياف أونة أو وضع معكوس تفتق إلى حافة الشريحة الضوئية. المنطقة تقسم betwالتابعين للSMF وأعمال الألياف أونة بمثابة تحويل الوضع، والحد من حجم الوضع إلى ~ 3 ميكرون. يستخدم تفتق معكوس لتوسيع الوضع على الرقاقة عن طريق الحد من عرض الدليل الموجي وهي تقترب من الوجه. يستخدم هذه الشريحة تفتق خطي من 500 نانومتر الدليل الموجي إلى 150 نانومتر نصائح (في جوانب رقاقة)، ويبلغ طوله الانتقال من 300 ميكرون. ومستدق من عرض الدليل الموجي إلى حافة نتائج رقاقة أدى إلى انخفاض في مؤشر الفعال لوضع البصرية، وبالتالي، توسع واسطة.
تلميع من الوجه رقاقة هو أيضا مهم جدا في التخفيف من فقدان بصري. شاغلين في حين تلميع ووقف على السطح المطلوب وdelaminating المواد الكسوة العليا. من الناحية المثالية، فإن الموقف النهائي من الوجه يكون على وجه التحديد في نهاية تفتق. ومع ذلك، وهذا من الصعب جدا تحقيقه، ولهذا السبب، يتم توسيع غيض من تفتق من 100 ميكرون بحيث تلميع يمكن وقفها بضعة ميكرونات قبليبدأ تفتق. إذا تمت إزالة المواد قليلة جدا، لن يتم القبض على وضع بكفاءة من قبل تفتق. إذا تمت إزالة الكثير من المواد، وسوف يكون هناك عدم تطابق وضع أكبر في واجهة الألياف / رقاقة، والمزيد من الضوء سوف تضيع. مصدر القلق الرئيسي الآخر هو التبطين من الكسوة العليا. إذا كان هناك مشاكل مع تلفيق (نظافة أو الإجهاد المفرط في الكسوة)، قد لا تلتزم الكسوة إلى الركيزة على حافة الرقاقة. عندما يحدث التبطين أن يحدث في واحدة من الدليل الموجي، وسوف يؤدي إلى كفاءة اقتران سيئة للغاية. إذا لاحظت أنه خلال تلميع، ومواد التشحيم تلميع الآخرين من المياه يمكن في كثير من الأحيان تحسين النتائج.
هناك مجال للتحسين في البروتوكول أعلاه. إن أكبر تحسن تأتي من استخدام طريقة أكثر القياسية لحراريا ضبط الجهاز. كانت الطريقة المستخدمة هنا نتيجة لعملية التصنيع مبسطة التي لم تشتمل على أي طبقات معدنية. عادة، وهو مقاوم لييستخدم التل طبقة لعناصر التدفئة، ويتم استخدام طبقة معدنية عالية موصل لمنصات الاتصال والأسلاك من منصات للعناصر سخان. يمكن استخدامها بعد ذلك مرحلة وضع أسفل تحقيقات على منصات، مما يتيح الجهد لتطبيقها على أجهزة التدفئة. وهذا يتيح قدرا أكبر من السيطرة والاستقرار. ويرد رقاقة السيليكون الضوئية على غرار ما تم اختباره هنا ولكن مع سخانات المعادن في الفيديو المصاحب.
وهناك وسائل أخرى للاقتران الضوء على رقاقة الضوئية. لهذا العمل، تم استخدام حافة اقتران. وتشمل الأساليب الأخرى الشائعة اقتران المساحة الحرة واقتران صريف. يعتمد اقتران المساحة الحرة على العناصر البصرية السائبة لمواءمة وتركيز شعاع في الدليل الموجي على حافة الرقاقة. العيب مع اقتران بهذه الطريقة هو أنه يمكن أن يكون من الصعب جدا لتحسين المواءمة بين شعاع، وسيكون هناك دائما انعكاس في واجهة نظرا إلى اختلاف مؤشر. مقرنة صريف تبعثر الضوء من موجةتوجيه رأسيا، بحيث يمكن وضعها في نهاية الألياف على سطح الكسوة لزوجين إلى الجهاز. لديك هذه أيضا بعض القضايا، بما في ذلك التوافق صعبة (الألياف غالبا ما يكون في خط الأفق المجهر) وخسائر أكبر. الألياف حافة اقتران ليست مثالية سواء. يمكن الضغط على الألياف ضد رقاقة تلف نهايات الألياف، وتحتاج إلى تنظيفها بشكل متكرر كل من الألياف وعلى حافة رقاقة. صالح اقتران الألياف حافة هي أن التوافق هو أسهل بكثير من الطرق الأخرى اثنين وقادرة على تحقيق خسائر أقل.
كما تعقد زيادات النظم البصرية، والطريقة الوحيدة الممكنة لهم لتوسيع نطاق إلى منصة مستقرة هي في نظام متكامل، يشبه إلى حد كبير مسار التكنولوجيا الالكترونية. ويتمثل التحدي في دمج منصة الضوئيات متكاملة مع الجزء الأكبر والنظم البصرية المعتمدة على الألياف التي يتم نشرها بالفعل. مع الاستفادة من نظم المعلومات الكم القائم على الفوتون، حيث الوقود النووي المشعجداول الفضاء ormation الوقود النووي أضعافا مضاعفة (مقارنة القياس الخطي للأنظمة التقليدية)، والتقنيات الضوئية الاستقرار المرحلة والمنخفضة خسارة متكاملة لها أهمية قصوى للنجاح. بروتوكول صفناها بمثابة مسار الأولي إلى الأمام لتعزيز هذه التكنولوجيا الناشئة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدينا شيء في الكشف عنها.
Acknowledgments
تم تنفيذ هذا العمل في جزء في جامعة كورنيل النانومترية الحجم العلوم والتكنولوجيا مرفق، وهو عضو في شبكة تقنية النانو البنية التحتية الوطنية، وهو مدعوم من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (جرانت ECCS-1542081). ونحن نعترف الدعم لهذا العمل من مختبر أبحاث سلاح الجو (أي إف آر إل). وتستند هذه المواد على العمل دعما جزئيا من قبل مؤسسة العلوم الوطنية تحت رقم جائزة 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).
