Summary
Silicio chip fotonici hanno il potenziale di realizzare sistemi quantistici integrati complessi. Qui presentata è un metodo per preparare e testare un chip fotonico di silicio per misurazioni quantistiche.
Abstract
Silicio chip fotonici hanno il potenziale di realizzare complessi quantistica circuiti integrati di elaborazione dati, comprese le fonti di fotoni, manipolazione qubit, e rivelatori di singoli fotoni integrati. Qui, presentiamo gli aspetti chiave della preparazione e alla verifica un chip di silicio quantum fotonici con una sorgente di fotoni integrato e due fotoni interferometro. L'aspetto più importante di un circuito integrato quantistico è ridurre al minimo la perdita in modo che tutti i fotoni generati vengono rilevati con la massima fedeltà possibile. Qui, descriviamo come eseguire accoppiamento bordo bassa perdita utilizzando un ultra-alta fibra apertura numerica per adattarsi perfettamente alla modalità delle guide d'onda di silicio. Utilizzando una ricetta ottimizzata giunzione a fusione, la fibra Uhna è perfettamente interfacciato con una fibra monomodale standard. Questo accoppiamento a bassa perdita consente la misurazione della produzione di fotoni ad alta fedeltà in un risonatore anello silicio integrata e la successiva interferenza due fotoni del prodotto photons in un interferometro di Mach-Zehnder strettamente integrato. Questo documento descrive le procedure fondamentali per la preparazione e caratterizzazione di elevate prestazioni e circuiti fotonici quantistici silicio scalabili.
Introduction
Silicio mostra grande promessa come piattaforma fotonica per elaborazione quantistica 1, 2, 3, 4, 5. Uno dei componenti vitali di circuiti fotonici quantistica è la sorgente di fotoni. Fonti Photon-pair sono stati sviluppati dal silicio in forma di risonatori micro-anello realizzato tramite un processo non lineare del terzo ordine, spontaneo four-wave mixing (SFWM) 6, 7, 8. Queste fonti sono capaci di produrre coppie di fotoni indistinguibili, ideali per esperimenti fotone entanglement 9.
È importante notare che l'anello fonti risonatore possono operare sia in senso orario che antiorario di propagazione, e le due diverse direzioni di propagazione sono generadunare indipendenti l'uno dall'altro. Ciò consente a un singolo anello di funzionare come due fonti. Quando pompato otticamente da entrambe le direzioni, queste fonti generano il seguente stato entangled:
dove 
e 
sono gli operatori di creazione indipendenti per bi-fotoni clockwise- antiorario-moltiplicazione, rispettivamente. Questa è una forma molto desiderabile di stato di entanglement conosciuto come uno stato N00N (N = 2) 10.
Passando questo stato attraverso un on-chip Mach-Zehnder (MZI) si traduce nella condizione:
Questo stato oscilla tra il massimo e lo zero coincidenza coincidenza al doppiola frequenza di interferenza classica in un MZI, raddoppiando la sensibilità dell'interferometro 10. Qui, presentiamo la procedura utilizzata per verificare una tale fonte di fotoni integrato e dispositivo MZI.
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Protocol
NOTA: Questo protocollo presuppone che il chip fotonico è già stato fabbricato. Il chip qui descritto (Figura 1A) è stato fabbricato presso l'impianto di Cornell University NanoScale Science & Technology, utilizzando procedimenti standard per dispositivi fotonici al silicio 11. Questi includono l'uso di wafer di silicio su isolante (composto da uno strato di silicio 220 nm di spessore, uno strato 3 um di biossido di silicio, e un substrato di silicio 525 um di spessore), litografia a fascio elettronico per definire le guide d'onda striscia (500 nm-wide), e la deposizione chimica da fase vapore al plasma-enhanced del rivestimento di biossido di silicio (~ 3 um di spessore). I risonatori micro-ring sono stati progettati con un raggio interno di 18,5 um e una guida d'onda gap-to-anello di 150 nm. Figure di merito per questo dispositivo includono perdita, fattore di qualità, gamma spettrale libero, e la dispersione.
1. Photonic Chip Preparazione
- Mettere una piccola Amount di cera su un supporto di lucidatura cross-sezionamento e riscaldare a ~ 130 ° C.
NOTA: La quantità di cera da utilizzare dipende dalla dimensione del campione è montato. Ci deve essere abbastanza cera per mantenere il chip immobile, mentre troppo si tradurrà in cera sui sfaccettature di chip. - Posizionare il chip fotonico sulla porzione di lucidatura montare con la cera. Assicurarsi che la cera si scioglie completamente in modo che il chip è piatta contro il monte. Utilizzare pinzette di plastica durante la manipolazione del chip per evitare di danneggiare le sfaccettature.
- Lasciare la montatura raffreddare nell'aria ambiente che la cera si solidifica. Raffreddamento più veloce di questo può causare danni al chip.
- Lucidare le sfaccettature di chip.
NOTA: È importante scegliere il riquadro lappatura preciso iniziano con un pad che è troppo aggressivo può provocare lucidatura via più del chip di quanto desiderato.- Fissare il supporto per lucidatura per la lucidatrice e lucidare solo per pochi secondi. Un pad con una rugosità 3 um ha dimostrato di essereun buon punto di partenza per i chip di silicio con lunghezze faccette di ~ 1 cm.
- Rimuovere il supporto di lucidatura e controllare la sfaccettatura chip per determinare come livello il chip è montato.
NOTA: Un microscopio è utile per misurare la distanza tra le estremità delle guide d'onda e l'aspetto del chip. Tali misurazioni consentono l'angolo tra la faccetta e la guida d'onda da determinare. - Apportare le necessarie modifiche ai micrometri sulla lucidatrice al fine di migliorare il livellamento del chip.
- Ripetere i passaggi 1.4.1-1.4.3 finché la sfaccettatura del chip e le guide d'onda sono a 0,15 ° di essere ortogonali tra loro.
- Lucidare il chip a passi di ~ 50 um, ispezionando il chip tra ogni passaggio per monitorare la distanza rimanente, fino a quando c'è ~ 100 micron lasciato per lucidare. Se in qualsiasi momento il rivestimento sembra essere delaminazione dalla superficie, assicurarsi che il pad è in rotazione in modo da lucidare dalla parte superiore della piastrina verso il basso.
NOTA: Esso può anche aiutare ad utilizzare un lubrificante lucidatura al posto dell'acqua. Questo delaminazione è un risultato di stress nel rivestimento ed è un'indicazione che il processo di fabbricazione deve essere ottimizzato. - Passare a un pad sciabordio 1 micron e lucidare finché c'è ~ 20 um rimanente.
- Cambiare a un pad di 0,5 micron e continuare lucidatura per un altro 15 micron.
- Utilizzare un tampone 0,1 um per la final 5 um a garantire un aspetto liscio. Immagini al microscopio della sfaccettatura di un chip di silicio fotonico prima e dopo la lucidatura sono mostrati nella Figura 2.
- Riscaldare il supporto con il chip allegato a ~ 130 ° C per permettere la cera a sciogliersi.
- Una volta che la cera è completamente sciolto, rimuovere il chip dal supporto e lasciarla raffreddare lentamente.
- Pulire qualsiasi della cera rimanente dal chip con acetone, isopropanolo e acqua.
2. Preparazione di fibra Codini
- Striscia qualsiasi tampone o rivestimento from fine di una fibra monomodale (SMF) codino e da un'estremità di una fibra ultra-alta apertura numerica (Uhna).
- Pulire le estremità nude delle fibre con una miscela di acetone e metanolo.
- Cleave le estremità nude dei due fibre con una mannaia fibra commerciale.
- Giuntura di fusione fine spaccati delle fibre. Una ricetta per la giunzione di SMF alla fibra Uhna è mostrato in Tabella 1.
- Scorrere un manicotto protettivo sulla giunzione e posizionarlo nel forno manicotto per fissare definitivamente alla fibra.
- Ripetere i passaggi 2.1-2.5 per preparare un totale di tre fibre.
3. Configurazione del Setup Testing
NOTA: Un diagramma della configurazione di test è mostrato nella Figura 1B. La montatura per il chip è un piedistallo di rame che è in contatto con un dispositivo di raffreddamento termoelettrico (TEC). C'è un microscopio dotato di entrambe le telecamere visibile e dell'infrarosso (IR) per la visualizzazione del chip fotonico.
- Postouna piccola quantità di cera sul chip montare e applicare tensione al TCE per sciogliere la cera.
- Posizionare il chip sulla cera fusa, assicurando che è seduto piatta sul monte.
- Rimuovere la tensione dal TCE e consentire il montaggio e il chip raffreddare lentamente.
- Collegare ciascuna delle fibre giuntate per una fibra scanalatura a V con nastro poliimmide e montare una singola scanalatura a V per ciascuna delle fasi 3 assi usando il materiale di montaggio fornito dal produttore.
- accoppiamento bordo fibra.
- Collegare i tre fibre ai rispettivi componenti: uno per l'uscita ottica del laser e gli altri due misuratori di potenza ottica.
- Regolare il microscopio in modo che esso si concentra sul chip in cui le guide d'onda raggiungono il bordo.
- Posizionare le fibre vicine al bordo chip in modo che siano in vista della telecamera visibile e regolare la loro altezza in modo che il nucleo di ciascuna fibra è a fuoco.
- Regolare il posizionamento orizzontale delle fibre con la fase micrometers in modo che siano allineati con le guide d'onda.
- Attivare l'uscita ottica del laser e ottimizzare le posizioni micrometro orizzontali e verticali della fibra d'ingresso finché la luce è l'impiego nella guida d'onda. Questo apparirà sulla telecamera a infrarossi come dispersione lungo la guida d'onda d'ingresso.
- Sintonizzare la lunghezza d'onda del laser ad un punto in cui il risonatore micro-ring è illuminato sulla fotocamera. Ciò indica che la condizione di risonanza sia soddisfatto e che la luce raggiunge le guide d'onda di uscita.
- Regolare le posizioni micrometro orizzontali e verticali delle fibre in uscita finché v'è una quantità misurabile di luce si estende dalle guide d'onda ai misuratori di potenza.
- Massimizzare la potenza di entrambi i rilevatori manipolando le posizioni micrometro orizzontali e verticali delle tre fibre.
- Ulteriormente massimizzare la potenza ai rivelatori da regolare in modo preciso la posizione fibre orizzontali e verticali usando l'controll piezoERS.
- Utilizzare i controllori piezoelettrici per spostare le fibre leggermente più vicino al chip. Assicurarsi di non utilizzare i micrometri per spingere le fibre sul chip, in quanto così facendo si rischia di danneggiare le estremità spaccati delle fibre.
- Ripetere i punti 3.5.9 e 3.5.10 finché le fibre siano saldamente premute contro i lati del chip.
NOTA: luce diffusa eccessiva dalle guide d'onda, accoppiato con trasmissione a guida d'onda povero, può essere un'indicazione di difetti guida d'onda. Queste possono includere, ma non sono limitati a, i siti materiale difetto, i confini di cucitura, ed eccessiva rugosità guida d'onda.
- Collocare un controllore di polarizzazione a base di fibre tra il laser e il chip. Ciò consente il controllo dello stato di polarizzazione che rende al chip. Le guide d'onda, essendo più larghi che alti, aiuti minimizzata ogni rotazione su chip polarizzazione.
- Caratterizzazione dispersione.
- Sintonizzare la polarizzazione dell'uscita laser per massimizzare l'accoppiamento il chip. Questo dispositivo è stato progettato per trasversale-elettrico (TE) polarizzazione e, come tale, il (TM) polarizzazione trasversale magnetico ha una perdita molto superiore.
- Scansione di un laser sintonizzabile nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse (1.510 nm a 1.600 nm, in questo caso) e monitorare i misuratori di potenza. Eventuali artefatti nel spettri di trasmissione sono probabilmente dovuti ad una combinazione della componente TM della polarizzazione e etalon effetti dall'interfaccia fibra-chip.
- Individuare le lunghezze d'onda di risonanza nello spettro ed estrarre anche la larghezza di banda di ogni risonanza. Questo particolare chip ha larghezze di banda piccolo come 65 pm, che si traduce in fattori di qualità (Q) fino a 23.000.
- Determinare l'intervallo spettrale libera FSR (), la separazione tra risonanze, per ciascuna coppia adiacente di risonanze. Questo particolare dispositivo ha avuto un FSR di circa 5 nm.
- Calcolare l'indice del gruppo (n g) del modo guidato per ogni valore del FSR utilizzando la seguente equazione:
n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
dove λ è la lunghezza d'onda ed r è il raggio del risonatore micro-ring. L'equazione di cui sopra è un'approssimazione del primo ordine dell'indice gruppo. - Utilizzare la larghezza di banda di ciascun risonanza per determinare una larghezza (AN g) associata a ciascun valore dell'indice gruppo.
- Scegliere le lunghezze d'onda dei due laser di pompa in modo tale da coincidere con risonanze nello spettro e hanno un numero dispari di risonanze tra loro (Figura 1C).
- Determinare la lunghezza d'onda dei fotoni degenerati bi-utilizzando la seguente equazione:
dove λ pompa 1 e λ pompa 2 sono le lunghezze d'onda dei fotoni pompa. - Aggiungere una linea orizzontale sul terreno di indice di gruppo rispetto a lunghezza d'onda che si estende tra le due lunghezze d'onda di pompa (Figura 3). Se è possibile per la line per facente n g ± Δ n g a tutti e tre lunghezze d'onda di interesse simultaneamente, la condizione di fase-matching è soddisfatto e fotoni può essere generato tramite SFWM. Se non è possibile, provare a scegliere le lunghezze d'onda di pompaggio che sono più vicini e prova di nuovo.
- Aggiungere una seconda sorgente laser sintonizzabile e controllore di polarizzazione per la configurazione e combinare le uscite ottiche da entrambi i laser con una fibra combinatore 1 x 2.
- Aggiungere una serie di filtri notch a base di fibre (abbastanza di loro raggiungere ~ 120 dB di attenuazione) immediatamente prima del chip.
NOTA: I filtri permettono entrambe le lunghezze d'onda della pompa di passare, ma rifiutano la lunghezza d'onda bi-fotone. Essi contribuiscono a rimuovere l'eccesso di rumore (cioè, banda larga scattering Raman nella fibra ottica) prima dell'accoppiamento al chip. Lo spettro del filtro è mostrato nella Figura 1B. - Aggiungere una serie di filtri passa-banda a base di fibre (abbastanza di loro per ottenere ~ 150 dB di attenuazione)subito dopo il chip.
NOTA: I filtri devono essere sufficientemente ampia per consentire ai bi-fotoni di passare, ma abbastanza stretto per respingere i fotoni della pompa. Sono necessarie due serie di questi, una serie per ogni uscita. Lo spettro del filtro è mostrato nella Figura 1B. - Invia i fotoni rifiutati da ogni set di filtri per separare misuratori di potenza.
NOTA: Questi misuratori di potenza vengono utilizzati per monitorare l'accoppiamento ottico al chip e possono anche essere utilizzati per determinare se i laser di pompa sono rimasti in risonanza. - Collegare l'uscita ottica individuale per ciascun set di filtri in fibra per un singolo rilevatore di fotoni (SPD) e collegare entrambe le uscite elettriche dei segnali dai SPD ad un correlatore coincidenza.
- Si attraversa una coppia di sonde di tungsteno e impostare le punte verso il basso su una delle gambe a spirale (~ 1 mm di lunghezza) della MZI.
- Collegare un alimentatore a due sonde incrociate tale che generano calore quando viene applicata tensione. Questo fungerà sfasatore per donnaegli MZI.
Nota: vedere la discussione per una descrizione del metodo più standardizzato per la messa a punto termica di dispositivi fotonici.
4. Misura a due fotoni Interferenza
- Tune sia dei laser di pompa alle lunghezze d'onda scelte. Utilizzare i misuratori di potenza che controllano i fotoni pompa respinti per garantire che entrambi i laser sono sintonizzati per le risonanze. Quando i laser sono sintonizzata sulla risonanze desiderati, il segnale respinto dai filtri sarà massimizzata.
- Impostare l'uscita di potenza ottica da ogni laser a -3 dBm.
NOTA: Questo si tradurrà in <100 uW al chip. E 'importante mantenere la potenza della pompa questo basso per minimizzare la perdita (dall'assorbimento multi-photon e carrier-free assorbimento) e mantenere la stabilità (minimizzando derive termiche indotti dalla luce). giunzioni PN possono essere utilizzati per rimuovere i vettori dalla guida d'onda per accogliere meglio potenze superiori pompa. - Monitorare i conteggi di coincidenza (sincrosingoli nous attraverso due porte), integrando oltre ~ 220 ps circa il picco dei dati. Un tempo di integrazione sufficiente è passato, quando un minimo di 100 conteggi di coincidenza sono stati raccolti.
Nota: La finestra di integrazione dovrebbe essere sufficientemente ampia per tenere conto del jitter tempistica degli SPD. - Impostare l'alimentazione per lo sfasatore alla tensione iniziale (ad esempio, 0 V).
- Scandire uno dei laser sintonizzabili sull'intera gamma di lunghezze d'onda e utilizzare i misuratori di potenza che stanno raccogliendo i fotoni pompa respinti per confermare la posizione delle risonanze di interesse. Impostare i laser di pompa verso le lunghezze d'onda corrispondenti alle risonanze desiderati.
Nota: E 'importante completare questo passaggio ogni volta che la tensione variatore di fase è cambiato come la messa a punto termica può portare a piccoli spostamenti nelle lunghezze d'onda di risonanza. - Raccogliere i dati risultanti (i conteggi singoli fotoni, nonché i conteggi coincidenza) dal correlatore coincidenza per l'precedentemente sceltotempo di integrazione. Qui, un tempo di integrazione di 90 s è stato scelto con una risoluzione temporale di 32 ps.
- Aumentare la tensione applicata al sfasatore da 5 mV.
- Ripetere i passaggi 4.4-4.6 finché i dati sono stati raccolti per l'intervallo desiderato di tensioni.
NOTA: La tensione massima era limitata a 2,4 V a causa del rapido degrado delle sonde sopra questa tensione. - Integrare i picchi di coincidenza per ciascuna tensione di alimentazione su ~ 220 ps per determinare il numero totale di coincidenze (Figura 4).
- Integrare oltre 320 ns lontano dal picco coincidenza per ottenere le coincidenze accidentali. Utilizzare questo risultato per calcolare il numero di accidenti nel picco coincidenza.
- Montare le singole conteggi da ciascun rivelatore con la seguente funzione sinusoidale modificata:
dove A, B, C, D, E, e F sono i parametri adatti. Questa forma è necessario a causa della RAPPORTI non lineareIP tra la tensione e lo spostamento termico indotto (fase relativa). - Convertire la variabile indipendente di fase relativa per tutti e tre serie di dati (singoli conta da ciascun rivelatore ei conteggi coincidenza) con la seguente equazione:
dove B, C, D ed E sono i parametri adatti dal punto 4.11. Questa conversione è possibile grazie alla ben nota funzione di trasferimento sinusoidale di un MZI 12. - Adattare i dati di coincidenza (con la fase relativa come variabile indipendente) con la seguente funzione seno:
dove A e B sono i parametri in forma. - Calcolare la visibilità di ogni modello di interferenza con la seguente equazione:
dove ƒ (θ) max e ƒ (
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Representative Results
Conteggi individuali fotoni da ciascun rivelatore, nonché i conteggi coincidenza, sono stati raccolti come fase relativa tra i due percorsi era sintonizzata. I singoli conteggi (Figura 5A) mostrano la configurazione di interferenza classica da un MZI con visibilità di 94,5 ± 1,6% e 94,9 ± 0,9%. Le misurazioni coincidenza (Figura 5B) mostrano l'interferenza quantistica dello stato di entanglement, come è evidente dalla oscillazione a frequenza doppia della figura di interferenza classica, con una visibilità di 93,3 ± 2,0% (96,0 ± 2,1% con le alterazioni sottratto) . Per confermare che i fotoni sono principalmente generati nell'anello, le pompe sono state configurate in due risonanze che richiedono i bi-fotoni da generare una lunghezza d'onda non supportato dall'anello. La linea arancione nella Figura 5B conferma che, con tale configurazione, non ci sono significative coincidenc es. La Figura 6 mostra i conteggi di coincidenza per le coppie di risonanza disponibili che sono simmetrici in frequenza sulla risonanza corrispondente ai bi-fotoni desiderati. In tutti i casi, il 2 θ dipendenza della fase relativa è evidente.
Figura 1: Testbed sperimentale per la Silicon Waveguide circuito. (A) Immagine del silicio circuito quantistico fotonico che indica la direzione di propagazione dei fotoni. L'inserto è un diagramma risparmio energetico per la miscelazione di quattro onde che si verifica all'interno dell'anello. (B) la configurazione sperimentale usata per testare il circuito fotonica del silicio. (C) trasmissione spettro della cavità micro-ring, con frecce che indicano la configurazione di pompaggio, nonché la lunghezza d'onda dei fotoni bi-generati.s / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg" target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: sfaccettatura Miglioramento da lucidatura. Immagini della sfaccettatura di un chip di silicio fotonico (a) dopo la lavorazione, ma prima lucidatura e (b) dopo la lucidatura. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Caratterizzazione dei Waveguide dispersione. Trama della dipendenza lunghezza d'onda dell'indice gruppo. La regione rossa ombreggiata rappresentativa della larghezza di banda delle risonanze e permette per la valutazione facile della fase-macondizioni tching. La linea tratteggiata verde è orizzontale e si trova completamente all'interno della regione ombreggiata, dimostrando che la condizione di fase-matching è soddisfatto. Il fatto che i dati è piatto sull'intera gamma è conferma di dispersione nulla. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Misura della coincidenti Fotoni. Trama del picco coincidenza misurata con il tempo-correlatore un tempo di integrazione di 90 s ed una risoluzione temporale di 32 ps. Le linee rosse tratteggiate indicano i bordi della finestra di coincidenza, in cui ci sono un totale di 459 coincidenze. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5: classica e Quantum Interference misurazioni. (A) luce classica dimostrando il modello tipico all'interferenza di un MZI come fase relativa tra i due percorsi è varia. (B) misure di correlazione coincidenza che mostra la dipendenza 2 θ della fase relativa. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Bi-Photon visibilità per Various pompa Wavelength Configurazioni. Trame delle misurazioni coincidenze di correlazione e visibilità calcolati per le lunghezze d'onda di pompaggio di (un (b) 1,518.2 nm e 1,586.9 nm, (c) 1,522.9 nm e 1,581.8 nm, (d) 1.527,7 nm e 1,576.7 nm, (e) 1,532.4 nm e 1.571,6 nm, e (f) 1,537.2 nm e 1,566.6 nm. In tutti i casi, il 2 θ dipendenza della fase relativa è evidente. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| SMF a Uhna Fiber Splicing Parametri | |
| Allinea: Nucleo | Focus: Auto |
| ECF: Spento | Spegnimento automatico |
| Limite fende: 1 ° | Nucleo angolo limite: 1 ° |
| Pulizia Arc: 150 ms | Gap: 15 pm |
| Gapset Posizione: Centro | Prefuse Potenza: 20 bit |
| Prefuse Tempo: 180 ms | Overlap: 10 micron |
| Arc1 Potenza: 20 bit | Arc1 Tempo: 18.000 ms |
| Arc2: Spento | Rearc Tempo: 800 ms |
| Taper Splice: Spento | |
Tabella 1: Impostazioni di impionbatura di fusione SMF a Uhna fibra.
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Discussion
Esistono molteplici sfide per il campo della fotonica integrata da superare per sistemi complessi e scalabili di dispositivi fotonici essere fattibile. Questi includono, ma non sono limitati a: tolleranze di fabbricazione, stretto isolamento da instabilità ambientale e la minimizzazione di tutte le forme di perdita. Ci sono passaggi critici nel protocollo di cui sopra che aiutano a ridurre al minimo la perdita di dispositivi fotonici.
Uno dei requisiti più cruciale per minimizzare la perdita è strettamente corrispondenti i modi ottici delle fibre e le guide d'onda. Parte della difficoltà deriva dal grande diametro del campo modale (MFD) di SMF (~ 10 micron). Sul lato del dispositivo integrato, v'è una guida d'onda di silicio ampio nm 500 con una molto più piccola MFD (<1 um). Questa transizione modalità tra la fibra e la guida d'onda può essere migliorata in due modi: la SMF ad una lunghezza di fibra Uhna o di collocamento conicità inversa al bordo del chip fotonico. La regione impiombato between SMF e agisce fibre Uhna come convertitore modo, riducendo la dimensione della modalità a ~ 3 um. La conicità inversa viene utilizzato per espandere la modalità sul chip, riducendo la larghezza della guida d'onda che si avvicina alla sfaccettatura. Questo chip utilizza una rastremazione lineare delle guide d'onda 500 nm a 150 nm (punte ai faccette di chip), con una lunghezza di transizione 300 um. La conicità della larghezza della guida d'onda al bordo dei risultati di chip in una diminuzione nell'indice efficace del modo ottico e, a sua volta, il modo espande.
La lucidatura della faccetta chip è anche molto importante nel mitigare perdita ottica. Due preoccupazioni mentre lucidatura sono fermandosi alla superficie desiderata e delaminazione del materiale di rivestimento superiore. Idealmente, la posizione finale della faccetta sarebbe proprio al termine del cono. Tuttavia, questo è abbastanza difficile da raggiungere, e per questo motivo, la punta del cono si estende da 100 micron in modo che la lucidatura può essere fermato pochi micron prima dellacono inizia. Se troppo poco materiale viene rimosso, la modalità non sarà catturato nel modo più efficiente dalla conicità. Se troppo materiale viene rimosso, ci sarà una mancata corrispondenza modalità grande all'interfaccia fibra / chip, e più luce verrà persa. L'altra preoccupazione principale è la delaminazione del rivestimento superiore. Se ci sono problemi con fabbricazione (pulizia o stress eccessivo del rivestimento), il rivestimento può non aderire al substrato sul bordo del chip. Quando delaminazione accade a verificarsi in una delle guide d'onda, il risultato sarà molto scarsa efficienza di accoppiamento. Se si nota durante la lucidatura, un lubrificante lucidatura a parte l'acqua può spesso migliorare i risultati.
C'è spazio per un miglioramento nel protocollo di cui sopra. Il più grande miglioramento verrebbe da utilizzando un metodo più standard per sintonizzare termicamente il dispositivo. Il metodo qui utilizzato è il risultato di un processo di fabbricazione semplificato che non includeva alcuna strati metallici. In genere, una mi resistivostrato tal è utilizzato per elementi riscaldanti, ed uno strato di metallo altamente conduttivo è utilizzato per pastiglie di contatto e cavi dai tamponi agli elementi riscaldanti. Una fase può quindi essere utilizzato per impostare giù sonde sulle pastiglie, consentendo una tensione da applicare ai riscaldatori. Ciò consente un maggiore livello di controllo e stabilità. Un chip di silicio fotonico simile a quello che è stato testato qui ma con riscaldatori metallo è mostrato nel video allegato.
Esistono altri metodi di accoppiare luce al chip fotonico. Per questo lavoro, è stato usato accoppiamento bordo. Altri metodi comuni includono accoppiamento spazio libero e accoppiamento reticolo. accoppiamento spazio libero si basa su elementi ottici bulk per allineare e focalizzare il fascio nella guida d'onda in corrispondenza del bordo del chip. L'inconveniente con giunto in questo modo è che può essere molto difficile ottimizzare l'allineamento del fascio, e ci sarà sempre una riflessione all'interfaccia causa della differenza dell'indice. accoppiatori reticolo disperdono la luce dall'ondaguidare verticalmente, in modo che l'estremità di una fibra può essere posizionato in corrispondenza della superficie del rivestimento per l'accoppiamento al dispositivo. Questi hanno anche alcuni problemi, tra cui l'allineamento difficile (la fibra è spesso nella linea di vista del microscopio) e maggiori perdite. accoppiamento bordo fibra non è perfetta neanche. Premendo le fibre contro il chip può danneggiare le estremità delle fibre, ed entrambe le fibre e il bordo di chip devono essere puliti frequentemente. Il vantaggio di accoppiamento bordo fibra è che l'allineamento è molto più facile rispetto agli altri due metodi ed è in grado di ottenere minori perdite.
Poiché la complessità dei sistemi ottici aumenta, l'unico modo possibile per loro di scalare in una piattaforma stabile è in un sistema integrato, molto simile al percorso della tecnologia elettronica. La sfida è la fusione piattaforma fotonica integrata con la massa e sistemi ottici a base di fibre già distribuiti. Con l'utilizzo di sistemi di informazione quantistica fotoni-based, in cui l'informazione scale spaziali esponenziale (rispetto alla scala lineare dei sistemi classici), stabilità di fase e bassa perdita integrate tecnologie fotoniche sono di primaria importanza per il successo. Il protocollo che abbiamo descritto serve come un percorso iniziale in avanti per fare avanzare questa tecnologia emergente.
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Disclosures
Non abbiamo nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato eseguito in parte su scala nanometrica Scienza e della Tecnologia Fondo Cornell University, membro della infrastruttura di rete National Nanotechnology, che è supportato dalla National Science Foundation (Grant ECCS-1.542.081). Riconosciamo il supporto per questo lavoro dalla Air Force Research Lab (AFRL). Questo materiale si basa su lavoro parzialmente supportato dalla National Science Foundation sotto Premio n 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
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