Summary
Silicon fotoniska marker har potential att realisera komplexa integrerade kvantsystem. Presenteras här är ett förfarande för framställning och testning av en kiselfotoniska chip för kvant mätningar.
Abstract
Kiselfotoniska marker har potential att realisera komplexa integrerade kvantinformationsbearbetningskretsar, inklusive fotonkällor, kvantbitens manipulation, och integrerade singelfotondetektorer. Här presenterar vi de viktigaste aspekterna för framställning och testning av en kiselfotoniska kvant chip med en integrerad fotonkälla och två-foton-interferometer. Den viktigaste aspekten av en integrerad kvant krets är att minimera förlust, så att alla de genererade fotoner detekteras med högsta möjliga trohet. Här beskriver vi hur man utför låga förluster kant koppling genom användning av en ultra-hög numerisk apertur fiber att nära matcha läget av kisel vågledarna. Genom användning av en optimerad svetsskarvning recept, är UHNA fibern sömlöst gränssnitt med en standard single-mode fiber. Denna låga förluster koppling tillåter mätningen av high-fidelity fotonproduktion i en integrerad kisel ringresonator och den efterföljande tvåfotons interferens av den producerade photons i ett nära integrerat Mach-Zehnder-interferometer. Detta dokument beskriver de väsentliga förfaranden för framställning och karakterisering av högpresterande och skalbara kiselkvantfotoniska kretsar.
Introduction
Kisel visar stort löfte som en fotonik plattform för kvantinformationsbehandling 1, 2, 3, 4, 5. En av de vitala komponenterna hos kvantfotoniska kretsar är fotonkälla. Photon-pair källor har utvecklats från kisel i form av mikro-ringresonatorer görs via tredjedel ordningens olinjär process, spontan fyrvågsblandning (SFWM) 6, 7, 8. Dessa källor är i stånd att producera par av oskiljbara fotoner, som är idealiska för försök med foton hoptrassling 9.
Det är viktigt att notera att ring resonator källor kan arbeta med både medurs och moturs förökning, och de två olika utbredningsriktningar genrally oberoende av varandra. Detta gör att en enda ring för att fungera som två källor. När optiskt pumpas från båda riktningarna, dessa källor generera följande intrasslad staten:
var 
och 
är de oberoende aktörer skapande för clockwise- och moturs-föröknings bi-fotoner, respektive. Detta är en mycket önskvärd form av hoptrasslade tillståndet känt som ett N00N tillstånd (N = 2) 10.
Passerar detta tillstånd genom en on-chip Mach-Zehnder-interferometer (MZI) resulterar i tillståndet:
Detta tillstånd oscillerar mellan maximal tillfällighet och noll tillfällighet vid två gångerfrekvensen av klassisk interferens i en MZI, fördubblar känsligheten hos interferometern 10. Här presenterar vi det förfarande som används för att testa ett sådant integrerat fotonkälla och MZI enhet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OBS: Detta protokoll förutsätter att fotoniska chip har redan tillverkats. Chipet som beskrivs här (visas i figur 1A) tillverkades vid Facility Cornell University Nanoscale Science & Technology med användning av standardbehandlingstekniker för kiselfotoniska anordningarna 11. Dessa innefattar användning av kisel-på-isolator wafers (sammansatt av en 220 nm-tjock kiselskikt, en 3-um skikt av kiseldioxid, och en 525 pm tjock kiselsubstrat), elektron-strålelitografi för att definiera band vågledarna (500 nm-bred), och plasmaförstärkt kemisk ångavsättning av kiseldioxiden inklädningen (~ 3 | j, m tjockt). De mikro ringresonatorer utformades med en inre radie av 18,5 | im och en vågledare-till-ringspalten av 150 nm. Siffror av meriter för denna enhet inkluderar förlust, kvalitetsfaktorn, fritt spektralområde, och dispersion.
1. Photonic Chip Framställning
- Placera en liten Amount av vax på en tvärsektione polering mount och värm till ~ 130 ° C.
OBS: Den mängd vax, som skall användas beror på storleken av provet är monterad. Det måste finnas tillräckligt med vax för att hålla chip orörliga, medan alltför mycket kommer att resultera i vax på chip facetter. - Placera fotoniska chip på den del av polerFäste med vaxet. Säkerställa att vaxet smälts helt så att chipet är platt mot fästet. Använd plast pincett vid hantering av chip för att undvika skador på fasetter.
- Tillåta fästet svalna i luften, så att vaxet stelnar. Kylning snabbare än detta kan leda till skador på chipet.
- Polering chip facetter.
OBS: Det är viktigt att välja rätt läpp pad som börjar med en dyna som är alltför aggressiv kan resultera i polering bort mer av chipet än önskat.- Fäst polerfästet till poler och polera för bara några sekunder. En dyna med en 3-um grovhet har visat sig varaen bra utgångspunkt för kiselchip med fasett längder av ~ 1 cm.
- Avlägsna poler mount och inspektera chip aspekt för att bestämma hur nivå chipet är monterad.
OBS: Ett mikroskop är användbar för mätning av avståndet mellan ändarna av vågledarna och fasetten av chipet. Dessa mätningar medger vinkeln mellan fasetten och vågledaren som skall bestämmas. - Gör nödvändiga justeringar i mikrometer på poler för att förbättra utjämningen av chipet.
- Upprepa steg 1.4.1-1.4.3 tills fasett av chipset och vågledarna är inom 0,15 ° för att vara vinkelräta mot varandra.
- Polish chipet i steg om ~ 50 ^ m, inspektera chipet mellan varje steg för att övervaka återstående avstånd, tills det finns ~ 100 | im kvar att polera. Om vid någon punkt kapslingen verkar vara delaminera från ytan, så att dynan är roterande för att polera från toppen av chipet till botten.
OBS: Det kan också bidra till att använda en poler smörjmedel i stället för vatten. Denna delaminering är ett resultat av stress i kapslingen och är en indikation på att tillverkningsprocessen måste optimeras. - Ändras till en 1-um läppning pad och polera tills det finns ~ 20 ^ m kvar.
- Ändras till en 0,5-um kudde och fortsätta polering under ytterligare 15 | im.
- Använda en 0,1-um kudde för den final 5 | im för att säkerställa en smidig fasett. Mikroskopbilder av fasetten av en kiselfotoniska chip före och efter polering visas i figur 2.
- Värma fästet med den fästa chipset till ~ 130 ° C för att tillåta vaxet att smälta.
- När vaxet är fullständigt smält bort chipet från fästet och låt den svalna långsamt.
- Rengöra någon av resterande vax från chipet med användning av aceton, isopropanol och vatten.
2. Framställning av Fiber Pigtails
- Remsa vilken buffert eller beläggning frabout slutet av en singelmodfiber (SMF) pigtail och från en ände av en ultra-hög numerisk apertur (UHNA) fiber.
- Rengöra nakna ändarna hos fibrerna med en blandning av aceton och metanol.
- Klyva de kala ändarna av båda fibrerna med en kommersiell Fiberskärare.
- Fusion skarva den kluvna änden av fibrerna. Ett recept för skarvning SMF till UHNA fibern visas i tabell 1.
- Skjut en skyddshylsa över skarven och placera den i hylsan ugnen att permanent fästa den till fibern.
- Upprepa steg 2,1-2,5 för att framställa totalt tre fibrer.
3. Konfiguration av Testing Setup
OBS: Ett diagram av testuppställningen visas i figur 1B. Fästet för chipset är en koppar piedestal som är i kontakt med en termoelektrisk kylare (TEC). Det finns ett mikroskop utrustat med både synliga och infraröda (IR) kameror för visning det fotoniska chip.
- Platsen liten mängd vax på chipset montera och applicera spänning till TEC att smälta vaxet.
- Placera chip på smält vax, se till att den sitter plant på fästet.
- Ta spänningen från TEC och låta montera och chip för att svalna långsamt.
- Fästa var och en av de skarvade fibrerna till en fiber v-spår med polyimid tejp och montera en enda v-spåret för att var och en av de tre-axliga steg enligt tillverkarens-medföljande monteringsverktyg.
- Fiberkantkoppling.
- Ansluta de tre fibrerna till deras respektive komponenter: en till den optiska utsignalen från lasern och de andra två till optiska effektmätare.
- Justera mikroskopet så att den är inriktad på chip där vågledarna når kanten.
- Positionera fibrerna nära chipet kant, så att de är i vyn i det synliga kameran och justera sina höjder så att kärnan hos varje fiber är i fokus.
- Justera den horisontella positioneringen av fibrerna med scenen micrometers så att de är uppradade med vågledare.
- Slå på den optiska utsignalen från lasern och trimma de horisontella och vertikala mikrometer positionerna för ingångsfibern tills ljuset kopplar in i vågledaren. Detta kommer att dyka upp på IR-kameran som spridning längs ingivningsvågledaren.
- Avstämma våglängden hos lasern till en punkt där den mikro ringresonator lyser upp på kameran. Detta tyder på att resonansvillkoret är uppfyllt och att ljuset når avgivningsvågledama.
- Justera de horisontella och vertikala mikrometer lägena för utgångsfibrerna tills det finns en mätbar mängd ljus som sträcker sig från vågledarna till effektmeter.
- Maximera kraften till båda detektorerna genom att manipulera de horisontella och vertikala mikrometer positionerna för de tre fibrerna.
- Ytterligare maximera kraften till detektorerna genom att göra finjusteringar de horisontella och vertikala fiberpositioner med användning av piezo controllers.
- Använd piezo ansvariga att flytta fibrerna något närmare chipet. Se till att inte använda mikrometer för att skjuta fibrerna på chipet, eftersom detta kommer sannolikt skadar kluvna ändarna av fibrerna.
- Upprepa steg 3.5.9 och 3.5.10 tills fibrerna är fast pressas mot sidorna av chipet.
OBS: Överdriven spritt ljus från vågledarna, i kombination med dålig vågledare transmission, kan vara en indikation på vågledar defekter. Dessa kan innefatta, men är inte begränsade till, material defekta platser, sytråd gränser, och överdriven vågledare grovhet.
- Placera en fiberbaserad polarisationsstyrenhet mellan lasern och chipset. Detta möjliggör styrning av polarisationstillståndet som gör det till chipet. Vågledarna, är bredare än de är höga, stöd i minimering av varje on-chip polariseringsrotation.
- Dispersion karakterisering.
- Tune polarisationen hos laserutsignalen för att maximera kopplingen till chipet. Denna anordning var avsedd för tvärelektrisk (TE) polarisation och, som sådan, har det tvärgående magnetiska (TM) polarisation en mycket högre förlust.
- Skanna en avstämbar laser över våglängdsområdet av intresse (1,510 nm till 1600 nm i detta fall) och övervaka effektmeter. Eventuella artefakter i transmissionsspektra är sannolikt på grund av en kombination av TM-komponenten av de polariserings och Etalon effekter från den fiber spån-gränssnittet.
- Lokalisera resonans våglängder i spektrumet och även extrahera bandbredden för varje resonans. Denna speciella chip hade bandbredder så små som 65 pm, som översätts till kvalitetsfaktorer (Q) på upp till 23 tusen.
- Bestämma det fria spektralområdet (FSR), separationen mellan resonanser, för varje intilliggande par av resonanser. Denna speciella anordning hade ett FSR på ~ 5 nm.
- Beräkna gruppindex (n g) av den styrda moden för varje värde på FSR med hjälp av följande ekvation:
n 5" src = "/ filer / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
där λ är våglängden och r är radien av mikro ringresonator. Ovanstående ekvation är en första ordningens approximation av gruppindex. - Använda bandbredden för varje resonans att bestämma en bredd (An g) associerad med varje värde på gruppindex.
- Välja våglängderna för de två pumplasrar sådana att de sammanfaller med resonanser i spektret och har ett udda antal resonanser mellan dem (figur 1C).
- Bestämma våglängden för de degenererade bi-fotonerna med användning av följande ekvation:
där λ Pump 1 och λ Pump 2 är våglängderna hos pumpfotoner. - Lägga till en horisontell linje på tomt på gruppindex mot våglängd som sträcker sig mellan de båda pumpvåglängderna (Figur 3). Om det är möjligt för line att sitta inom n g ± Δ n g vid alla tre våglängder av intresse samtidigt, är den fas-matchande tillstånd nöjd och fotoner kan genereras via SFWM. Om det inte är möjligt, försök att välja pumpvåglängder som är närmare varandra och kontrollera igen.
- Lägga till en andra avstämbar laserkälla och polarisationsstyrenhet till inställnings och kombinera de optiska utsignalerna från båda lasrar med en 1 x 2 fiber kombinerare.
- Lägga till en serie av fiberbaserade notchfilter (tillräckligt många av dem att uppnå ~ 120 dB dämpning) omedelbart innan chipset.
OBS: Filtren tillåter båda pumpvåglängderna att passera men avvisa bi-fotonvåglängden. De hjälper till att avlägsna överskott av brus (dvs bredband Ramanspridning i den optiska fibern) innan koppling till chipet. Filter spektrum visas i figur 1B. - Lägga till en serie av fiberbaserade bandpassfilter (tillräckligt många för att uppnå ~ 150 dB dämpning)omedelbart efter chipet.
OBS: Filtren ska vara tillräckligt bred för att tillåta Bi-fotoner att passera men tillräckligt smal för att avvisa pump fotoner. Det behövs två uppsättningar av dessa, en uppsättning för varje utgång. Filter spektrum visas i figur 1B. - Skicka de avvisade fotoner från varje uppsättning av filter för att separera effektmätare.
OBS: Dessa effektmätare används för att övervaka den optiska kopplingen till chipet och kan även användas för att bestämma om pumplasrar finns kvar på-resonans. - Ansluta den individuella optiska utsignalen från varje uppsättning av fiberbaserade filter till en enda fotondetektor (SPD) och ansluta båda elektriska signalutgångarna från SPD till en tillfällighet korrelator.
- Korsa ett par av volfram prober och ställa spetsarna ner på en av de spiralformade ben (~ 1 mm i längd) av MZI.
- Ansluta en strömförsörjning till två korsade prober så att de genererar värme när spänning appliceras. Detta kommer att fungera som fas-skiftare för than MZI.
OBS: Se diskussionen för en beskrivning av de mer standardiserad metod för termisk inställning av fotoniska komponenter.
4. Mätan Två-foton Interferens
- Tune båda pumplasrar till den valda våglängder. Använd effektmätare som övervakar avvisade pump fotoner för att säkerställa att båda lasrarna är avstämda till resonans. När lasrarna är korrekt avstämd till de önskade resonanserna, kommer den avvisade signalen från filtren maximeras.
- Ställa den optiska uteffekten från varje laser till -3 dBm.
OBS: Detta kommer att resultera i <100 pW på chipet. Det är viktigt att hålla pumpeffekten denna låga för att minimera förlust (från multi fotonabsorption och fri-bärare absorption) och bibehålla stabilitet (genom att minimera Ijusinducerade termiska växlingar). PN-övergångar kan användas för att avlägsna bärare från vågledare för att bättre tillgodose högre pumpeffekter. - Övervaka tillfällighet räknas (Synchronous singlar över två portar) genom att integrera över ~ 220 ps om toppen av data. En tillräcklig integrationstiden har gått när minst 100 tillfällighet räknas har samlats.
Obs: Fönstret integration bör vara tillräckligt brett för att redogöra för tids jitter av SPD. - Ställa in strömförsörjningen för fasvridaren till den initiala spänningen (t ex 0 V).
- Skanna en av de avstämbara lasrar över hela våglängdsområdet och använda effektmätare som samlar de avvisade pump fotoner för att bekräfta placeringen av resonanser av intresse. Ställa in pumplasrar till våglängder som motsvarar de önskade resonanser.
Notera: Det är viktigt att fullborda detta steg varje gång fasvridaren spänningen förändras som den termiska tuning kan resultera i små förskjutningar i resonansvåglängderna. - Samla de resulterande data (singelfotonräkningar samt koincidens counts) från koincidens korrelator för den tidigare valdaintegrationstiden. Här, var en integrationstid av 90 s väljs med en tidsupplösning av 32 ps.
- Öka spänningen som appliceras på fas-skiftaren med 5 mV.
- Upprepa steg 4,4-4,6 tills data har samlats in för det önskade intervallet av spänningar.
OBS: Den maximala spänningen var begränsad till 2,4 V på grund av snabb nedbrytning av proberna ovanför denna spänning. - Integrera koincidens toppar för varje energiförsörjningsspänning över ~ 220 ps för att fastställa det totala antalet sammanträffanden (Figur 4).
- Integrera över 320 ns bort från koincidens toppen för att erhålla de oavsiktliga sammanträffanden. Använd detta resultat för att beräkna antalet förtecken i tillfällighet topp.
- Passa singlar räkningar från varje detektor med följande modifierade sinusfunktion:
där A, B, C, D, E, och F är de lämpliga som parametrar. Denna passning är nödvändig på grund av den icke-linjära relationship mellan spänningen och den inducerade termiska skift (relativ fas). - Konvertera den oberoende variabeln till relativ fas för alla tre uppsättningar av data (singlarna räknar från varje detektor och koincidens kroppar) med följande ekvation:
där B, C, D, och E är de lämpliga som parametrar från steg 4,11. Denna omvandling är möjlig på grund av den välkända sinusöverföringsfunktionen för en MZI 12. - Passa koincidens data (med den relativa fasen som den oberoende variabeln) med följande sinusfunktion:
där A och B är de lämpliga som parametrar. - Beräkna synligheten för varje interferensmönster med följande ekvation:
där ƒ (θ) max och ƒ (
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Enskilda fotonberäkningar från varje detektor, samt koincidens räknas, uppsamlades som den relativa fasen mellan de två banorna var avstämd. De individuella pulser (figur 5A) visar den klassiska interferensmönstret från en MZI med visibilities av 94,5 ± 1,6% och 94,9 ± 0,9%. Koincidensen mätningar (figur 5B) visar kvantinterferens av det hoptrasslade tillståndet, såsom framgår av oscillation vid två gånger frekvensen för den klassiska interferensmönstret, med en synbarhet av 93,3 ± 2,0% (96,0 ± 2,1% med förtecken subtraheras) . För att bekräfta att de fotoner primärt alstras i ringen, var pumparna konfigurerade i två resonanser som skulle kräva de bi-fotoner som skall genereras vid en våglängd som inte stöds av ringen. Orange linje i figur 5B bekräftar att, med en sådan konfiguration, det finns ingen signifikant coincidenc es. Figur 6 visar koincidens räknas för de tillgängliga resonansparen som är symmetriska i frekvens om resonans motsvarar de önskade bi-fotoner. I samtliga fall är den 2 θ beroendet av den relativa fasen uppenbar.
Figur 1: Experimentell Testbed för Silicon Waveguide Circuit. (A) Foto av kiselfotoniska kvantchip som indikerar utbredningsriktningen av de fotoner. Den infällda bilden är en energibesparing diagram för fyrvågsblandning process som sker inom ringen. (B) Experimentuppställning användes för att testa kiselfotoniska kretsen. (C) Överföring spektrum av mikroring kavitet, med pilar som anger pumpkonfigurationen samt våglängden för de genererade bi-fotoner.s / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Facet Förbättring från Polering. Bilder av fasett av en kiselfotoniska chip (a) efter tillverkning men före polering och (b) efter polering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Karakterisering av Waveguide Dispersion. Plot av våglängdsberoendet av gruppindex. Röd-skuggade området är representativt för bandbredden för resonanserna och möjliggör enkel utvärdering av fasen-matching tillstånd. Den gröna streckad linje är horisontell och ligger helt inom det skuggade området, vilket visar att fasanpassningsvillkor är uppfyllt. Det faktum att data är platt över hela området är en bekräftelse på noll dispersion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Mätning av sammanfallande Fotoner. Plot av koincidens toppen mäts med tids korrelatorn med en integrationstid av 90 s och en tidsupplösning av 32 ps. De röda streckade linjerna indikerar kanterna av koincidens fönstret, i vilket det finns totalt 459 tillfälligheter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: klassiska och Quantum Interference Measurements. (A) Klassisk ljus som visar den typiska interferensmönstret från en MZI som den relativa fasen mellan de två vägarna är varierad. (B) Coincidence korrelationsmätningar som visar två θ beroende av den relativa fasen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: Bi-Photon Sikt för Olika pumpvåglängd Konfigurationer. Plottar av mätningarna koincidenser korrelations och beräknade visibilities för pumpvåglängderna (en (b) 1,518.2 nm och 1,586.9 nm, (c) 1,522.9 nm och 1,581.8 nm, (d) 1,527.7 nm och 1,576.7 nm, (e) 1,532.4 nm och 1,571.6 nm, och (f) 1,537.2 nm och 1,566.6 nm. I samtliga fall är den 2 θ beroendet av den relativa fasen uppenbar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| SMF till UHNA fiberskarvning parametrar | |
| Justera: Kärna | Fokus: Auto |
| ECF: Av | Automatisk avstängning |
| Klyver Gränsvärde: 1 ° | Core Angle Limit: 1 ° |
| Rengöring Arc: 150 ms | Gap: 15 ^ m |
| Gapset Position: Center | Prefuse Effekt: 20 bitars |
| Prefuse: 180 ms | Överlappning: 10 ^ m |
| Arc1 Effekt: 20 bit | Arc1 Tid: 18.000 ms |
| Arc2: Av | Rearc Tid: 800 ms |
| Taper Splice: Av | |
Tabell 1: Inställningar för smältskarvning SMF till UHNA Fiber.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det finns flera utmaningar för området integrerade fotonik att övervinna för att komplexa och skalbara system för fotoniska enheter att vara genomförbart. Dessa inkluderar, men är inte begränsade till: tight tillverkningstoleranser, isolering från miljö instabilitet, och minimering av alla former av förlust. Det finns viktiga steg i ovanstående protokoll som bidrar till att minimera förlusten av fotoniska komponenter.
En av de viktigaste kraven att minimera förlusten är nära matchar de optiska sätt fibrerna och vågledarna. Del av svårigheten härrör från den stora modfältsdiameter (MFD) av SMF (~ 10 | im). På den integrerade anordningens sida, finns det en 500 nm-omfattande kisel vågledare med en mycket mindre MFD (<1 um). Detta läge övergång mellan fibern och vågledaren kan förbättras på två sätt: SMF-anordningen till en längd av UHNA fiber eller placera en invers avsmalning till kanten av den fotoniska chip. Den skarvade regionen between SMF och UHNA fiber fungerar som en modomvandlare, vilket minskar storleken av moden till ~ 3 | j, m. Den inversa avsmalning används för att expandera det läge på chipet genom att minska bredden hos vågledaren när den närmar sig facetten. Detta chip använder en linjär avsmalning från de 500 nm vågledare till 150 nm spetsarna (vid chip fasetter), med en övergångslängd 300 um. Avsmalningen av vågledarbredden till kanten av chipresulterar i en minskning i det effektiva indexet för den optiska moden och i sin tur expanderar läge.
Polering av chip aspekt är också mycket viktigt att mildra optisk förlust. Två oro medan poler stoppar vid den önskade ytan och delaminera det övre beklädnadsmaterial. Idealt skulle det slutliga läget hos fasetten vara exakt vid slutet av avsmalningen. Detta är dock ganska svårt att uppnå, och därför är spetsen av koniska förlängas med 100 nm så att poler kan stoppas några mikrometer förekona börjar. Om för lite material tas bort, kommer läget inte fångas så effektivt genom avsmalning. Om för mycket material tas bort, kommer det att finnas en större mod felparning vid fiber / spån-gränssnittet, och mer av ljuset kommer att gå förlorade. Den andra huvudsakliga oro är delaminering av den övre manteln. Om det finns problem med tillverkning (renlighet eller höga spänningar i pläteringen), kan inklädningen inte vidhäfta till substratet vid kanten av chipset. När delaminering råkar ske på en av vågledare, kommer det att resultera i mycket dålig kopplingsgrad. Om det upptäcks under polering, kan en poler smörjmedel annat än vatten ofta förbättra resultaten.
Det finns utrymme för förbättring av ovanstående protokoll. Den största förbättringen skulle komma från att använda en mer standardmetod för termisk avstämning enheten. Den metod som används här var ett resultat av en förenklad tillverkningsprocess som inte innehöll några metallskikt. Vanligtvis en resistiv migtal skikt används för uppvärmningselement, och en högt-ledande metallskikt används för kontaktdynorna och ledningar från dynorna till uppvärmningselementen. En scen kan sedan användas för att ställa ned prober på dynorna, vilket gör att en spänning som skall appliceras till värmeelementen. Detta möjliggör att en högre nivå av kontroll och stabilitet. En kiselfotoniska chip liknar vad testades här men med metallvärmare visas i den medföljande videon.
Det finns andra metoder för att koppla ljus till fotoniska chip. För detta arbete har kantkoppling används. Andra vanliga metoder inkluderar fritt utrymme koppling och galler koppling. Fritt utrymme koppling förlitar sig på bulk optiska element för att rikta och fokusera strålen in i vågledaren vid kanten av chipset. Nackdelen med kopplingen på detta sätt är att det kan vara mycket svårt att optimera inriktningen av strålen, och det kommer alltid att vara en reflektion vid gränsytan på grund av indexskillnaden. Gitterkopplare sprida ljuset från vågenguide vertikalt, så att änden av en fiber kan placeras på ytan av kapslingen för att koppla till enheten. Dessa har också vissa problem, såsom svårighet att uppriktning (fibern är ofta i siktlinjen för mikroskopet) och högre förluster. Fiber kant koppling är inte perfekt heller. Genom att trycka på fibrerna mot chipet kan skada ändarna av fibrerna, och båda fibrerna och chipkanten måste rengöras ofta. Fördelen av fiberkanten koppling är att anpassningen är mycket lättare än de andra två metoderna och kan uppnå lägre förluster.
Som komplexiteten av optiska system ökar, är det enda möjliga sättet för dem att skala till en stabil plattform i ett integrerat system, ungefär som banan av elektronisk teknologi. Utmaningen är att slå samman den integrerade fotonik plattform med bulk och fiberbaserade optiska system som redan är utplacerade. Med utnyttjande av fotonbaserad kvant informationssystem, där information rumsskalor exponentiellt (jämfört med den linjära skalning av klassiska system), fasstabilitet och låga förluster integrerade fotoniska teknik är av största vikt för framgång. Det protokoll vi har beskrivit tjänar som en initial bana framåt för frammatning denna nya teknik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har inget att lämna ut.
Acknowledgments
Arbetet utfördes delvis vid Cornell University Nanoscale Science and Technology Facility, en medlem av National Nanotechnology Infrastructure Network, som stöds av National Science Foundation (Grant ECCS-1.542.081). Vi erkänner stöd för detta arbete från Air Force Research Lab (AFRL). Detta material är baserat på arbete delvis stöds av National Science Foundation enligt Award No. 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).
