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方法文章

硅环形谐振器光子源中量子干涉的测量

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DOI：

10.3791/55257

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2017年4月4日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Microsystems Engineering, Rochester Institute of Technology, 2Air Force Research Laboratory, Rome, NY, 3Department of Physics, Florida Atlantic University, 4Quanterion Solutions Incorporated

本文内容

摘要

硅光子芯片有望实现复杂的集成量子系统。本文介绍了一种用于准备和测试硅光子芯片以进行量子测量的方法。

摘要

硅基光子芯片有望实现复杂的集成量子信息处理电路，包括光子源、量子比特操控以及集成单光子探测器。本文介绍了制备和测试具有集成光子源和双光子干涉仪的硅基光子量子芯片的关键步骤。集成量子电路最重要的方面是尽量减少损耗，以确保所产生的所有光子都能以尽可能高的保真度被检测到。本文描述了如何使用超高数值孔径光纤进行低损耗端面耦合，以精确匹配硅波导的模式。通过采用优化的熔接工艺，超高数值孔径光纤可与标准单模光纤实现无缝连接。这种低损耗耦合使得能够在集成的硅基环形谐振腔中测量高保真度的光子产生，并在高度集成的马赫-曾德尔干涉仪中对所产生的光子进行后续的双光子干涉实验。本文阐述了制备和表征高性能、可扩展硅基量子光子电路所必需的核心流程。

引言

硅在作为量子信息处理的光子学平台方面展现出巨大潜力1,2,3,4,5。量子光子电路的关键组件之一是光子源。基于硅的光子对源已通过三阶非线性过程——自发四波混频（SFWM）——以微环谐振器的形式实现6,7,8。这些光源能够产生不可区分的光子对，非常适合用于光子纠缠实验9。

需要注意的是，环形谐振器光源可以支持顺时针和逆时针两个方向的传播，且这两个不同的传播方向通常彼此独立。这使得单个环形谐振器可作为两个光源使用。当从两个方向同时进行光泵浦时，这些光源将产生以下纠缠态：

描述环形谐振腔中光学腔模式的量子态方程示意图。

其中 顺时针模式产生算符符号 â_cw†；光学中的表示；基于文本的科学概念。 和 逆时针模式算符符号图 †ccw，用于量子光学与光子学。 分别为沿顺时针和逆时针方向传播的双光子的独立产生算符。这是一种非常理想的纠缠态，称为 N00N 态（N=2）10。

将此态通过片上马赫-曾德尔干涉仪（MZI）后，得到如下态：

量子光学方程；Ψ 态计算公式；光学系统的数学表示。

该状态在最大符合与零符合之间振荡，其频率为马赫-曾德尔干涉仪（MZI）中经典干涉频率的两倍，从而有效使干涉仪的灵敏度提高一倍10。本文介绍了用于测试此类集成光子源与MZI器件的实验步骤。

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方案

注意：本方案假设光子芯片已经制备完成。此处描述的芯片（如图1A所示）由康奈尔大学纳米尺度科学与技术中心采用硅基光子器件的标准加工工艺制备11。具体工艺包括使用绝缘体上硅晶圆（由220 nm厚的硅层、3 µm厚的二氧化硅层和525 µm厚的硅衬底组成），利用电子束光刻技术定义条形波导（宽度为500 nm），并通过等离子体增强化学气相沉积法沉积约3 µm厚的二氧化硅包层。微环谐振器的设计内径为18.5 µm，波导与环之间的间隙为150 nm。该器件的关键性能指标包括损耗、品质因子、自由光谱范围和色散特性。

1. 光子芯片制备

  1. 在切片抛光载具上放置少量石蜡，并加热至约 130 °C。
    注意：所用石蜡的量取决于待镶嵌样品的尺寸。石蜡需足够固定芯片，防止其移动，但过多则会导致石蜡沾染芯片端面。
  2. 将光子芯片置于载具上涂有石蜡的区域，确保石蜡完全熔化，使芯片与载具表面贴合平整。操作芯片时应使用塑料镊子，以避免损伤端面。
  3. 让载具在室温空气中自然冷却，使石蜡固化。冷却速度过快可能导致芯片受损。
  4. 抛光芯片端面。
    注意：选择合适的研磨垫至关重要，起始研磨垫若过于粗糙，可能导致芯片去除量超过预期。
    1. 将抛光载具固定在抛光机上，仅抛光数秒。对于端面长度约为 1 cm 的硅芯片，使用粗糙度为 3-µm 的研磨垫作为起始条件已被证明效果良好。
    2. 取下抛光载具，检查芯片端面，以判断芯片安装的平整度。
      注意：显微镜可用于测量波导末端与芯片端面之间的距离。这些测量数据可用于确定端面与波导之间的夹角。
    3. 根据需要调整抛光机上的微米调节装置，以改善芯片的平整度。
    4. 重复步骤 1.4.1–1.4.3，直至芯片端面与波导之间的夹角在 0.15° 以内，接近正交。
    5. 以约 50 µm 为步长进行抛光，每步之间检查芯片，监测剩余距离，直至剩余约 100 µm 待抛光量。若在任一阶段观察到包层出现从表面剥离的现象，应确保研磨垫旋转方向为从芯片顶部向底部抛光。
      注意：此时改用抛光润滑剂代替水可能有助于改善情况。包层剥离是由包层内部应力引起的，表明 fabrication 工艺需进一步优化。
    6. 更换为 1-µm 研磨垫，并继续抛光至剩余约 20 µm。
    7. 更换为 0.5-µm 研磨垫，再继续抛光约 15 µm。
    8. 最后使用 0.1-µm 研磨垫完成最后 5 µm 的抛光，以确保端面光滑。硅光子芯片在抛光前后端面的显微镜图像如图 2所示。
  5. 将附有芯片的载具加热至约 130 °C，使石蜡熔化。
  6. 待石蜡完全熔化后，将芯片从载具上取下，并使其缓慢冷却。
  7. 使用丙酮、异丙醇和水清洗芯片上残留的石蜡。

2. 光纤尾纤的制备

  1. 剥离单模光纤（SMF）尾纤一端以及一根超高数值孔径（UHNA）光纤一端的涂覆层或保护层。
  2. 使用丙酮和甲醇的混合液清洁光纤的裸露端面。
  3. 使用商用光纤切割刀对两根光纤的裸露端面进行切割。
  4. 将切割好的光纤端面进行熔接。单模光纤与UHNA光纤熔接的程序参数见表1。
  5. 将保护套管套在熔接点上，并放入套管加热炉中，使其永久固定在光纤上。
  6. 重复步骤2.1–2.5，共制备三根光纤。

3. 测试装置的配置

注意：测试装置的示意图见图1B。芯片的安装座是一个与热电冷却器（TEC）接触的铜制基座。配备有可见光和红外（IR）相机的显微镜用于观察光子芯片。

  1. 在芯片安装座上放置少量蜡，并对 TEC 施加电压以熔化蜡。
  2. 将芯片置于熔化的石蜡上，确保其平整地固定在载片上。
  3. 撤去TEC上的电压，使载片和芯片缓慢冷却。
  4. 使用聚酰亚胺胶带将每根拼接好的光纤固定在光纤V型槽上，并利用制造商提供的安装部件将单个V型槽安装到各个三维调节平台。
  5. 光纤边缘耦合
    1. 将三根光纤分别连接到对应的组件：一根连接至激光器的光输出端，另外两根连接至光功率计。
    2. 调整显微镜，使其聚焦在波导到达边缘的芯片位置。
    3. 将光纤置于靠近芯片边缘的位置，使其位于可见光相机的视野范围内，并调节光纤高度，使每根光纤的纤芯均处于焦点位置。
    4. 使用载物台微尺调节纤维的水平位置，使其与波导对齐。
    5. 打开激光器的光输出，调节输入光纤的水平和垂直微米位置，直至光耦合进入波导。在红外相机上可观察到输入波导中出现散射光。
    6. 将激光器的波长调节至摄像机上微环谐振器被点亮的位置。这表明谐振条件已满足，且光已到达输出波导。
    7. 调节输出光纤的水平和垂直微米位置，直至有可测量的光从波导传输至功率计。
    8. 通过调节三根光纤的水平和垂直微米位置，使两个探测器的功率均达到最大。
    9. 通过使用压电控制器对光纤的水平和垂直位置进行微调，进一步最大化检测器的接收功率。
    10. 使用压电控制器将光纤轻微移近芯片。切勿使用千分尺将光纤推向芯片，否则可能会损坏光纤的切割端面。
    11. 重复步骤 3.5.9 和 3.5.10，直至纤维牢固地压紧在芯片的侧壁上。
      注意：波导中过量的散射光，结合较低的波导透射率，可能表明存在波导缺陷。这些缺陷包括但不限于材料缺陷位点、拼接边界以及过大的波导表面粗糙度。
  6. 在激光器和芯片之间放置一个基于光纤的偏振控制器。这可以控制到达芯片的偏振态。由于波导的宽度大于高度，有助于最小化芯片上的偏振旋转。
  7. 分散性表征。
    1. 调节激光输出的偏振方向，以最大化与芯片的耦合效率。该器件专为横电（TE）模式偏振设计，因此横磁（TM）模式偏振的损耗要高得多。
    2. 扫描可调谐激光器，覆盖感兴趣的波长范围（本例中为1,510 nm至1,600 nm），并监测功率计读数。传输光谱中出现的任何伪影，可能源于偏振态的TM分量与光纤-芯片界面处的法布里-珀罗干涉效应共同作用所致。
    3. 在光谱中定位共振波长，并提取每个共振峰的带宽。该芯片的带宽最小可达65 pm，对应的品质因数（Q）高达23,000。
    4. 确定每个相邻共振峰对之间的自由光谱范围（FSR），即共振峰之间的间距。该特定器件的 FSR 约为 5 nm。
    5. 计算群折射率（ng使用以下公式计算每个自由光谱范围（FSR）值对应的导模的）：
      有效折射率公式，\( n_g = \frac{\lambda^2}{FSR \times 2\pi \times r} \)，光学分析。
      其中 λ 为波长，r 为微环谐振器的半径。上述方程是对群折射率的一阶近似。
    6. 利用每个共振的带宽来确定宽度（Δn）g) 与每组索引值相关联。
    7. 选择两台泵浦激光器的波长，使其与光谱中的共振峰位置一致，并确保二者之间具有奇数个共振峰图1C).
    8. 使用以下方程确定简并双光子的波长：
      双光子波长公式，用于光子学研究的双光子波长理论分析公式。
      其中 λ泵 1 和 λ泵 2 是泵浦光子的波长。
    9. 在群折射率随波长变化的图中，添加一条在两个泵浦波长之间延伸的水平线图3）。如果该线有可能位于其内部 ng ± Δng 在所有三个感兴趣的波长处同时满足相位匹配条件时，可通过四波混频（SFWM）产生光子。若无法满足该条件，可尝试选择更接近的泵浦波长并重新验证。
  8. 添加第二个可调谐激光光源和偏振控制器至实验装置，并使用1×2光纤合束器将两台激光器的光输出进行合并。
  9. 在芯片前立即添加一系列基于光纤的陷波滤波器（足够数量的滤波器以实现约120 dB的衰减）。
    注意：滤光片允许两种泵浦波长通过，但阻隔双光子波长，有助于去除多余的噪声即， 芯片耦合前的光纤中宽带拉曼散射）滤波光谱如图所示 图1B.
  10. 在芯片后立即添加一系列基于光纤的带通滤波器（数量足够以实现约150 dB的衰减）。
    注意：滤光片的带宽应足够宽以允许双光子通过，但又需足够窄以阻挡泵浦光子。每路输出各需一组此类滤光片，共需两组。滤光片的光谱特性如图所示 图1B.
  11. 将每组滤光片中被滤除的光子分别发送至独立的功率计。
    注意：这些功率计用于监测光耦合到芯片的情况，也可用于判断泵浦激光器是否保持在共振状态。
  12. 将每组光纤滤波器的独立光学输出连接至单光子探测器（SPD），并将两个SPD的电信号输出连接至符合相关器。
  13. 交叉一对钨探针，并将探针尖端放置在马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的其中一条螺旋臂（长约1 mm）上。
  14. 将电源连接至两根交叉的探针，使其在施加电压时产生热量。该装置将作为MZI的相位调制器。
    注意：有关光子器件热调谐更标准化方法的描述，请参见讨论部分。

4. 测量双光子干涉

  1. 将两台泵浦激光器均调节至选定的波长。利用监测被滤除泵浦光子的功率计，确保两台激光器均准确调谐至共振波长。当激光器正确调谐至目标共振波长时，滤光片滤除的信号将达到最大值。
  2. 将每台激光器的光功率输出设置为 -3 dBm。
    注意：这将导致 <100 µW 在芯片上。保持泵浦功率足够低非常重要，以尽量减少损耗（来自多光子吸收和自由载流子吸收）并维持稳定性（通过最小化光致热漂移）。可通过使用PN结从波导中移除载流子，从而更好地适应更高的泵浦功率。
  3. 通过在数据峰值附近约220 ps范围内积分，监测符合计数（两个通道间的同步单光子计数）。当累积的符合计数达到至少100个时，即认为已达到足够的积分时间。
    注意：积分时间窗口应足够宽，以涵盖单光子探测器（SPDs）的时间抖动。
  4. 将移相器的电源调至初始电压（例如， 0 V
  5. 扫描可调谐激光器的整个波长范围，并利用收集未耦合泵浦光子的功率计确认目标共振峰的位置。将泵浦激光器设定至对应所需共振峰的波长。
    注意：每次改变相位调制器电压时，都必须完成此步骤，因为热调谐可能导致共振波长发生微小偏移。
  6. 从符合计数相关器中采集先前选定积分时间内获得的数据（单光子计数以及符合计数）。此处选择的积分时间为 90 s，时间分辨率为 32 ps。
  7. 将施加到移相器的电压增加 5 mV。
  8. 重复步骤 4.4–4.6，直至收集到所需电压范围内的数据。
    注意：由于探针在超过此电压时会迅速降解，最大电压被限制为 2.4 V。
  9. 对每个电源电压下的符合峰在约 220 ps 时间窗口内进行积分，以确定符合事件的总数（图4).
  10. 远离符合峰对320纳秒进行积分，以获得偶然符合计数。利用该结果计算符合峰中的偶然符合数量。
  11. 使用以下修正的正弦函数对每个探测器的单计数进行拟合：
    数学函数公式：f(V)=A*sin(B*e^(C*V)+D)*(V+E)+F，用于数据建模分析。
    其中 A、B、C、D、E 和 F 为拟合参数。由于电压与诱导热漂移（相对相位）之间存在非线性关系，因此需要进行此拟合。
  12. 使用以下公式将所有三组数据（各探测器的单计数和符合计数）的自变量转换为相对相位：
    膜电位方程，θ(V)=(B*e^(C*V)+D)*(V+E)，与电生理学相关。
    其中 B、C、D 和 E 为步骤 4.11 中拟合得到的参数。由于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）具有广为人知的正弦型传递函数，因此可实现此转换12.
  13. 将符合性数据（以相对相位作为自变量）用以下正弦函数进行拟合：
    三角函数，\( f(\theta) = A \cdot \sin(2\theta) + B \)，数学公式分析。
    其中 A 和 B 为拟合参数。
  14. 使用以下公式计算每个干涉图样的可见度：
    静态平衡方程：ν = (f(θ)max - f(θ)min) / (f(θ)max + f(θ)min) 公式。
    其中 ƒ(θ)最大 和 ƒ(θ)分钟 ƒ( 的最大值和最小值θ），分别对应。可见度为1时，表示干涉图样达到完美。

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结果

每个探测器的单光子计数以及符合计数均在调节两条路径间的相对相位时被采集。单光子计数（图 5A) 显示了来自马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的经典干涉图样，可见度分别为 94.5 ± 1.6% 和 94.9 ± 0.9%。符合测量（图5B) 显示了纠缠态的量子干涉，这从其振荡频率为经典干涉图样频率的两倍可以明显看出，可见度为 93.3 ± 2.0%（扣除偶然符合后为 96.0 ± 2.1%）。为了确认光子主要在环形腔中产生，泵浦光被配置为激发两个共振模式，使得双光子必须在环形腔不支持的波长处产生。图中橙色线条表示 图5B 证实了在这种配置下不存在显著的重合事件。 图6 显示了关于所需双光子共振频率对称的可用共振对的符合计数。在所有情况下，2θ 相对相位的依赖性显而易见。

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讨论

集成光子学领域面临诸多挑战，必须克服这些挑战才能实现复杂且可扩展的光子器件系统。这些挑战包括但不限于：严格的制造公差、对外界环境不稳定性的隔离，以及各类损耗的最小化。上述实验方案中的关键步骤有助于最小化光子器件的损耗。

减少损耗的最关键要求之一是使光纤与波导的光学模式尽可能匹配。部分困难源于单模光纤（SMF）较大的模场直径（MFD）（约 10 µm）。在集成器件侧，存在一条宽度为 500 nm 的硅波导，其模场直径要小得多（<1 µm）。光纤与波导之间的这种模式转换可通过两种方式改善：将 SMF 与一段超高低数值孔径（UHNA）光纤熔接，或在光子芯片边缘制作反向锥形结构。SMF 与 UHNA 光纤之间的熔接区域充当模式转换器，将模式尺寸减小至约 3 µm。反向锥形结构则通过在接近芯片端面时减小波导宽度，从而在芯片上扩展光模式。该芯片采用线性锥形结构，从 500 nm 宽的波导逐渐过渡至芯片端面处 150 nm 宽的尖端，过渡长度为 300 µm。波导宽度向芯片边缘逐渐变细，导致光模式的有效折射率降低，从而使模式得以扩展。

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披露

我们无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作部分在康奈尔大学纳米科学与技术设施（Cornell University NanoScale Science and Technology Facility）完成，该设施是国家纳米技术基础设施网络（National Nanotechnology Infrastructure Network）的成员，由美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助（项目编号 ECCS-1542081）。我们感谢美国空军研究实验室（Air Force Research Lab, AFRL）对本工作的支持。本研究的部分工作得到美国国家科学基金会奖项编号 ECCS14052481 的资助支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
三轴纳米柔性平台ThorlabsMAX312D精密三轴平台
三孔光纤涂覆层剥离工具ThorlabsFTS4缓冲层剥离工具
三通道压电控制器ThorlabsMDT693B用于NanoMax平台的压电控制器
光纤偏振控制器ThorlabsFPC562三片式光纤偏振控制器
光纤切割器ThorlabsXL411光纤切割器
标准V型槽光纤固定夹具ThorlabsHFV001标准V型槽安装座
锥形V型槽光纤固定夹具ThorlabsHFV002锥形V型槽安装座
NanoMax平台直角顶板ThorlabsAMA011直角支架
50:50光纤耦合器ThorlabsTW1550R5F150/50合束器
光纤熔接机FujikuraFSM-40S熔接机
MultiPrep抛光系统 - 8"Allied High Tech15-2100芯片抛光机
GreenLubeAllied High Tech90-209010抛光润滑剂
带参考边的横截面研磨桨板Allied High Tech15-1010-RE抛光夹具
光波测量系统Keysight8164B可调谐激光器主机
可调谐激光光源Keysight81606A可调谐激光器
光功率传感器Keysight81634B功率计
近红外单光子探测器ID QuantiqueID210单光子探测器
近红外单光子探测器ID QuantiqueID230低噪声、自由运行单光子探测器
PicoHarpPicoQuantPicoHarp 300时间相关单光子计数系统
WiDy SWIR InGaAs相机NIT640U-S红外相机
波分复用带通滤波器JDS Uniphase30055053-368-2.2泵浦光清理滤波器
波分复用带通滤波器JDS Uniphase1011787-012泵浦光抑制滤波器
超高数值孔径光纤NufernUHNA-7高折射率光纤
超低损耗单模光纤CorningSMF-28标准单模光纤

参考文献

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