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。
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本文内容
摘要
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：
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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
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。- 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-µ....
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结果
当调节两条路径之间的相对相位时，分别采集了每个探测器的单光子计数以及符合计数。单光子计数（图5A）显示出马赫-曾德尔干涉仪的经典干涉图样，可见度分别为94.5 ± 1.6%和94.9 ± 0.9%。符合测量结果（图5B）则展示了纠缠态的量子干涉，其特征是振荡频率为经典干涉图样频率的两倍，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微环中产生，将泵浦光配置为激发两个共振模式，使得产生的双光子波长不在微环支持的波长范围内。图5B中的橙色曲线证实，在该配置下几乎没有显著的符合信号。图6展示了关于目标双光子对应共振频率对称的可用共振模式对的符合计数。在所有情况下，均可明显观察到符合计数随相对相位呈2θ依赖关系。
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三轴纳米柔性平台 | Thorlabs | MAX312D | 精密三轴平台 |
| 三孔光纤涂覆层剥离工具 | Thorlabs | FTS4 | 缓冲层剥离工具 |
| 三通道压电控制器 | Thorlabs | MDT693B | 用于NanoMax平台的压电控制器 |
| 光纤偏振控制器 | Thorlabs | FPC562 | 三片式光纤偏振控制器 |
| 光纤切割器 | Thorlabs | XL411 | 光纤切割器 |
| 标准V型槽光纤固定夹具 | Thorlabs | HFV001 | 标准V型槽安装座 |
| 锥形V型槽光纤固定夹具 | Thorlabs | HFV002 | 锥形V型槽安装座 |
| NanoMax平台直角顶板 | Thorlabs | AMA011 | 直角支架 |
| 50:50光纤耦合器 | Thorlabs | TW1550R5F1 | 50/50合束器 |
| 光纤熔接机 | Fujikura | FSM-40S | 熔接机 |
| MultiPrep抛光系统 - 8" | Allied High Tech | 15-2100 | 芯片抛光机 |
| GreenLube | Allied High Tech | 90-209010 | 抛光润滑剂 |
| 带参考边的横截面研磨桨板 | Allied High Tech | 15-1010-RE | 抛光夹具 |
| 光波测量系统 | Keysight | 8164B | 可调谐激光器主机 |
| 可调谐激光光源 | Keysight | 81606A | 可调谐激光器 |
| 光功率传感器 | Keysight | 81634B | 功率计 |
| 近红外单光子探测器 | ID Quantique | ID210 | 单光子探测器 |
| 近红外单光子探测器 | ID Quantique | ID230 | 低噪声、自由运行单光子探测器 |
| PicoHarp | PicoQuant | PicoHarp 300 | 时间相关单光子计数系统 |
| WiDy SWIR InGaAs相机 | NIT | 640U-S | 红外相机 |
| 波分复用带通滤波器 | JDS Uniphase | 30055053-368-2.2 | 泵浦光清理滤波器 |
| 波分复用带通滤波器 | JDS Uniphase | 1011787-012 | 泵浦光抑制滤波器 |
| 超高数值孔径光纤 | Nufern | UHNA-7 | 高折射率光纤 |
| 超低损耗单模光纤 | Corning | SMF-28 | 标准单模光纤 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
