量子干涉效应在硅谐振环光子源测量
2017年4月4日
硅光子芯片必须认识到复杂的集成量子系统的潜力。这里介绍的是用于制备和测试对于量子测量硅光子芯片的方法。
该程序的总体目标是通过测量量子干涉来表征集成的光子光子对源。这种方法可以帮助回答与集成量子光子学相关的关键问题，包括如何实现相关光子的芯片级源并将其集成到量子集成光子电路中。该技术的主要优点是它可以应用于各种集成量子光子电路。
实验的核心是光子芯片。该芯片的边长约为 5 毫米，采用标准技术制造。这张芯片图像揭示了它的组成部分。
有一个泵浦电路，包括输入波导、一个环形谐振器，其中光子将顺时针和逆时针传播，以及一个马赫-曾德尔干涉仪，其后是输出波导。金属引线允许片上加热，从而导致干涉仪发生相移。要准备芯片以用于电路，请使用芯片抛光机进行抛光。
首先使用抛光机将芯片平整，并使所有刻面正交。用 3 微米的研磨垫以约 50 微米的步长抛光芯片，直到抛光痕迹末端的 100 微米以内。每 50 微米后，检查芯片以确定剩余距离。
当剩余约 100 微米时，更换为 1 微米的研磨垫。继续打磨芯片并监控进度。当剩余大约 20 微米时，更换为 0.5 微米的垫子。
进一步抛光芯片，直到抛光痕迹末端的 15 微米以内。在 15 微米处，将研磨垫更改为粗糙度为 0.1 微米的研磨垫。使用此垫抛光芯片，直到只剩下 10 微米的抛光痕迹。
最后一步使用 0.1 微米研磨垫，确保刻面光滑。在清洁和存放以备后用之前，请先取出芯片。收集必要的设备来准备光纤。
这包括光纤剥离器、光纤切割器、熔接器和袖套炉。使用三个单模光纤尾纤，每个尾纤使用大约 20 到 30 厘米的超高数值孔径光纤。要准备一条尾纤，请使用光纤剥离器从其末端删除任何缓冲区或编码。
对超高数值孔径光纤长度的一端执行相同的作。清洁光纤后，使用光纤切割器为熔接做好准备。接下来，将纤维移动到熔接器。
将纤维放位，并正确对齐劈裂的末端。输入适当的参数，然后执行拼接。完成后，取出剪接的光纤并检查。
如果接头可接受，请在接头部位滑动保护套管。然后将套管覆盖的接头放入套管烘箱中，以将其永久固定到光纤上。继续生产三根剪接纤维用于实验。
实验在光学工作台上进行。工作台上有三个带有压电控制器的三轴平移平台。它们的位置允许接触芯片波导。
平移台围绕已经安装在铜基座上的光学芯片。基座与热电冷却器接触。每个翻译阶段在 V 形槽中都有一根准备好的纤维，并用聚酰亚胺胶带连接。
可以使用配备可见光和红外相机的显微镜查看带有芯片的区域。此时，纤维可以连接到实验仪器。通过偏振控制器将芯片输入连接到可调谐激光源的光输出。
将芯片的每个输出连接到光功率计。现在，调整显微镜位置以使用芯片。将显微镜聚焦在波导到达芯片边缘的位置，并使用平移台将光纤定位在芯片边缘附近。
将光纤置于可见光摄像头的视野中，并调整其高度，以便聚焦每根光纤的纤芯。在继续之前，请确保每根光纤的水平位置与其波导对齐。打开激光器的光输出，并调整输入光纤的位置，直到光耦合到波导中。
在红外相机上，这将显示为沿输入波导的散射。接下来，调整激光的波长，使红外相机上的微环谐振器亮起。这表明谐振条件已得到满足。
继续用千分尺纵光纤位置，以最大限度地提高功率计测得的输出功率。微调光纤位置，并使用压电平台控制器将每根光纤稍微靠近芯片。在微调所有光纤耦合和将所有光纤移近芯片之间进行迭代。
目标是将纤维牢牢地压在芯片的侧面，使测得的功率最大化。下一步是表征色散。通过调整极化控制器来开始表征，以最大化功率计上的功率读数。
现在，在感兴趣的波长范围内扫描可调谐激光器以找到透射光谱。提取每个谐振的带宽，并使用这些信息找到群索引和相应的不确定性。接下来，通过找到两个谐振之间谐振数个的谐振来确定两个泵浦激光器的波长。
了解这些波长可以确定双光子波长。为了测试这三个波长是否与自发的四波混合一致，请绘制群指数与波长的关系图。在这种情况下，蓝点是组索引。
红色阴影对应于群索引的不确定性，这是每个谐振的带宽的结果。绿色水平线在候选泵浦激光波长之间延伸。由于该线完全位于阴影区域内，因此泵浦和双光子波长可用于实验。
确定探针波长后，创建最终的实验设置。它有两个可调谐激光源，每个泵浦激光波长一个。每个激光器输出都进入单独的偏振控制器。
从那里，两个激光输出组合在一个光纤组合器中。旁边是一系列基于光纤的陷波滤波器。这些滤光片允许泵浦波长通过，但它们实现了大约 120 分贝的双光子波长衰减。
该滤波器的输出进入光子芯片。在每个输出上，在芯片之后，有一系列带通滤波器。这些滤光片将泵浦波长衰减约 150 分贝，但通过双光子波长。
来自每组滤光片的被拒绝的光子被发送到专用功率计。每个基于光纤的滤光片的输出都进入专用的单光子探测器。每个单光子探测器都为符合相关器提供输入。
Mach-Zehnder 干涉仪的移相器是片上电阻加热器。将计算机控制的电流驱动器连接到芯片的接触垫，以便在设置电压时产生热量。对于双光子干涉测量，从所选波长的泵浦激光器开始。
监控功率计，确保每个激光器都调谐到其谐振，并最大限度地提高功率。接下来，监视相关器处的重合计数。如图所示，找到数据的峰值，并在以该峰值为中心的大约 220 皮秒窗口内进行积分。
跟踪重合计数，直到总数至少为 100。这表示已过了足够的集成时间。现在，转到计算机，将移相器的电压控制设置为零伏。
设置相移后，转到其中一个可调谐激光器并扫描整个波长范围。使用被拒绝的泵浦光子的功率计来识别先前选择的可能已经漂移的共振的位置。设置泵浦激光器以匹配先前选择的共振。
重要的是随着时间的推移跟踪所选的共振，而不是波长。被加热，环也被加热，但效率要低得多。这会将谐振转移到更长的波长。
使用先前选择的积分时间从时间相关器收集结果数据。这包括每个探测器在重合计数中计数的光子数。收集数据后，调整移相器的电压控制，并以 5 毫伏为单位递增。
重复扫描激光器并收集计数数据，直到覆盖所需的电压范围。这些经典的光干涉图是使用测试装置通过收集单个光子计数作为两条路径之间相对相位的函数而获得的。除了由圆圈和菱形表示的测量数据外，实线还适合数据。
这些数字表示计算的可见性。重合相关测量显示了纠缠光子的量子干涉。请注意，振荡频率是经典 pattern 的两倍。
橙色曲线来自光子原点测试，该测试要求在环不支持的波长下产生纠缠光子。它证明了这些巧合来自环中产生的光子。该数据来自六个实验，其中谐振对的频率是对称的，大约是所需的双光子驻留。
每组数据显示的周期是相对阶段的一半。一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在 10 到 15 小时内完成。总时间主要由移相器电压增量的分辨率和每个双光子符合测量的相关积分时间决定。
在尝试此过程时，请务必记住在优化芯片耦合的同时花点时间。如果作不当，纤维在测量过程中可能不稳定。看完这个视频后，你应该对如何准备和测试集成光子源有了很好的了解。
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概述
本文介绍了一种通过量子干涉测量来表征集成光子光子对源的方法。该技术适用于各种集成量子光子电路，便于实现芯片级别的相关光子源。
关键研究组成部分
科学领域
- 量子光子学
- 集成电路
- 光子对源
背景
- 硅光子芯片可以实现复杂的集成量子系统。
- 理解量子干涉对于推进量子技术至关重要。
- 光子源的表征对于集成到电路中至关重要。
- 本研究使用的芯片是使用标准技术制造的。
研究目的
- 表征集成光子光子对源。
- 测量量子干涉效应。
- 探索相关光子源集成到电路中的方法。
使用的方法
- 制备硅光子芯片。
- 进行量子测量测试。
- 测量量子干涉。
- 分析芯片组件和功能。
主要结果
- 该方法成功表征了光子对源。
- 实现了量子干涉测量。
- 该技术适用于各种光子电路。
- 获得了关于芯片级别相关光子源的见解。
结论
- 该方法增强了对集成量子光子学的理解。
- 它为开发先进量子电路提供了途径。
- 研究结果为量子技术领域做出了贡献。
常见问题
Executive Industry Relevance
This work enables high-fidelity characterization of integrated photon pair sources, a critical step toward scalable quantum photonic circuits for pharmaceutical discovery pipelines. By minimizing coupling loss and validating quantum interference, the method supports predictive confidence in target validation assays that rely on single-photon detection and entangled photon generation. The approach positions silicon photonics as a translatable platform for de-risking early-stage biomarker screening and mechanistic studies in drug discovery.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through quantum-correlated photon generation for ultra-sensitive biomolecular detection.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for validating functional targets via coincidence counting and interference visibility metrics.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying photon source fidelity, directly impacting assay sensitivity and noise floor in low-abundance target screening.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers high-fidelity photon pairs for developing quantum-enhanced immunoassays and single-molecule imaging tools.
- Operational Value: Ensures assay standardization through low-loss edge coupling and stable interferometric phase control.
- Scalability: Facilitates multiplexed biomarker screening via wavelength-division multiplexing in silicon ring resonators.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase photon source validation to preclinical biomarker quantification through integrated quantum circuits.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in target engagement studies by providing entangled photon pairs with verified quantum origin.
- Predictive Confidence: Enables risk-adjusted advancement decisions via measurable interference visibility thresholds correlated with assay precision.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification by enabling quantum-limited biosensing platforms with scalable silicon photonic chips.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via biphoton wavelength verification and spontaneous four-wave mixing consistency checks.
- Screening: Delivers assay readiness through maximized fiber-chip coupling and power meter-based resonance optimization.
- Analytics: Provides quantitative group index and uncertainty measurements for validating pump and biphoton wavelength alignment.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through on-chip phase shifter voltage scanning and coincidence correlation data collection.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for characterizing photon pair sources across multiple quantum photonic circuit designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in photon source quality, reduction of mechanistic ambiguity in quantum sensing applications.
- Operational Value: Standardization via fusion splicing reproducibility, scalability through wafer-scale silicon fabrication.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions on quantum sensor integration, capital efficiency via reusable chip characterization workflow.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of quantum-enhanced assay development based on measured interference visibility and photon origin validation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photonic chip polishing, fiber fusion splicing, and infrared microscopy for alignment.
- Depends on ultra-high numerical aperture fiber, piezo-controlled translation stages, and tunable laser sources with polarization control.
- Necessitates cross-team standardization between photonics engineers and assay developers for wavelength-specific filter integration.
- Involves adaptation considerations for different ring resonator geometries and biphoton wavelength targets.
- Limited by phase shifter voltage resolution and integration time constraints affecting measurement throughput.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:34
Photonic Chip Preparation
2:24
Preparation of Fiber Pigtails
3:45
Configuration of the Photonic Chip and Fibers
6:09
Dispersion Characterization
8:42
Measuring Two-photon Interference
10:25
Results: Interference and Bi-photon Visibility Measurement
11:32
Conclusion
