Die Messung der Quantum Interference in einem Silizium-Ring-Resonator Photon Source

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine integrierte photonische Photonenpaarquelle durch die Messung von Quanteninterferenz zu charakterisieren. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Zusammenhang mit integrierter Quantenphotonik zu beantworten, einschließlich der Frage, wie Quellen korrelierter Photonen im Chipmaßstab realisiert und in quantenintegrierte photonische Schaltkreise integriert werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie auf eine Vielzahl von integrierten quantenphotonischen Schaltkreisen angewendet werden kann.

Das Herzstück des Experiments ist der photonische Chip. Dieser Chip hat eine Seitenlänge von etwa fünf Millimetern und wird mit Standardtechniken hergestellt. Dieses Bild des Chips zeigt seine Komponenten.

Es gibt eine Pumpschaltung, die den Eingangswellenleiter umfasst, einen Ringresonator, in dem sich Photonen sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn ausbreiten, und ein Mach-Zehnder-Interferometer, dem Ausgangswellenleiter folgen. Metallleitungen ermöglichen eine Erwärmung auf dem Chip, was zu einer Phasenverschiebung im Interferometer führt. Um den Chip für die Verwendung in der Schaltung vorzubereiten, polieren Sie ihn mit einem Chippolierer.

Verwenden Sie zuerst den Polierer, um den Chip zu nivellieren, und machen Sie alle Facetten orthogonal. Polieren Sie den Chip mit einem Drei-Mikrometer-Läpppad in Schritten von etwa 50 Mikrometern, bis er etwa 100 Mikrometer vom Ende der Poliermarken entfernt ist. Überprüfen Sie den Chip nach jeweils 50 Mikrometern, um den verbleibenden Abstand zu bestimmen.

Wenn noch etwa 100 Mikrometer übrig sind, wechseln Sie zu einem Ein-Mikron-Läpppad. Polieren Sie den Chip weiter und überwachen Sie den Fortschritt. Wenn noch etwa 20 Mikrometer übrig sind, wechseln Sie zu einem 0,5-Mikron-Pad.

Polieren Sie den Chip weiter, bis er bis auf 15 Mikrometer vom Ende der Polierspuren entfernt ist. Tauschen Sie den Läppbelag bei 15 Mikrometern gegen einen mit einer Rauheit von 0,1 Mikrometern aus. Verwenden Sie dieses Pad, um den Chip zu polieren, bis nur noch 10 Mikrometer der Polierspuren übrig sind.

Der letzte Polierschritt mit einem 0,1 Mikron großen Läpppad sorgt für eine glatte Facette. Entfernen Sie den Chip, bevor Sie ihn reinigen und für die spätere Verwendung aufbewahren. Sammeln Sie die notwendige Ausrüstung, um die optischen Fasern vorzubereiten.

Dazu gehören ein Faserstripper, ein Faserspalter, ein Schmelzspleißgerät und ein Sleeve-Ofen. Arbeiten Sie mit den drei Singlemode-Faserpigtails und jeweils etwa 20 bis 30 Zentimetern Faser mit ultrahoher numerischer Apertur. Um einen Pigtail vorzubereiten, verwenden Sie den Faserstripper, um jeglichen Puffer oder Codierung von seinem Ende zu entfernen.

Machen Sie dasselbe mit einem Ende der Länge der Faser mit ultrahoher numerischer Apertur. Nachdem Sie die Fasern gereinigt haben, verwenden Sie das Faserhackmesser, um sie für das Schmelzspleißen vorzubereiten. Bewegen Sie als Nächstes die Fasern zum Spleißgerät.

Lege die Fasern in Position und richte die gespaltenen Enden richtig aus. Geben Sie die entsprechenden Parameter ein, und führen Sie den Spleißen durch. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie die gespleißten Fasern und untersuchen Sie sie.

Wenn der Spleiß akzeptabel ist, schieben Sie eine Schutzhülse über die Spleißstelle. Legen Sie dann den mit der Hülse bedeckten Spleiß in den Hülsenofen, um ihn dauerhaft an der Faser zu befestigen. Fahren Sie fort, drei gespleißte Fasern für die Verwendung im Experiment herzustellen.

Das Experiment findet auf einer optischen Bank statt. Auf dem Prüfstand befinden sich drei dreiachsige Verschiebetische mit Piezo-Controllern. Sie sind so positioniert, dass sie den Zugang zu den Chip-Wellenleitern ermöglichen.

Die Translationsstufen umgeben den optischen Chip, der bereits auf einem Kupfersockel montiert wurde. Der Sockel steht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Kühler. Jede Translationsstufe hat eine der vorbereiteten Fasern in einer V-Nut, die mit Polyimidband befestigt ist.

Der Bereich mit dem Chip kann mit einem Mikroskop betrachtet werden, das sowohl mit sichtbaren als auch mit Infrarotkameras ausgestattet ist. An dieser Stelle können die Fasern mit den Experimentierinstrumenten verbunden werden. Verbinden Sie den Chipeingang über einen Polarisationsregler mit dem optischen Ausgang einer abstimmbaren Laserquelle.

Verbinden Sie jeden Ausgang des Chips mit einem optischen Leistungsmesser. Passen Sie nun die Position des Mikroskops an, um mit dem Chip zu arbeiten. Fokussieren Sie das Mikroskop dort, wo die Wellenleiter die Kante des Chips erreichen, und verwenden Sie die Translationstische, um die Fasern in der Nähe der Chipkante zu positionieren.

Bringen Sie die Fasern in das Sichtfeld der sichtbaren Kamera und passen Sie ihre Höhen so an, dass der Kern jeder Faser scharf ist. Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass die horizontale Position jeder Faser mit ihrem Wellenleiter übereinstimmt. Schalten Sie den optischen Ausgang des Lasers ein und passen Sie die Position der Eingangsfaser an, bis das Licht in den Wellenleiter einkoppelt.

Auf der Infrarotkamera wird dies als Streuung entlang des Eingangswellenleiters angezeigt. Stellen Sie als Nächstes die Wellenlänge des Lasers so ein, dass der Mikroring-Resonator auf der Infrarotkamera aufleuchtet. Dies bedeutet, dass die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Fahren Sie fort, indem Sie die Faserpositionen mit den Mikrometern manipulieren, um die von den Leistungsmessern gemessene Ausgangsleistung zu maximieren. Stimmen Sie die Faserpositionen fein ab und bewegen Sie jede Faser mit den Piezo-Tischreglern etwas näher an den Chip. Iterieren Sie zwischen der Feinabstimmung aller Faserkopplungen und der Annäherung aller Fasern an den Chip.

Ziel ist es, die Fasern fest gegen die Seiten des Chips zu drücken, wobei die gemessene Leistung maximiert wird. Der nächste Schritt besteht darin, die Dispersion zu charakterisieren. Beginnen Sie die Charakterisierung, indem Sie den Polarisationsregler so einstellen, dass die Leistungsanzeige an den Leistungsmessern maximiert wird.

Scannen Sie nun den abstimmbaren Laser über den interessierenden Wellenlängenbereich, um das Transmissionsspektrum zu finden. Extrahieren Sie die Bandbreite jeder Resonanz und verwenden Sie die Informationen, um die Gruppenindizes und die entsprechenden Unsicherheiten zu finden. Identifizieren Sie als Nächstes die Wellenlängen der beiden Pumplaser, indem Sie zwei Resonanzen finden, zwischen denen eine ungerade Anzahl von Resonanzen liegt.

Die Kenntnis dieser Wellenlängen ermöglicht die Bestimmung der Biphotonenwellenlänge. Um zu testen, ob diese drei Wellenlängen mit der spontanen Vierwellenmischung konsistent sind, stellen Sie den Gruppenindex im Vergleich zur Wellenlänge dar. In diesem Fall sind die blauen Punkte die Gruppenindizes.

Die rote Schattierung entspricht der Unsicherheit der Gruppenindizes, die sich aus der Bandbreite jeder Resonanz ergibt. Die grüne horizontale Linie erstreckt sich zwischen den Wellenlängen der Pumplaser. Da sich die Linie vollständig innerhalb des schattierten Bereichs befindet, können die Pump- und Biphotonenwellenlängen für das Experiment verwendet werden.

Nachdem die Sondenwellenlängen bestimmt wurden, erstellen Sie den endgültigen Versuchsaufbau. Dieser verfügt über zwei abstimmbare Laserquellen, eine für jede Wellenlänge des Pumplasers. Die Laserausgänge gehen jeweils an separate Polarisationsregler.

Von dort aus werden die beiden Laserausgänge in einem Faserkombinierer kombiniert. Daneben befindet sich eine Reihe von faserbasierten Kerbfiltern. Diese Filter ermöglichen den Durchgang der Pumpenwellenlängen, erreichen aber eine Dämpfung der Biphotonenwellenlänge von etwa 120 Dezibel.

Der Ausgang dieses Filters geht in den photonischen Chip. An jedem Ausgang befindet sich nach dem Chip eine Reihe von Bandpassfiltern. Diese Filter dämpfen die Pumpwellenlängen um etwa 150 Dezibel, lassen aber die Biphotonenwellenlängen durch.

Die von jedem Filtersatz zurückgewiesenen Photonen werden an ein spezielles Leistungsmessgerät gesendet. Die Ausgabe jedes faserbasierten Filters geht an einen dedizierten Einzelphotonendetektor. Jeder der Einzelphotonendetektoren liefert Input für einen Koinzidenzkorrelator.

Der Phasenschieber für das Mach-Zehnder-Interferometer ist eine On-Chip-Widerstandsheizung. Schließen Sie einen computergesteuerten Stromtreiber an die Kontaktpads des Chips an, um Wärme zu erzeugen, wenn die Spannung eingestellt wird. Für zwei Photoneninterferenzmessungen beginnen Sie mit den Pumplasern bei den gewählten Wellenlängen.

Überwachen Sie die Leistungsmesser, um sicherzustellen, dass jeder Laser auf seine Resonanz abgestimmt ist und die Leistung maximiert wird. Überwachen Sie als Nächstes die Koinzidenzzahlen am Korrelator. Wie in dieser Abbildung angedeutet, ermitteln Sie den Peak der Daten und integrieren Sie ihn über ein ca. 220 Pikosekunden großes Fenster, zentriert darauf.

Behalten Sie die Koinzidenzzahlen im Auge, bis es insgesamt mindestens 100 sind. Dies deutet darauf hin, dass eine ausreichende Integrationszeit abgelaufen ist. Wenden Sie sich nun an den Computer, um den Spannungsregler für den Phasenschieber auf null Volt einzustellen.

Sobald die Phasenverschiebung eingestellt ist, gehen Sie zu einem der abstimmbaren Laser und scannen Sie über den gesamten Wellenlängenbereich. Verwenden Sie die Leistungsmesser für die verworfenen Pumpphotonen, um den Ort der zuvor ausgewählten Resonanzen zu identifizieren, die möglicherweise driftet sind. Stellen Sie die Pumplaser so ein, dass sie den zuvor gewählten Resonanzen entsprechen.

Es ist wichtig, die gewählten Resonanzen über die Zeit zu verfolgen und nicht die Wellenlängen. erhitzt wird, wird der Ring ebenfalls erhitzt, aber viel weniger effizient. Dadurch verschieben sich die Resonanzen in längere Wellenlängen.

Sammeln Sie die resultierenden Daten aus dem Zeitkorrelator unter Verwendung der zuvor gewählten Integrationszeit. Dazu gehört die Anzahl der Photonen, die von jedem Detektor in den Koinzidenzzählungen gezählt werden. Nachdem Sie die Daten gesammelt haben, passen Sie die Spannungsregelung des Phasenschiebers an und erhöhen Sie sie um fünf Millivolt.

Wiederholen Sie das Scannen des Lasers und das Sammeln von Zähldaten, bis der gewünschte Spannungsbereich abgedeckt ist. Diese klassischen Lichtinterferenzmuster wurden mit Hilfe des Versuchsaufbaus erhalten, indem die Anzahl der einzelnen Photonen in Abhängigkeit von der relativen Phase zwischen den beiden Pfaden erfasst wurde. Zusätzlich zu den gemessenen Daten, dargestellt durch Kreise und Rauten, sind die durchgezogenen Linien Anpassungen an die Daten.

Die Zahlen stellen die berechnete Sichtbarkeit dar. Koinzidenzkorrelationsmessungen zeigen die Quanteninterferenz der verschränkten Photonen. Beachten Sie, dass die Oszillation die doppelte Frequenz des klassischen Musters hat.

Die orangefarbene Kurve stammt aus einem Test des Photonenursprungs, bei dem verschränkte Photonen bei einer Wellenlänge erzeugt werden müssen, die vom Ring nicht unterstützt wird. Es zeigt, dass die Koinzidenzen von Photonen stammen, die im Ring erzeugt werden. Diese Daten stammen aus sechs Experimenten, in denen die Resonanzpaare symmetrisch in der Frequenz sind, etwa um die gewünschte Biphotonenresidenz.

Jeder Datensatz zeigt eine Periode, die halb so groß ist wie die der relativen Phase. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 10 bis 15 Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Die Gesamtzeit wird in erster Linie durch die Auflösung des Phasenschieber-Spannungsinkrements und die damit verbundene Integrationszeit jeder Biphotonen-Koinzidenzmessung bestimmt.

Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, sich Zeit zu nehmen, um die Kupplungen des Chips zu optimieren. Wenn es nicht richtig gemacht wird, können die Fasern während der Messungen nicht stabil sein. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie integrierte photonische Photonenquellen vorbereitet und getestet werden.