Name: Die Messung der Quantum Interference in einem Silizium-Ring-Resonator Photon Source (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T10:30:00.000+00:00
Duration: 12 min 19 s
Description: Erfahren Sie die Charakterisierung integrierter photonischer Photonpaarquellen durch Quanteninterferenzmessungen an Silizium-Ringresonatoren. Diese Methode ermöglicht die Entwicklung kompakter Quantenschaltkreise.

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Diese Arbeit wurde teilweise an der Cornell University Nanoscale Science and Technology Einrichtung, ein Mitglied des Nationalen Nanotechnologie-Infrastruktur-Netzwerkes durchgeführt, die von der National Science Foundation (Grant-ECCS-1542081) unterstützt wird. Wir danken für die Unterstützung für diese Arbeit von der Air Force Research Lab (AFRL). Dieses Material beruht auf Arbeit teilweise von der National Science Foundation unter Auszeichnung Nr ECCS14052481 unterstützt.

HINWEIS: Dieses Protokoll geht davon aus, dass der photonischen Chip bereits hergestellt worden. Der Chip hier beschrieben (gezeigt in 1A) wurde 11 für Silizium photonische Bauelemente an der Cornell University Nanoscale Science &amp; Technology Einrichtung unter Verwendung von Standard - Verarbeitungstechniken hergestellt ist . Diese umfassen die Verwendung von Silizium-auf-Isolator-Wafer (bestehend aus einer 220 nm dicken Siliziumschicht, eine 3-um-Schicht aus Siliziumdioxid, und einem 525 um dicken Siliziumsubstrat), Elektronenstrahllithographie den Streifenwellenleiter zu definieren, (500 nm breite), und die Plasma-enhanced chemical vapor deposition des Siliziumdioxids Mantels (~ 3 &amp; mgr; m dick). Die Mikroringresonator wurden mit einem Innenradius von 18,5 &amp; mgr; m und einem Wellenleiter-zu-Ring-Abstand von 150 nm ausgelegt. Maßzahlen für dieses Gerät sind Verlust, Qualitätsfaktor, freien Spektralbereich und Dispersion. 1. Photonic Chip Vorbereitung <ol><li> Legen Sie eine kleine amount von Wachs auf einer Querschnittpolier Halterung und erhitzen Sie es auf ~ 130 ° C. HINWEIS: Die Menge des Wachses verwendet wird, hängt von der Größe der Probe angebracht ist. Es muss genügend Wachs sein, den Chip unbeweglich zu halten, während zu viel in Wachs auf dem Chip Facetten führen. </li><li> Platzieren Sie den photonischen Chip auf dem Teil der Polierhalterung mit dem Wachs. Stellen Sie sicher, dass das Wachs vollständig geschmolzen ist, so daß der Chip gegen die Halterung eben ist. Verwenden Sie Kunststoff-Pinzette, wenn der Chip Handhabung zu vermeiden, dass die Facetten zu beschädigen. </li><li> Lassen Sie die Halterung in der Umgebungsluft kühlen, so dass das Wachs erstarrt. Kühl schneller als dies kann zu Schäden an den Chip zur Folge hat. </li><li> Polieren der Chip Facetten. HINWEIS: Es ist wichtig, den richtigen Läppen Pad als Ausgang mit einem Pad zu wählen, die zu aggressiv ist beim Polieren entfernt mehr des Chips führen kann, als gewünscht. <ol><li> Bringen Sie montieren das Polieren der Poliermittel und Poliermittel für nur wenige Sekunden. Ein Polster mit einer 3-um-Rauhigkeit aufweist erwiesenein guter Ausgangspunkt für die Siliziumchips mit Facettenlängen von ca. 1 cm. </li><li> Entfernen Sie die Polier Halterung und den Chip Facette untersuchen, um zu bestimmen, wie Ebene der Chip montiert ist. HINWEIS: Ein Mikroskop ist nützlich, um den Abstand zwischen den Enden des Wellenleiters zu messen und der Facette des Chips. Diese Messungen erlauben die Winkel zwischen der Facette und dem Wellenleiter bestimmt werden. </li><li> Nehmen Sie die notwendigen Anpassungen der Mikrometern auf der Poliermaschine, um die Nivellierung des Chips zu verbessern. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1.4.1-1.4.3, bis die Facette des Chips und der Wellenleiter ist innerhalb von 0,15 ° von senkrecht zueinander zu sein. </li><li> Polish der Chip in Schritten von ~ 50 &amp; mgr; m, um den Chips zwischen jedem Schritt Inspizieren der Entfernung zu überwachen verbleibenden, bis es ~ 100 &amp; mgr; m ist links zu polieren. Wenn an irgendeinem Punkt des Mantel von der Oberfläche zu sein scheint Delaminieren, sicherzustellen, dass die Unterlage von der Oberseite des Chips nach unten, um zum Polieren rotiert. Hinweis: Es kann auch anstelle von Wasser einen Polier Schmiermittel verwenden helfen. Diese Delamination ist eine Folge der Spannung in der Verkleidung und ist ein Hinweis darauf, dass der Herstellungsprozess optimiert werden muss. </li><li> Wechsel zu einem 1-um-Läpp-Pad und zu polieren, bis verbleibende ~ 20 &amp; mgr; m. </li><li> Wechsel zu einem 0,5-um-Block und weiterhin für weitere 15 &amp; mgr; m poliert. </li><li> Verwenden, um einen 0,1-um-Pad für die letzten 5 um eine glatte Facette zu gewährleisten. Mikroskopbilder der Facette eines Silizium - photonischen Chip vor und nach dem Polieren sind in Abbildung 2 dargestellt. </li></ol></li><li> Beheizen die Halterung mit dem daran befestigten Chip auf ~ 130 ° C das Wachs zu ermöglichen, zu schmelzen. </li><li> Sobald das Wachs vollständig geschmolzen ist, Entfernen des Chips von der Halterung und erlauben es langsam abkühlen. </li><li> Reinigen jeden des verbleibenden Wachses aus dem Chip unter Verwendung von Aceton, Isopropanol, und Wasser. </li></ol> 2. Herstellung von Faser-Pigtails <ol><li> Abzustreifen beliebige Puffer oder Beschichtung from das Ende eines Single-Mode-Faser (SMF) pigtail und von einem Ende einer ultra-hohe numerische Apertur (Uhna) Faser. </li><li> Reinigung der blanken Enden der Fasern mit einem Gemisch aus Aceton und Methanol. </li><li> Spalten die blanken Enden der beiden Fasern mit einer handelsüblichen Faser-Spalter. </li><li> Schmelzspleiß das gespaltene Ende der Fasern. Ein Rezept für das Spleißen SMF Uhna Faser ist in Tabelle 1 gezeigt. </li><li> Schieben eine Schutzhülse über den Spleiß und es in der Hülse Ofen, um es permanent auf die Faser zu befestigen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2,1-2,5 insgesamt drei Fasern herzustellen. </li></ol> 3. Konfiguration des Test-Setup HINWEIS: Ein Diagramm des Testaufbaus ist in 1B gezeigt. Die Halterung für den Chip ist ein Kupfersockel, der mit einem thermoelektrischen Kühler (TEC) in Kontakt ist. Es ist ein Mikroskop mit Einbau sichtbaren und Infrarot (IR) Kameras für den photonischen Chip sehen. <ol><li> Orteine kleine Menge an Wachs auf der Chiphalterung und Spannung an den TEC anzuwenden um das Wachs zu schmelzen. </li><li> Platzieren des Chips auf dem geschmolzenen Wachs zu gewährleisten, dass er auf der Halterung flach sitzt. </li><li> Entfernen Sie die Spannung von der TEC und lassen Sie die Halterung und Chip langsam abkühlen. </li><li> Befestigen jeden der gespleißten Fasern zu einer Faser mit V-Nut mit Polyimidband und montieren einen einzelnen V-Nut zu jedem der 3-Achsen-Stufen der vom Hersteller gelieferten Montagehardware. </li><li> Faserkantenkopplung. <ol><li> Verbinden die drei Fasern in ihre jeweiligen Komponenten: ein mit dem optischen Ausgang des Lasers und den beiden anderen optischen Leistungsmesser. </li><li> Stellen Sie das Mikroskop, so dass es auf dem Chip ausgerichtet wird, wo der Wellenleiter den Rand erreichen. </li><li> Positionieren der Fasern nahe an der Chipkante, so dass sie in der Ansicht der Kamera sichtbar sind, und stellen ihre Höhen, so dass der Kern jeder Faser im Fokus ist. </li><li> Stellt die horizontale Positionierung der Fasern mit der Bühne micrometers, so dass sie mit den Wellenleitern aufgereiht. </li><li> Schalten Sie den optischen Ausgang des Lasers und stimmen die horizontalen und vertikalen Positionen der Mikrometer-Eingangsfaser, bis das Licht in den Wellenleiter koppelt. Dies wird auf der IR-Kamera als Streu entlang des Eingangswellenleiters angezeigt. </li><li> Abstimmung der Wellenlänge des Lasers bis zu einem Punkt, wo der Mikroringresonator ist auf der Kamera beleuchtet. Dies zeigt, dass die Resonanzbedingung erfüllt wird, und dass das Licht des Ausgangswellenleiter erreicht. </li><li> Einstellen der horizontalen und vertikalen Positionen der Mikrometer-Ausgangsfasern, bis eine messbare Menge an Licht von dem Wellenleiter zu den Leistungsmessern erstrecken. </li><li> Maximieren der Leistung an den beiden Detektoren durch die horizontalen und vertikalen Mikrometer Positionen der drei Fasern zu manipulieren. </li><li> Maximierung des Weiteren die Leistung zu den Detektoren durch die Feineinstellung der horizontalen und vertikalen Positionen Faser Herstellung des piezo controll Verwendungers. </li><li> Verwenden, um die piezo-Controller die Fasern etwas näher an den Chip zu bewegen. Achten Sie darauf, nicht den &amp; mgr; m zu verwenden, um die Fasern auf den Chip zu schieben, da dies wird die gespaltenen Ende der Fasern wahrscheinlich beschädigen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.5.9 und 3.5.10, bis die Fasern fest gegen die Seiten des Chips gedrückt werden. HINWEIS: Übermäßige gestreutes Licht von den Wellenleitern, gekoppelt mit einem schlechten Übertragungswellenleiter, kann ein Hinweis auf Wellenleiterdefekten sein. Diese können umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Material Defektstellen, Heften Grenzen, und eine übermäßige Rauhigkeit Wellenleiter. </li></ol></li><li> Legen Sie eine Faserbasis-Polarisationssteuerung zwischen dem Laser und dem Chip. Dies ermöglicht eine Steuerung des Polarisationszustands, die es mit dem Chip macht. Der Wellenleiter, breiter als sie hoch mit Hilfe bei der Minimierung jede On-Chip-Polarisationsdrehung. </li><li> Dispersion Charakterisierung. <ol><li> Tune die Polarisation der Laserausgangsleistung zu maximieren, um die Kupplung zu<html> der Chip. Diese Vorrichtung wurde für die Querelektrischen (TE) Polarisation entworfen und als solche die transversale magnetische (TM) Polarisation einen wesentlich höheren Verlust hat. </li><li> Scannen einen abstimmbaren Laser über den Wellenlängenbereich von Interesse (1.510 nm bis 1.600 nm in diesem Fall) und das Leistungsmesser überwachen. Alle Artefakte in den Transmissionsspektren sind wahrscheinlich durch eine Kombination der TM-Komponente der Polarisation und die Etalon-Effekte aus dem Faser-Chip-Schnittstelle. </li><li> Finde die Resonanzwellenlängen in dem Spektrum und extrahiert auch die Bandbreite jeder Resonanz. Dieser besondere Chip hatte Bandbreite so klein wie 65 Uhr, die Qualitätsfaktoren (Q) von bis zu 23.000 übersetzt. </li><li> Bestimmt den freien Spektralbereich (FSR), die Trennung zwischen Resonanzen für jedes benachbartes Paar von Resonanzen. Das jeweilige Gerät hatte einen FSR von ~ 5 nm. </li><li> Berechnen der Gruppenindex (n g) der geführten Mode für jeden Wert des FSR Verwendung der folgenden Gleichung: n 5&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; wobei λ die Wellenlänge ist und r der Radius des Mikroringresonators. Die obige Gleichung ist eine Näherung erster Ordnung der Gruppenindex. </li><li> Verwenden , um die Bandbreite jeder Resonanz eine Breite (&amp; Delta; n g) mit jedem Wert des Gruppenindex zugeordnet ist, um zu bestimmen. </li><li> Wählen , um die Wellenlängen für die beiden Pumplaser , so dass sie mit Resonanzen im Spektrum und eine ungerade Anzahl von Resonanzen zwischen ihnen (1C) zusammenfallen. </li><li> Bestimmt die Wellenlänge der degenerierten bi-Photonen, die die folgende Gleichung verwendet wird: <img alt="Gleichung 6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> wobei λ 1 Pumpe und λ Pumpe 2 sind die Wellenlängen der Pumpphotonen. </li><li> Fügen Sie eine horizontale Linie auf dem Diagramm des Gruppenindex als Funktion der Wellenlänge , die zwischen den beiden Pumpwellenlängen (3) erstreckt. Wenn es möglich ist, für die line in n g sitzen ± Δ n g bei allen drei Wellenlängen von Interesse gleichzeitig die Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist , und Photonen über SFWM erzeugt werden. Wenn es nicht möglich ist, versuchen Pumpwellenlängen wählen, die näher beieinander sind und erneut prüfen. </li></ol></li><li> Hinzufügen eine zweite abstimmbaren Laserquelle und Polarisationssteuerung zum Einrichten und verbinden die optischen Ausgänge von beiden Lasern mit einem 1 x 2-Faser-Kombinierer. </li><li> Fügen Sie eine Reihe von faserbasierten Kerbfiltern (genug von ihnen erreichen ~ 120 dB Dämpfung) unmittelbar vor dem Chip. HINWEIS: Die Filter erlauben beiden Pumpwellenlängen, die bi-Photonenwellenlänge passieren jedoch abzulehnen. Sie helfen überschüssige Rauschen (dh breitbandige Raman - Streuung in der optischen Faser) zu entfernen , bevor mit dem Chip - Kopplung. Das Filter - Spektrum ist in Abbildung 1B gezeigt. </li><li> In einer Reihe von faserbasierten Bandfilter (genug, um von ihnen zu erreichen ~ 150 dB Dämpfung)unmittelbar nach dem Chip. HINWEIS: Die Filter sollten breit genug sein, die bi-Photonen passieren zu lassen, aber schmal genug, um die Pumpphotonen abzulehnen. Zwei Sätze von diesen benötigt werden, einen Satz für jeden Ausgang. Das Filter - Spektrum ist in Abbildung 1B gezeigt. </li><li> Senden Sie die abgelehnten Photonen aus jedem Satz von Filtern Stromzähler zu trennen. ANMERKUNG: Dieses Leistungsmesser verwendet werden, um die optische Kopplung mit dem Chip zu überwachen und auch bei Resonanz verbleibt, wenn der Pumplaser zu bestimmen, verwendet werden kann. </li><li> Verbinden den einzelnen optischen Ausgang aus jedem Satz von faserbasierten Filter zu einem einzelnen Photonendetektor (SPD) und verbinden die beiden elektrischen Signalausgänge von den Ableitern zu einem Koinzidenz-Korrelator. </li><li> Kreuz ein Paar von Wolfram-Sonden und setzen die Spitzen nach unten auf einer der Spiralschenkel (~ 1 mm in der Länge) des MZI. </li><li> Verbinden einer Stromversorgung für die beiden sich kreuzenden Sonden derart, dass sie Wärme erzeugen, wenn Spannung angelegt wird. Diese fungiert als Phasenschieber für ter MZI. HINWEIS: Siehe die Diskussion um eine Beschreibung des einheitlicheren Verfahrens zur thermischen Abstimmung von photonischen Bauelementen. </li></ol> 4. Messung Zwei-Photonen-Interferenz <ol><li> Tune sowohl der Pumplaser auf den ausgewählten Wellenlängen. Verwenden Sie die Stromzähler, die die beanstandete Pumpphotonen überwachen, um sicherzustellen, dass beide Laser auf die Resonanzen abgestimmt sind. Wenn der Laser richtig auf die gewünschten Resonanzen abgestimmt wird, wird das zurückgewiesene Signal von den Filtern maximiert werden. </li><li> Stellen Sie die optische Leistung, die von jedem Laser dBm bis -3. Hinweis: Dies wird dazu führen, &lt;100 &amp; mgr; W bei dem Chip. Es ist wichtig, die Pumpleistung dieses niedrig zu halten, um Verluste zu minimieren (von Multiphotonen-Absorption und Absorption freier Träger) und Stabilität aufrechterhalten (durch thermische Verschiebungen lichtinduzierten minimiert). PN-Übergänge können Träger verwendet werden, von dem Wellenleiter zu entfernen, um einen besseren höhere Pumpleistungen anzupassen. </li><li> Überwachen Sie die Koinzidenz Zählungen (Synchronous Singles über zwei Ports) durch Integration über ~ 220 ps über die Spitze der Daten. Eine ausreichende Integrationszeit verstrichen ist, wenn ein Minimum von 100 zufällig zählt gesammelt wurden. Hinweis: Die Integration Fenster breit genug sein sollten für den Timing-Jitter des EPPD zu berücksichtigen. </li><li> Stellen Sie die Stromversorgung für die Phasenschieber in die Ausgangsspannung (beispielsweise 0 V). </li><li> Scannen eines der abstimmbare Laser über den gesamten Wellenlängenbereich und mit den Stromzähler, der die zurückgewiesenen Pumpphotonen sammeln sich die Position der Resonanzen von Interesse zu bestätigen. Stellen Sie den Pumplaser für die Wellenlängen auf die gewünschten Resonanzen entsprechen. Hinweis: Es ist wichtig, diesen Schritt zu vollenden, jedes Mal der Phasenschieber Spannung als die thermische Abstimmung geändert wird, kann in kleinen Verschiebungen der Resonanzwellenlängen führen. </li><li> Sammelt die erhaltenen Daten (Einzelphotonenzählungen sowie die Koinzidenz counts) von der Koinzidenz Korrelator für die zuvor gewähltenIntegrationszeit. Hier wird eine Integrationszeit von 90 s wurde mit einer Zeitauflösung von 32 ps gewählt. </li><li> Erhöhen Sie die an den Phasenschieber von 5 mV angelegten Spannung. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,4-4,6, bis Daten für den gewünschten Spannungsbereich gesammelt worden ist. HINWEIS: Die maximale Spannung wurde über dieser Spannung auf 2,4 V aufgrund des schnellen Abbaus der Sonden begrenzt. </li><li> Integriert Die Koinzidenz Peaks für jede Energieversorgungsspannung über ~ 220 ps die Gesamtzahl der Übereinstimmungen (Figur 4) zu bestimmen. </li><li> Integrieren über 320 ns vom Zufall Spitze der zufälligen Koinzidenzen zu erhalten. Verwenden Sie dieses Ergebnis die Anzahl der Versetzungszeichen in der Koinzidenz Spitze zu berechnen. </li><li> Bringen Sie die Einzelzählungen von jedem Detektor mit der folgenden modifizierten Sinusfunktion: <img alt="Gleichung 7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> wobei A, B, C, D, E und F sind die Anpassungsparameter. Dieser Sitz ist notwendig aufgrund der nichtlinearen Relationship zwischen der Spannung und der induzierten thermischen Verschiebung (relative Phase). </li><li> Wandelt die unabhängigen Variable der relative Phase für alle drei Gruppen von Daten (die Singles zählen von jedem Detektor und der Koinzidenz counts) mit der folgenden Gleichung: <img alt="Gleichung 8" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> wobei B, C, D und E sind die Anpassungsparameter von Schritt 4.11. Diese Umwandlung ist möglich aufgrund der bekannten sinusförmigen Übertragungsfunktion eines MZI 12. </li><li> Bringen Sie die Koinzidenzdaten (mit der relativen Phase als unabhängige Variable) mit der folgenden Sinusfunktion: <img alt="Gleichung 9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> wobei A und B sind die Anpassungsparameter. </li><li> Berechnen Sie die Sichtbarkeit jedes Interferenzmuster mit der folgenden Gleichung: <img alt="Gleichung 10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> wobei ƒ (θ) max und ƒ ( <em&gt; θ) min die Maximal- und Minimalwerte von ƒ (θ) ist. Eine Sichtweite von 1 entspricht ein perfektes Interferenzmuster. </li></ol>

<ol><li>Silverstone, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n2/full/nphoton.2013.339.html">On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources.</a> Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).</li>
<li>Harris, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.041047">Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems.</a> Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).</li>
<li>Grassani, D., et al. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-2-2-88">Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons.</a> Optica. 2 (2), 88(2015).</li>
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</ol>

Wir haben nichts zu offenbaren.

Es gibt mehr Herausforderungen für das Gebiet der integrierten Photonik, um für komplexe und skalierbare Systeme von photonischen Bauelementen zu überwinden machbar zu sein. Diese umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: enge Fertigungstoleranzen, die Isolierung von Umwelt Instabilitäten und Minimierung aller Formen von Verlust. Es gibt kritische Schritte in dem obigen Protokoll, das den Verlust von photonischen Bauelementen minimieren helfen. Eine der wichtigsten Anforderungen in Verlust m...

Silizium ist vielversprechend als Photonik - Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung 1, 2, 3, 4, 5. Eine der wesentlichen Komponenten des Quanten photonischer Schaltungen ist die Photonenquelle. Photonenpaar - Quellen aus Silicium in Form von Mikroringresonator über einen dritte Ordnung nicht linearen Prozess, spontan Vierwellenmischung (SFWM) 6, 7, 8 entwickelt. Diese Quellen sind in der Lage Paare von Photonen ununterscheidbar produzieren, die für Experimente sind ideal die Photonen Verschränkung 9. Wichtig ist, dass Ringresonator Quellen mit beiden Ausbreitungs im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn betrieben werden kann festzustellen, und die beiden unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen Genvoneinander unabhängige scharen. Dies ermöglicht es ein einzelner Ring als zwei Quellen zu funktionieren. Als optisch von beiden Richtungen gepumpt wird, erzeugen diese Quellen den folgenden verschränkten Zustand: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> woher <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> und <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> ist der unabhängige Schöpfung Betreiber für clockwise- und bi-Photonen entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden, respectively. Dies ist eine sehr wünschenswerte Form von verschränkten Zustand bekannt als N00N Zustand (N = 2) 10. Passing diesen Zustand durch einen On-Chip-Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) führt in dem Zustand: <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> Dieser Zustand oszilliert zwischen maximaler Koinzidenz und Null Zufall bei zweimaldie Frequenz der klassischen Interferenz in einer MZI, verdoppelt effektiv die Empfindlichkeit des Interferometers 10. Hier stellen wir das Verfahren verwendet, eine solche integrierte Photonenquelle und MZI Gerät zu testen.

<table><tbody><tr><td>3-Achsen-NanoMax-Biegetisch</td><td>Thorlabs</td><td>MAX312D</td><td>Präzisions-3-Achsen-Tische</td></tr><tr><td>Dreiloch-Faserabisolierwerkzeug</td><td>Thorlabs</td><td>FTS4</td><td>Pufferabisolierwerkzeug</td></tr><tr><td>Dreikanal-Piezo-Controller</td><td>Thorlabs</td> MDT693B <td>Piezo-Controller für NanoMax-Tische</td><td></td></tr><tr><td>Faserpolarisationsregler</td><td></td><td>Thorlabs FPC562</td><td>3-Paddel-Polarisation auf Faserbasis Controller</td></tr><tr><td>Fiber Cleaver</td><td>Thorlabs</td><td>XL411</td><td>Fiber Cleaver</td></tr><tr><td>Standard V-Nut Fiber Holder</td><td>Thorlabs</td><td>HFV001</td><td>Standard V-Groove Mount</td></tr><tr><td>Tapered V-Groove Fiber Holder</td><td>Thorlabs</td><td>HFV002</td><td>konische V-Nut Halterung</td></tr><tr><td>Rechtwinklige Deckplatte für NanoMax Stage</td><td>Thorlabs</td><td>AMA011</td><td>rechtwinklige Halterung</td></tr><tr><td>50:50 Fiber Optic Koppler</td><td>Thorlabs</td><td>TW1550R5F1</td><td>50/50 Combiner</td></tr><tr><td>Optical Fiber Fusion Splicer</td><td>Fujikura</td><td>FSM-40S</td><td>Fusion Splicer</td></tr><tr><td>MultiPrep Poliersystem - 8"</td> <td>Allied High Tech</td><td>15-2100</td><td>Chip Polierer</td></tr><tr><td>GreenLube</td><td>Allied High Tech</td><td>90-209010</td><td>Poliermittel</td></tr><tr><td>Querschnittspaddel mit Referenzkante</td><td>Allied High Tech</td><td>15-1010-RE</td><td>Polierhalterung</td></tr><tr><td>Lichtwellen-Messsystem</td><td>Keysight</td><td>8164B</td><td>Mainframe für abstimmbaren Laser</td></tr><tr><td>Abstimmbare Laserquelle</td><td>Keysight</td><td>81606A</td><td>Abstimmbarer Laser</td></tr><tr><td>Optischer Leistungssensor</td><td>Keysight</td><td>81634B</td><td>Leistungsmesser</td></tr><tr><td>NIR Einzelphotonendetektor</td><td>ID Quantique</td><td>ID210</td><td>Einzelphotonendetektoren</td></tr><tr><td>NIR-Einzelphotonendetektor</td><td>ID Quantique</td><td>ID230</td><td>Rauscharme, freilaufende Einzelphotonendetektoren</td></tr><tr><td>PicoHarp</td><td>PicoQuant</td><td>PicoHarp 300</td><td>Zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung</td></tr><tr><td>WiDy SWIR InGaAs-Kamera</td><td>NIT</td><td>640U-S</td><td>IR-Kamera</td></tr><tr><td>WDM-Bandpassfilter</td><td>JDS Uniphase</td><td>30055053-368-2.2</td><td>Pumpenreinigungsfilter</td></tr><tr><td>WDM Bandpassfilter</td><td>JDS Uniphase</td><td>1011787-012</td><td>Pumpenabweisungsfilter</td></tr><tr><td>Ultra-Faser mit numerischer Apertur</td><td>Nufern</td><td>UHNA-7</td><td>Faser mit hohem Index</td></tr><tr><td>Ultraoptische Singlemode-Faser</td><td>Corning</td><td>SMF-28</td><td>Standard-Singlemode-Faser</td></tr></tbody></table>

die messung der quantum interference in einem silizium-ring-resonator photon source

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonischer Chips haben das Potenzial, komplexe integrierte Quanteninformationsverarbeitungsschaltungen zu realisieren, einschließlich Photonenquellen, Qubit Manipulation und integrierten Single-Photonen-Detektoren. Hier stellen wir die wichtigsten Aspekte der Herstellung und Testen eines photonischen Siliziumquanten Chip mit einer integrierten Photonenquelle und Zwei-Photonen-Interferometer. Der wichtigste Aspekt einer integrierten Quantenschaltung minimiert Verlust, so dass alle der erzeugten Photonen mit möglichst hohen Genauigkeit erfaßt werden. Hier beschreiben wir, wie verlustarme Rand Kopplung durchzuführen, indem eine ultrahohe numerische Apertur Faser unter Verwendung eng um den Modus des Siliziumwellenleiters übereinstimmen. Durch die Verwendung einer optimierten Fusionsspleißen Rezeptur wird die Faser Uhna nahtlos mit einer Standard-Einmoden-Faser angeschlossen. Das verlustarme Kopplung ermöglicht die Messung von High-Fidelity-Photonenproduktion in einem integrierten Silizium-Ringresonator und die anschließende Zweiphotonen-Interferenz des hergestellten photons in einem eng integrierten Mach-Zehnder-Interferometer. Dieser Beitrag beschreibt die wesentlichen Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von hochleistungsfähigen und skalierbaren Silizium-Quanten photonischer Schaltungen.

Einzelne Photonenzählungen von jedem Detektor, sowie die Koinzidenz Zählungen wurden als die relative Phase zwischen den zwei Pfaden abgestimmt wurde gesammelt. Die einzelne Zählungen (5A) zeigen das klassische Interferenzmuster aus einer MZI mit visibilities von 94,5 ± 1,6% bzw. 94,9 ± 0,9%. Die Koinzidenz - Messungen (5B) , um die Quanten - Interferenz des verschränkten Zustand zeigen, wie sie durch die Schwingung mit der doppelten Frequenz des klassis...

Silicon photonischer Chips haben das Potenzial, komplexe integrierte Quantensysteme zu realisieren. Vorgestellt ist hier ein Verfahren zur Herstellung und Prüfung eines Silizium-photonischen Chips für Quantenmessungen.

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

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

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.

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Engineering

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