La medición de interferencia cuántica en una fuente de silicio resonador de anillo de fotones

Resumen

Chips fotónicos de silicio tienen la posibilidad de realizar sistemas cuánticos complejos integrados. Se presenta aquí un método para preparar y probar un chip fotónico de silicio para mediciones cuántica.

Resumen

Chips fotónicos de silicio tienen el potencial para realizar circuitos cuánticos integrados complejos de procesamiento de información, incluyendo fuentes de fotones, la manipulación qubit, y detectores de fotón único integrados. A continuación, presentamos los aspectos clave de la preparación y prueba de un chip cuántico fotónico de silicio con una fuente de fotones integrada y interferómetro de dos fotones. El aspecto más importante de un circuito cuántico integrado se minimiza la pérdida de modo que todos los fotones generados son detectados con la mayor fidelidad posible. A continuación, describimos cómo realizar el acoplamiento de borde de baja pérdida mediante el uso de un ultra-alta en fibra apertura numérica para asemejarse a la modalidad de las guías de ondas de silicio. Mediante el uso de una receta de empalme de fusión optimizado, la fibra uhna está perfectamente interconectado con una fibra monomodo estándar. Este acoplamiento de baja pérdida permite la medición de la producción de fotones de alta fidelidad en un resonador de anillo de silicio integrado y la posterior interferencia de dos fotones de la p producidohotons en un interferómetro de Mach-Zehnder estrechamente integrado. Este documento describe los procedimientos esenciales para la preparación y caracterización de alto rendimiento y circuitos fotónicos cuánticos de silicio escalables.

Introducción

El silicio se muestra una gran promesa como una plataforma fotónica para el procesamiento de información cuántica ^{1, 2, 3, 4, 5.} Uno de los componentes vitales de circuitos fotónicos cuánticos es la fuente de fotones. Fuentes de fotones de par se han desarrollado a partir de silicio en forma de resonadores de micro anillo realizado a través de un proceso no lineal de tercer orden, espontánea de cuatro ondas de mezcla (SFWM) ^{6, 7, 8.} Estas fuentes son capaces de producir pares de fotones indistinguibles, que son ideales para experimentos que implican el entrelazamiento de fotones ^9.

Es importante tener en cuenta que el anillo de fuentes de resonador pueden operar tanto con las agujas del reloj y la propagación en sentido antihorario, y los dos direcciones de propagación diferentes son genreunir independientes entre sí. Esto permite que un solo anillo funcione como dos fuentes. Cuando ópticamente bombeado desde ambas direcciones, estas fuentes generan el siguiente estado entrelazado:

dónde y son los operadores de creación independientes para bi-fotones clockwise- y en sentido contrario, se propagan, respectivamente. Esta es una forma muy deseable de estado entrelazado conocido como un estado N00N (N = 2) ^10.

Pasando este estado a través de un Mach-Zehnder on-chip (MZI) resulta en el estado:

Este estado oscila entre la máxima coincidencia y cero coincidencia en dos vecesla frecuencia de interferencia clásica en un MZI, doblando efectivamente la sensibilidad del interferómetro ^10. A continuación, presentamos el procedimiento utilizado para probar una fuente de fotones integrada tal y dispositivo MZI.

Protocolo

NOTA: Este protocolo supone que el chip fotónico ya se ha fabricado. El chip se describe aquí (que se muestra en la Figura 1A) fue fabricado en la instalación de la Universidad de Cornell nanoescala Ciencia y Tecnología utilizando técnicas de procesamiento estándar para los dispositivos fotónicos de silicio ^11. Estos incluyen el uso de obleas de silicio sobre aislante (compuesta de una capa de silicio 220 nm de espesor, una capa de 3 m de dióxido de silicio, y un sustrato de silicio 525 micras de espesor), la litografía por haz de electrones para definir las guías de ondas de tira (500-nm de ancho), y la deposición química de vapor mejorada por plasma del revestimiento de dióxido de silicio (~ 3 micras de espesor). Los resonadores de micro anillo fueron diseñados con un radio interno de 18,5 micras y un hueco-guía de ondas a anillo de 150 nm. Figuras de mérito para este dispositivo incluyen la pérdida, factor de calidad, el rango espectral libre, y la dispersión.

1. Photonic chip Preparación

1. Coloque una pequeña Amount de cera en un montaje de pulido-cruz de seccionamiento y calentar a ~ 130 ° C.
   NOTA: La cantidad de cera que se utilizará depende del tamaño de la muestra que está siendo montado. Debe haber suficiente cera para mantener el chip inmóvil, mientras que un exceso dará lugar a la cera en las facetas de chips.
2. Coloque el chip fotónico sobre la porción del pulido montar con la cera. Asegúrese de que la cera se funde completamente para que el chip es plana contra la montura. Utilice pinzas de plástico al manipular el chip para evitar dañar las facetas.
3. Permitir que el montaje se enfríe en el aire ambiente de modo que la cera se solidifica. Enfriamiento rápido que esto puede causar daños en el chip.
4. Pulir las facetas de chips.
   NOTA: Es importante elegir la plataforma correcta lapidado como comenzando con una almohadilla que es demasiado agresivo puede resultar en el pulido de distancia más del chip de lo deseado.
   1. Una el pulido de montaje a la pulidora y pulir durante sólo unos segundos. Una almohadilla con una rugosidad 3-m ha demostrado serun buen punto de partida para los chips de silicio con longitudes de faceta de ~ 1 cm.
   2. Quitar el montaje de pulido e inspeccionar la faceta chip para determinar cómo se monta el nivel del chip.
      NOTA: Un microscopio es útil para medir la distancia entre los extremos de las guías de onda y la faceta de la viruta. Estas mediciones permiten el ángulo entre la faceta y la guía de ondas que se determine.
   3. Hacer los ajustes necesarios a los micrómetros en la pulidora con el fin de mejorar la nivelación del chip.
   4. Repita pasos 1.4.1-1.4.3 hasta que la faceta del chip y las guías de ondas se encuentran dentro de 0,15 ° de ser ortogonales entre sí.
   5. Polaco el chip en pasos de ~ 50 m, la inspección de la viruta entre cada paso para controlar la distancia restante, hasta que hay ~ 100 micras izquierda a pulir. Si en cualquier momento el revestimiento parece estar deslaminación de la superficie, asegurarse de que la almohadilla está girando a fin de pulimento de la parte superior del chip a la parte inferior.
      NOTA: También puede ayudar el uso de un lubricante de pulido en lugar de agua. Esta deslaminación es un resultado de la tensión en el revestimiento y es una indicación de que el proceso de fabricación debe ser optimizado.
   6. Cambiar a una almohadilla de chapoteo 1-m y pulir hasta que no es de ~ 20 m restante.
   7. Cambiar a una almohadilla de 0,5-m y continuar pulido para otro 15 m.
   8. Utilice una almohadilla de 0,1-m para la final 5 micras para asegurar una faceta suave. Imágenes de microscopio de la faceta de un chip de fotónico de silicio antes y después del pulido se muestran en la Figura 2.
5. Calentar el montaje con el chip unido a ~ 130 ° C para permitir que la cera se derrita.
6. Una vez que la cera se derrita por completo, retire el chip de la montura y dejar que se enfríe lentamente.
7. Limpiar cualquier de la cera restante desde el chip usando acetona, isopropanol, y agua.

2. Preparación de fibras Pigtails

1. Franja de cualquier tampón o recubrimiento from el extremo de un cable flexible de conexión fibra de modo único (SMF) y desde un extremo de una fibra ultra-alta apertura numérica (uhna).
2. Limpiar los extremos desnudos de las fibras con una mezcla de acetona y metanol.
3. Escindir el extremos desnudos de ambas fibras con una cuchilla de fibra comercial.
4. Fusión empalmar el extremo cortado de las fibras. Una receta para el empalme SMF a la fibra uhna se muestra en la Tabla 1.
5. Deslizar un manguito protector sobre el empalme y colocarlo en el horno de la manga para fijar de forma permanente a la fibra.
6. Repetir los pasos 2.1 a 2.5 para preparar un total de tres fibras.

3. Configuración de la instalación de Prueba

NOTA: Un diagrama de la configuración de la prueba se muestra en la Figura 1B. El soporte para el chip es un pedestal de cobre que está en contacto con un refrigerador termoeléctrico (TEC). Hay un microscopio equipado con ambas cámaras visibles e infrarrojos (IR) para la visualización del chip fotónico.

1. Lugaruna pequeña cantidad de cera en el chip de montaje y se aplica voltaje a la TEC para fundir la cera.
2. Colocar el chip en la cera derretida, asegurándose de que quede plano en el monte.
3. Elimina la tensión de la TEC y permitir que el montaje y el chip para enfriar lentamente.
4. Adjuntar cada una de las fibras empalmadas a una fibra de ranura en V con la cinta de poliimida y montar una sola ranura en V para cada una de las etapas de 3 ejes utilizando el hardware de montaje suministrado por el fabricante.
5. acoplamiento del borde de la fibra.
   1. Conectar las tres fibras a sus respectivos componentes: uno a la salida óptica del láser y los otros dos a medidores de potencia óptica.
   2. Ajustar el microscopio de manera que se centra en el chip, donde las guías de ondas alcanzan el borde.
   3. Posición de las fibras cerca del borde de chip de modo que estén en la vista de la cámara visible y ajustar sus alturas manera que el núcleo de cada fibra está en el foco.
   4. Ajuste el posicionamiento horizontal de las fibras con el micromete etapars para que se alinean con las guías de onda.
   5. A su vez en la salida óptica del láser y ajustar las posiciones del micrómetro horizontal y vertical de la fibra de entrada hasta que la luz es el acoplamiento en la guía de ondas. Esto se mostrará en la cámara de infrarrojos como la dispersión a lo largo de la guía de onda de entrada.
   6. Tune la longitud de onda del láser a un punto donde el resonador de micro anillo se ilumina en la cámara. Esto indica que la condición de resonancia está siendo satisfecha y que la luz está llegando a las guías de onda de salida.
   7. Ajuste las posiciones micrómetro horizontal y vertical de las fibras de salida hasta que haya una cantidad medible de luz que se extiende desde las guías de ondas a los medidores de potencia.
   8. Maximizar el poder de ambos detectores mediante la manipulación de las posiciones micrómetro horizontal y vertical de las tres fibras.
   9. maximizar aún más el poder de los detectores al hacer ajustes finos a las posiciones de fibra horizontal y vertical usando el controll piezoERS.
   10. Usa los controladores piezoeléctricos para mover las fibras ligeramente más cerca de la viruta. Asegúrese de no utilizar los micrómetros para empujar las fibras sobre el chip, ya que al hacerlo es probable que dañe los extremos cortados de las fibras.
   11. Repetir los pasos 3.5.9 y 3.5.10 hasta que las fibras están firmemente presionados contra los lados del chip.
       NOTA: El exceso de luz dispersa de las guías de onda, junto con la mala transmisión de guía de ondas, puede ser una indicación de los defectos de la guía de onda. Estos pueden incluir, pero no están limitados a, sitios de materiales de defectos, límites de costura, y la rugosidad de la guía de ondas excesiva.
6. Colocar un controlador de polarización basado en fibra entre el láser y el chip. Esto permite un control del estado de polarización que hace que sea al chip. Las guías de ondas, siendo más anchos que altos, ayuda a reducir al mínimo cualquier rotación de la polarización en el chip.
7. caracterización de la dispersión.
   1. Sintonizar la polarización de la salida del láser para maximizar el acoplamiento de el chip. Este dispositivo fue diseñado para transversal-eléctrico de polarización (TE) y, como tal, el (TM) de polarización transversal magnético tiene una pérdida mucho mayor.
   2. Analiza un láser sintonizable en el rango de longitud de onda de interés (1.510 nm a 1.600 nm en este caso) y controlar los medidores de potencia. Cualquier artefactos en los espectros de transmisión son probablemente debido a una combinación de la componente TM de la polarización y etalón efectos de la interfaz de chip de fibra.
   3. Localizar las longitudes de onda resonantes en el espectro y también extraer el ancho de banda de cada resonancia. Este chip particular tenía anchos de banda tan pequeñas como 65 pm, lo cual se traduce en factores de calidad (Q) de hasta 23.000.
   4. Determinar la gama libre espectral (FSR), la separación entre las resonancias, para cada par adyacente de resonancias. Este dispositivo en particular tenía una FSR de ~ 5 nm.
   5. Calcular el índice de grupo (n _g) del modo de guiado para cada valor de la FSR utilizando la siguiente ecuación:
      n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
      donde λ es la longitud de onda y r es el radio del resonador micro-ring. La ecuación anterior es una aproximación de primer orden del índice de grupo.
   6. Utilice el ancho de banda de cada resonancia para determinar una anchura (Delta n _g) asociada con cada valor del índice de grupo.
   7. Elija las longitudes de onda para los dos láseres de bombeo de tal manera que coincida con las resonancias en el espectro y tienen un número impar de resonancias entre ellos (Figura 1C).
   8. Determinar la longitud de onda de los degenerados bi-fotones utilizando la siguiente ecuación:
      
      donde λ _{bomba 1} y λ _{bomba 2} son las longitudes de onda de los fotones de bombeo.
   9. Añadir una línea horizontal en la trama de índice de grupo frente a longitud de onda que se extiende entre las dos longitudes de onda de la bomba (Figura 3). Si es posible que el line para sentarse dentro de n _g ± Δ n _g en las tres longitudes de onda de interés al mismo tiempo, la condición de coincidencia de fases está satisfecho y fotones puede generarse a través SFWM. Si no es posible, trate de la elección de las longitudes de onda de bombeo que están más cerca juntos y puedes volver a intentarlo.
8. Añadir una segunda fuente de láser sintonizable y controlador de polarización a la configuración y combinar las salidas ópticas de los dos láseres con un combinador de fibra de 1 x 2.
9. Añadir una serie de filtros de muesca basado en fibra (suficiente de ellos lograr ~ 120 dB de atenuación) inmediatamente antes del chip.
   NOTA: Los filtros permiten ambas longitudes de onda de la bomba pasen pero rechazan la longitud de onda bi-fotón. Ellos ayudan a eliminar el exceso de ruido (es decir, de banda ancha dispersión Raman en la fibra óptica) antes del acoplamiento al chip. El espectro de filtro se muestra en la Figura 1B.
10. Añadir una serie de filtros de paso de banda basados ​​en fibra (lo suficiente de ellos para lograr ~ 150 dB de atenuación)inmediatamente después de la chip.
    NOTA: Los filtros deben ser lo suficientemente amplia como para permitir que los bi-fotones pasen pero lo suficientemente estrecha como para rechazar los fotones de bombeo. Se necesitan dos conjuntos de estos, un juego para cada salida. El espectro de filtro se muestra en la Figura 1B.
11. Enviar los fotones rechazados de cada conjunto de filtros para separar los medidores de potencia.
    NOTA: Estos medidores de potencia se utilizan para controlar el acoplamiento óptico al chip y también pueden ser utilizados para determinar si los láseres de bombeo están quedando en resonancia.
12. Conectar la salida óptica individuales de cada conjunto de filtros a base de fibra a un solo detector de fotones (SPD) y conectar ambas salidas de señales eléctricas procedentes de los SPD a un correlador coincidencia.
13. Cruzar un par de sondas de tungsteno y fijar la punta hacia abajo en una de las patas en espiral (~ 1 mm de longitud) de la MZI.
14. Conectar una fuente de alimentación a las dos sondas cruzados de tal manera que generan calor cuando se aplica voltaje. Esto actuará como el desfasador para tMZI él.
    NOTA: Véase la discusión para una descripción del método más estandarizado para la sintonización térmica de los dispositivos fotónicos.

4. La medición de interferencia de dos fotones

1. Tune tanto de los láseres de bombeo a las longitudes de onda elegidas. Utilice los medidores de potencia que están supervisando los fotones de bombeo rechazados para asegurar que ambos láseres están sintonizados con las resonancias. Cuando los láseres están correctamente ajustados para las resonancias deseados, se maximizará la señal desechado para los filtros.
2. Ajuste la salida de potencia óptica de cada láser a -3 dBm.
   NOTA: Esto resultará en <100 mW en el chip. Es importante mantener la potencia de la bomba esta baja con el fin de minimizar la pérdida (de absorción multi-fotón y libre de portador de absorción) y mantener la estabilidad (por minimizar los cambios térmicos inducidos por la luz). uniones PN se pueden usar para eliminar los portadores de la guía de ondas para acomodar mejor más altas potencias de bombeo.
3. Monitorizar los recuentos de coincidencia (Sincronizaciónnous individuales a través de dos puertos) mediante la integración de más de ~ 220 ps sobre el pico de los datos. Un tiempo de integración suficiente ha pasado cuando un mínimo de 100 recuentos de coincidencia se han recogido.
   Nota: La ventana de integración debe ser lo suficientemente amplia para tener en cuenta la fluctuación temporal del SPD.
4. Establecer la fuente de alimentación para el desfasador a la tensión inicial (por ejemplo, 0 V).
5. Explorar uno de los láseres sintonizables en toda la gama de longitud de onda y el uso de los medidores de potencia que están recogiendo los fotones de bombeo rechazados para confirmar la ubicación de las resonancias de interés. Establecer los láseres de bombeo a las longitudes de onda correspondientes a las resonancias deseados.
   Nota: Es importante realizar este paso cada vez que la tensión de desplazamiento de fase se cambia como la sintonización térmica puede dar lugar a pequeños cambios en las longitudes de onda resonantes.
6. Recoger los datos resultantes (recuento de fotón único, así como los recuentos de coincidencia) desde el correlador coincidencia para el elegido previamentetiempo de integración. Aquí, un tiempo de integración de 90 s fue elegido con una resolución de tiempo de 32 ps.
7. Aumentar la tensión aplicada al desfasador por 5 mV.
8. Repetir los pasos 4.4 a 4.6 hasta que los datos se han recogido para el intervalo deseado de tensiones.
   NOTA: La tensión máxima se limita a 2,4 V debido a la rápida degradación de las sondas por encima de este voltaje.
9. Incorporar los picos de coincidencia para cada tensión de alimentación sobre ~ 220 ps para determinar el número total de coincidencias (Figura 4).
10. Integrar más de 320 ns de distancia desde el pico de coincidencia para obtener las coincidencias accidentales. Utilice este resultado para calcular el número de alteraciones en el pico de coincidencia.
11. Montar los individuales recuentos de cada detector con la siguiente función sinusoidal modificada:
    
    donde A, B, C, D, E, y F son los parámetros de ajuste. Este ajuste es necesario debido a la no lineal RELACIÓNIP entre el voltaje y el cambio térmica inducida (fase relativa).
12. Convertir la variable independiente a la fase relativa de los tres conjuntos de datos (los sencillos cuenta desde cada detector y los recuentos de coincidencia) con la siguiente ecuación:
    
    donde B, C, D, y E son los parámetros de ajuste de la etapa 4.11. Esta conversión es posible debido a la conocida función de transferencia sinusoidal de un MZI ^12.
13. Ajustar los datos de coincidencia (con la fase relativa como la variable independiente) con la siguiente función seno:
    
    donde A y B son los parámetros de ajuste.
14. Calcular la visibilidad de cada patrón de interferencia con la siguiente ecuación:
    
    donde ƒ (θ) _max y ƒ ( min son los valores máximo y mínimo de ƒ (θ), respectivamente. A visibilidad de 1 corresponde a un patrón de interferencia perfecto.

Resultados

recuentos de fotones individuales de cada detector, así como los recuentos de coincidencia, se recogieron como la fase relativa entre los dos caminos estaba sintonizada. Los recuentos individuales (figura 5A) muestran el patrón de interferencia clásica de un MZI con visibilidades de 94,5 ± 1,6% y 94,9 ± 0,9%. Las mediciones de coincidencia (Figura 5B) muestran la interferencia cuántica del estado entrelazado, como es evidente por la oscilación al doble d...

Discusión

Hay varios desafíos para el campo de la fotónica integrados superar a fin de que los sistemas complejos y escalables de dispositivos fotónicos a ser factible. Estos incluyen, pero no se limitan a: estrechas tolerancias de fabricación, aislamiento a partir de inestabilidades ambientales, y la minimización de todas las formas de pérdida. Hay pasos críticos en el protocolo anterior que ayudan a minimizar la pérdida de dispositivos fotónicos.

Uno de los requisitos más importantes en minimizar la...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Platina de flexión NanoMax de 3 ejes	Thorlabs	MAX312D	Precision Etapas de 3 ejes
Herramienta de pelado de fibra de tres orificios	Herramienta de extracción de búfer	Thorlabs	FTS4
Controlador piezoeléctrico de tres canales	Thorlabs	MDT693B	Controladores piezoeléctricos para etapas NanoMax
Controlador de polarización de fibra Thorlabs		FPC562	Polarización basada en fibra de 3 paletas controlador
cortadora	de fibra Thorlabs	XL411	Cuchilla
de fibra Soporte de fibra con ranura en V estándar	Thorlabs	HFV001	Soporte de fibra con ranura
en V estándar Thorlabs		HFV002	Montaje cónico con ranura en V
Placa superior en ángulo recto para NanoMax Stage	Thorlabs	AMA011	soporte de ángulo
recto 50:50 Fibra óptica Acoplador	Thorlabs	TW1550R5F1	50/50
combinador Empalmadora de fusión de fibra óptica	Fujikura	FSM-40S	Empalmadora de fusión
Sistema de pulido MultiPrep - 8"	Allied High Tech	15-2100	Pulidora de virutas
GreenLube Allied	High Tech	90-209010	Lubricante de pulido
Paleta de sección transversal con borde de referencia	Allied High Tech	15-1010-RE	Montaje de pulido
Sistema de medición de ondas de luz	Keysight	8164B	Mainframe para láser sintonizable
Fuente láser sintonizable	Keysight	81606A	sintonizable
	Keysight	81634B	Medidor de potencia
NIR Detector de fotón único ID	Quantique	ID210	Detectores de
fotón únicoDetector de fotón único NIR	ID Quantique	ID230	Detectores de fotón único de bajo ruido y funcionamiento libre
PicoHarp	PicoQuant	PicoHarp 300	Conteo de fotón único correlacionado en el tiempo
Cámara WiDy SWIR InGaAs Cámara	NIT	640U-S	IR
WDM Filtro de paso de banda	JDS Unifásico	30055053-368-2.2 Filtros de	limpieza de bomba
WDM Filtro	de paso de banda WDMFiltros de rechazo de bomba JDS Uniphase	1011787-012
Fibra de apertura numérica ultra alta	Nufern	UHNA-7
fibra ultra óptica monomodo	Corning	SMF-28	fibra monomodo estándar