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

El objetivo general de este procedimiento es caracterizar una fuente de par de fotones fotónicos integrados mediante la medición de la interferencia cuántica. Este método puede ayudar a responder preguntas clave relacionadas con la fotónica cuántica integrada, incluida la forma de realizar fuentes a escala de chip de fotones correlacionados e integrarlos en circuitos fotónicos cuánticos integrados. La principal ventaja de esta técnica es que se puede aplicar a una amplia variedad de circuitos fotónicos cuánticos integrados.

En el corazón del experimento se encuentra el chip fotónico. Este chip mide aproximadamente cinco milímetros de lado y se fabrica utilizando técnicas estándar. Esta imagen del chip revela sus componentes.

Hay un circuito de bomba, que incluye la guía de onda de entrada, un resonador de anillo, en el que los fotones se propagarán tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario a las agujas del reloj, y un interferómetro de Mach-Zehnder, que es seguido por guías de onda de salida. Los cables metálicos permiten el calentamiento en el chip, lo que resulta en un cambio de fase en el interferómetro. Para preparar el chip para su uso en el circuito, pulo con un pulidor de chips.

Primero use el pulidor para nivelar la viruta y hacer que todas las facetas sean ortogonales. Pula la viruta con una almohadilla de lapeado de tres micras, en pasos de unas 50 micras, hasta que estén a unas 100 micras del final de las marcas de pulido. Después de cada 50 micras, inspeccione el chip para determinar la distancia restante.

Cuando queden unas 100 micras, cambie a una almohadilla de lapeado de una micra. Continúe puliendo el chip y monitoreando el progreso. Cuando queden unas 20 micras, cambie a una almohadilla de 0,5 micras.

Pula aún más la viruta, hasta que esté a menos de 15 micras del final de las marcas de pulido. A 15 micras, cambie la almohadilla de lapeado por una con una rugosidad de 0,1 micras. Use esta almohadilla para pulir el chip hasta que solo queden 10 micras de las marcas de pulido.

El último paso de pulido, con una almohadilla de lapeado de 0,1 micras, garantiza una faceta lisa. Retire el chip antes de limpiarlo y guardarlo para su uso posterior. Reúna el equipo necesario para preparar las fibras ópticas.

Esto incluye un separador de fibra, una cortadora de fibra, un empalmador de fusión y un horno de manga. Trabaje con los tres cables flexibles de fibra monomodo y aproximadamente 20 a 30 centímetros de fibra de apertura numérica ultra alta para cada uno. Para preparar un cable flexible, use el pelador de fibra para eliminar cualquier tampón o codificación de su extremo.

Haga lo mismo con un extremo de la longitud de la fibra de apertura numérica ultra alta. Después de limpiar las fibras, use la cuchilla de fibra para prepararlas para el empalme por fusión. A continuación, mueva las fibras a la empalmadora.

Coloque las fibras en su posición y alinee correctamente los extremos cortados. Introduzca los parámetros adecuados y realice el empalme. Cuando termine, retire las fibras empalmadas e inspecciónelo.

Si el empalme es aceptable, deslice una funda protectora sobre el sitio del empalme. A continuación, coloque el empalme cubierto de manguito en el horno de manguito para asegurarlo permanentemente a la fibra. A continuación, produce tres fibras empalmadas para su uso en el experimento.

El experimento se lleva a cabo en un banco óptico. En el banco hay tres etapas de traslación de tres ejes con controladores piezoeléctricos. Están colocados para permitir el acceso a las guías de onda del chip.

Las etapas de traslación rodean el chip óptico que ya ha sido montado sobre un pedestal de cobre. El pedestal está en contacto con el enfriador termoeléctrico. Cada etapa de traducción tiene una de las fibras preparadas en una ranura en V y unida con cinta de poliimida.

La región con el chip se puede ver usando un microscopio, que está equipado con cámaras visibles e infrarrojas. En este punto, las fibras se pueden conectar a los instrumentos del experimento. Conecte la entrada del chip a la salida óptica de una fuente láser sintonizable a través de un controlador de polarización.

Conecte cada salida del chip a un medidor de potencia óptica. Ahora, ajuste la posición del microscopio para trabajar con el chip. Enfoque el microscopio donde las guías de onda alcanzan el borde del chip y utilice las etapas de traslación para colocar las fibras cerca del borde del chip.

Lleve las fibras a la vista de la cámara visible y ajuste sus alturas, de modo que el núcleo de cada fibra esté enfocado. Antes de continuar, asegúrese de que la posición horizontal de cada fibra se alinee con su guía de onda. Encienda la salida óptica del láser y ajuste la posición de la fibra de entrada hasta que la luz se acople a la guía de onda.

En la cámara infrarroja, esto aparecerá como dispersión a lo largo de la guía de onda de entrada. A continuación, ajuste la longitud de onda del láser para que el resonador de microanillo se ilumine en la cámara infrarroja. Esto indica que se ha cumplido la condición de resonancia.

Continúe manipulando las posiciones de la fibra con los micrómetros, para maximizar la potencia de salida medida por los medidores de potencia. Ajuste con precisión las posiciones de las fibras y acerque cada fibra un poco más al chip, utilizando los controladores de etapa piezoeléctrica. Itere entre el ajuste fino de todos los acoplamientos de fibra y el acercamiento de todas las fibras al chip.

El objetivo es que las fibras se presionen firmemente contra los lados del chip, con la potencia medida maximizada. El siguiente paso es caracterizar la dispersión. Comience la caracterización ajustando el controlador de polarización para maximizar la lectura de potencia en los medidores de potencia.

Ahora, escanee el láser sintonizable en el rango de longitud de onda de interés para encontrar el espectro de transmisión. Extraiga el ancho de banda de cada resonancia y utilice la información para encontrar los índices de grupo y las incertidumbres correspondientes. A continuación, identifique las longitudes de onda de los dos láseres de bombeo encontrando dos resonancias que tengan un número impar de resonancias entre ellas.

El conocimiento de estas longitudes de onda permite la determinación de la longitud de onda bifotónica. Para probar si estas tres longitudes de onda son consistentes con la mezcla espontánea de cuatro ondas, trace el índice de grupo frente a la longitud de onda. En este caso, los puntos azules son los índices del grupo.

El sombreado rojo corresponde a la incertidumbre de los índices de grupo, como resultado del ancho de banda de cada resonancia. La línea horizontal verde se extiende entre las longitudes de onda del láser de la bomba candidata. Dado que la línea está completamente dentro de la región sombreada, la bomba y las longitudes de onda bifotónicas se pueden usar para el experimento.

Una vez que se hayan determinado las longitudes de onda de la sonda, cree la configuración final del experimento. Tiene dos fuentes láser sintonizables, una para cada una de las longitudes de onda del láser de la bomba. Cada una de las salidas láser va a controladores de polarización separados.

A partir de ahí, las dos salidas láser se combinan en un combinador de fibra. Al lado hay una serie de filtros de muesca a base de fibra. Estos filtros permiten el paso de las longitudes de onda de la bomba, pero logran aproximadamente 120 decibelios de atenuación de la longitud de onda bifotónica.

La salida de este filtro entra en el chip fotónico. En cada salida, después del chip, hay una serie de filtros de paso de banda. Estos filtros atenúan las longitudes de onda de la bomba en unos 150 decibelios, pero pasan las longitudes de onda bifotónicas.

Los fotones rechazados de cada conjunto de filtros se envían a un medidor de potencia dedicado. La salida de cada uno de los filtros basados en fibra va a un detector de fotón único dedicado. Cada uno de los detectores de fotones individuales proporciona entrada a un correlacionador de coincidencia.

El desfasador para el interferómetro Mach-Zehnder es un calentador resistivo en chip. Conecte un controlador de corriente controlado por computadora a las almohadillas de contacto del chip para generar calor cuando se establece el voltaje. Para dos mediciones de interferencia de fotones, comience con los láseres de bombeo en las longitudes de onda elegidas.

Supervise los medidores de potencia para asegurarse de que cada láser esté ajustado a su resonancia y que la potencia se maximice. A continuación, supervise los recuentos de coincidencias en el correlacionador. Como se indica en esta figura, encuentre el pico de los datos e intégrelos en una ventana de aproximadamente 220 picosegundos, centrados en ellos.

Realice un seguimiento de los recuentos de coincidencias hasta que haya un total de al menos 100. Esto indica que ha pasado un tiempo de integración suficiente. Ahora, diríjase a la computadora para configurar el control de voltaje para el desfasador a cero voltios.

Una vez que se establece el cambio de fase, vaya a uno de los láseres sintonizables y escanee todo el rango de longitud de onda. Utilice los medidores de potencia para los fotones de la bomba rechazados para identificar la ubicación de las resonancias previamente seleccionadas que pueden haberse desviado. Ajuste los láseres de la bomba para que coincidan con las resonancias elegidas previamente.

Es importante seguir las resonancias elegidas a lo largo del tiempo, en lugar de las longitudes de onda. se calienta, el anillo también se calienta, pero de manera mucho menos eficiente. Esto cambia las resonancias a longitudes de onda más largas.

Recopile los datos resultantes del correlacionador de tiempo utilizando el tiempo de integración elegido previamente. Esto incluye el número de fotones contados por cada detector en los recuentos de coincidencia. Después de recopilar los datos, ajuste el control de voltaje del desfasador e incremente en cinco milivoltios.

Repita el escaneo del láser y la recopilación de datos de conteo hasta que se cubra el rango deseado de voltajes. Estos patrones clásicos de interferencia de luz se obtuvieron utilizando la configuración de prueba mediante la recopilación de recuentos de fotones individuales en función de la fase relativa entre los dos caminos. Además de los datos medidos, representados por círculos y diamantes, las líneas continuas se ajustan a los datos.

Los números representan la visibilidad calculada. Las mediciones de correlación de coincidencia muestran la interferencia cuántica de los fotones entrelazados. Tenga en cuenta que la oscilación es el doble de la frecuencia del patrón clásico.

La curva naranja proviene de una prueba de origen de fotones que requiere que se generen fotones entrelazados en una longitud de onda no soportada por el anillo. Demuestra que las coincidencias se deben a fotones generados en el anillo. Estos datos provienen de seis experimentos en los que los pares de resonancia son simétricos en frecuencia, alrededor de la residencia bifotónica deseada.

Cada conjunto de datos muestra un período de la mitad del de la fase relativa. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en 10 a 15 horas, si se realiza correctamente. El tiempo total está determinado principalmente por la resolución del incremento de voltaje del desfasador y el tiempo de integración asociado de cada medición de coincidencia bifotónica.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que debe tomarse su tiempo mientras optimiza los acoplamientos del chip. Si no se hace correctamente, es posible que las fibras no sean estables durante las mediciones. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo preparar y probar fuentes de fotones fotónicos integrados.