Mesure de l'interférence quantique dans un anneau de silicium Résonateur Photon Source

Résumé

Silicon puces photoniques ont le potentiel de réaliser des systèmes quantiques complexes intégrés. Présenté ici est un procédé pour préparer et tester une puce photonique de silicium pour la mesure quantique.

Résumé

Silicon puces photoniques ont le potentiel pour réaliser des circuits de traitement de l'information quantiques intégrés complexes, y compris des sources de photons, la manipulation de qubits, et des détecteurs de photon unique intégrée. Nous présentons ici les principaux aspects de la préparation et de tester une puce quantique photonique en silicium avec une source de photons intégré et interféromètre à deux photons. L'aspect le plus important d'un circuit quantique intégré minimise la perte de sorte que tous les photons générés sont détectés avec la plus grande fidélité possible. Ici, nous décrivons comment effectuer le couplage de bord à faible perte à l'aide d'une fibre à ouverture numérique ultra-haute pour correspondre étroitement au mode de guides d'ondes en silicium. En utilisant une recette de raccordement par fusion optimisée, la fibre de Uhna est parfaitement interfacé avec une fibre standard monomode. Ce couplage faible perte permet la mesure de la production de photons de haute fidélité dans un résonateur en anneau de silicium intégré et l'interférence à deux photons ultérieure du produit photons dans un interféromètre de Mach-Zehnder étroitement intégré. Cet article décrit les procédures essentielles pour la préparation et la caractérisation de haute performance et évolutives quantiques de silicium circuits photoniques.

Introduction

Le silicium est très prometteur en tant que plate - forme de la photonique pour le traitement de l' information quantique ^{1, 2, 3, 4, 5.} L'un des éléments essentiels des circuits photoniques quantiques est la source de photons. Photon sources paires ont été développés à partir de silicium sous la forme de résonateurs micro-anneau fait par l' intermédiaire d' un troisième processus d'ordre non linéaire, mélange à quatre ondes spontanée (SFWM) ^{6, 7, 8.} Ces sources sont capables de produire des paires de photons indiscernables, qui sont idéales pour des expériences impliquant l' enchevêtrement des photons ^9.

Il est important de noter que les sources de résonateur annulaire peuvent fonctionner à la fois dans le sens horaire et la propagation dans le sens antihoraire, et les deux directions de propagation différentes sont gènerallier indépendants les uns des autres. Cela permet à un seul anneau de fonctionner comme deux sources. Lorsque pompé optiquement à partir des deux directions, ces sources génèrent l'état enchevêtré suivantes:

où et sont les opérateurs de création indépendants pour bi-photons clockwise- et anti-propagation, respectivement. Ceci est une forme très souhaitable d'état enchevêtré connu comme un état de N00N (N = 2) ^10.

Passe cet état au moyen d'un interféromètre de Mach-Zehnder sur la puce (MZI) résulte en l'état:

Cet état oscille entre une coïncidence maximale et zéro coïncidence deux foisla fréquence d'interférence classique dans un MZI, doublant ainsi la sensibilité de l'interféromètre ^10. Nous présentons ici la procédure utilisée pour tester une telle source de photons intégrée et le dispositif IMZ.

Protocole

NOTE: Ce protocole suppose que la puce photonique a déjà été fabriqué. La puce décrit ici (illustré à la figure 1A) a été fabriqué à l'Université Cornell Nanoscale Science & Technology Facility en utilisant des techniques de traitement standard pour les dispositifs photoniques de silicium ^11. Ceux-ci comprennent l'utilisation de plaques de silicium sur isolant (composé d'une couche de silicium nm d'épaisseur 220, une couche de 3 pm de dioxyde de silicium, et un substrat de silicium 525 pm d'épaisseur), la lithographie par faisceau d'électrons pour définir les guides d'onde de bande (500 nm à l'échelle), et le dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma du revêtement de dioxyde de silicium (~ 3 pm d'épaisseur). Les résonateurs micro-anneaux ont été conçus avec un rayon interne de 18,5 um et un écart guide d'ondes à anneau de 150 nm. Les chiffres de mérite pour cet appareil comprennent la perte, le facteur de qualité, la gamme spectrale libre, et la dispersion.

1. Préparation Photonic Chip

1. Placer une petite Amount de la cire sur un support et la chaleur de polissage en coupe sectionnant à ~ 130 ° C.
   REMARQUE: La quantité de cire à utiliser dépend de la taille de l'échantillon étant monté. Il doit y avoir assez de cire pour maintenir la puce immobile, alors que trop se traduira par la cire sur les facettes de la puce.
2. Placer la puce photonique sur la partie de la monture de polissage à la cire. Assurez-vous que la cire est fondue complètement de sorte que la puce est à plat contre le support. Utiliser des pinces en plastique lors de la manipulation de la puce pour éviter d'endommager les facettes.
3. Laisser refroidir le support dans l'air ambiant de telle sorte que la solidification de la cire. Refroidissement plus rapide que cela peut entraîner des dommages à la puce.
4. Polir les facettes de la puce.
   NOTE: Il est important de choisir le tampon de rodage correct en commençant par un tampon qui est trop agressif peut entraîner le polissage plus d'de la puce que souhaité.
   1. Fixez le polissage de montage à la polisseuse et polir pour seulement quelques secondes. Un tampon avec une rugosité de 3 pm a montré queun bon point de départ pour les puces de silicium avec une longueur de facette de ~ 1 cm.
   2. Retirez le support de polissage et d'inspecter la facette de la puce pour déterminer le niveau de la puce est montée.
      REMARQUE: Un microscope est utile pour mesurer la distance entre les extrémités des guides d'ondes et la facette de la puce. Ces mesures permettent de l'angle entre la facette et le guide d'ondes à déterminer.
   3. Effectuez les ajustements nécessaires aux micromètres sur la polisseuse afin d'améliorer la mise à niveau de la puce.
   4. Répéter les étapes 1.4.1-1.4.3 jusqu'à ce que la facette de la puce et les guides d'onde sont dans un rayon de 0,15 ° étant orthogonal à l'autre.
   5. Polonais la puce étapes consistant à ~ 50 um, l'inspection de la puce entre chaque étape pour surveiller la distance restant, jusqu'à ce qu'il soit ~ 100 um de gauche à polir. Si à tout moment le revêtement semble être délamination de la surface, en sorte que le tampon est en rotation de manière à polir à partir du sommet de la puce vers le bas.
      REMARQUE: Il peut également aider à utiliser un lubrifiant de polissage au lieu de l'eau. Cette délamination est un résultat d'un stress dans la gaine et est une indication que le processus de fabrication doit être optimisé.
   6. Passer à un tampon de rodage de 1 um et de polissage jusqu'à ce que ~ 20 um restants.
   7. Changer à une plage de 0,5 um et continuer à polir pour une autre 15 um.
   8. Utiliser un tampon de 0,1 um pour la 5 um finale pour assurer une facette lisse. Images de microscope de la facette d'une puce photonique de silicium avant et après le polissage sont représentés sur la figure 2.
5. Chauffer le support avec la puce fixée à ~ 130 ° C pour permettre à la cire à l'état fondu.
6. Une fois que la cire est complètement fondue, retirez la puce de la montagne et le laisser refroidir lentement.
7. Nettoyer toute la cire restante de la puce en utilisant l'acétone, l'isopropanol et l'eau.

2. Préparation de la fibre Couettes

1. Bande quelconque fr tampon ou le revêtementom l'extrémité d'une fibre monomode (SMF) et amorce d'une extrémité d'une ouverture numérique ultra-haute (Uhna) fibre.
2. Nettoyer les extrémités dénudées des fibres avec un mélange d'acétone et de methanol.
3. Cliver les extrémités dénudées des deux fibres avec un hachoir de fibres commerciales.
4. Fusion épisser l'extrémité clivée des fibres. Une recette pour l' épissage à la fibre SMF Uhna est représentée dans le tableau 1.
5. Faire glisser un manchon de protection au-dessus de l'épissure et le placer dans le four de manchon pour fixer de façon permanente à la fibre.
6. Répéter les étapes 2.1 à 2.5 pour préparer un total de trois fibres.

3. Configuration du programme d'installation d'essai

REMARQUE: Un schéma de la configuration de test est illustré à la figure 1B. Le montage de la puce est un socle de cuivre qui est en contact avec un refroidisseur thermo-électrique (TEC). Il y a un microscope équipé avec les deux caméras visible et infrarouge (IR) pour visualiser la puce photoniques.

1. Endroitune petite quantité de cire sur la puce de montage et d'appliquer une tension à la TEC pour faire fondre la cire.
2. Placez la puce sur la cire fondue, assurant qu'il est assis à plat sur la montagne.
3. Retirer la tension du TEC et de permettre le support et la puce refroidir lentement.
4. Attacher chacune des fibres épissées à une fibre rainure en V avec un ruban de polyimide et monter une seule rainure en V à chacune des étapes 3 axes à l'aide du matériel de montage fourni par le fabricant.
5. couplage de bord de fibre.
   1. Raccorder les trois fibres à leurs composants respectifs: une à la sortie optique du laser et les deux autres aux compteurs de puissance optique.
   2. Ajuster le microscope de sorte qu'il est focalisé sur la puce où les guides d'ondes atteignent le bord.
   3. Positionner les fibres proches du bord de la puce de sorte qu'ils soient dans la vue de la caméra visible et d'ajuster leur hauteur de telle sorte que le noyau de chaque fibre est mise au point.
   4. Ajuster le positionnement horizontal des fibres à l'étape de micrometers de sorte qu'ils soient alignés avec les guides d'ondes.
   5. Activer la sortie optique du laser et de régler les positions micrométriques horizontaux et verticaux de la fibre d'entrée jusqu'à ce que la lumière est couplage dans le guide d'ondes. Cela apparaîtra sur la caméra infrarouge comme diffusion le long du guide d'entrée.
   6. Tune la longueur d'onde du laser à un point où le résonateur micro-anneau est allumé sur l'appareil. Ceci indique que la condition de résonance est remplie et que la lumière atteint les guides d'ondes de sortie.
   7. Ajuster les positions micrométriques horizontales et verticales des fibres de sortie jusqu'à ce qu'une quantité mesurable de lumière partant des guides d'ondes aux compteurs d'électricité.
   8. Maximiser la puissance de deux détecteurs en manipulant les positions micrométriques horizontales et verticales des trois fibres.
   9. En outre maximiser la puissance des détecteurs en faisant des réglages fins de la position des fibres horizontales et verticales à l'aide du controll piézoers.
   10. Utilisez les contrôleurs piézo pour déplacer les fibres légèrement plus près de la puce. Assurez-vous de ne pas utiliser les micromètres pour pousser les fibres sur la puce, car cela endommagerait probablement les extrémités clivées des fibres.
   11. Répéter les étapes 3.5.9 et 3.5.10 jusqu'à ce que les fibres sont fermement pressées contre les côtés de la puce.
       REMARQUE: la lumière diffusée excessive des guides d'ondes, couplé à une mauvaise transmission de guide d'onde, peut être une indication de défauts de guide d'ondes. Ceux-ci peuvent inclure, sans toutefois s'y limiter, les sites de défauts matériels, les limites de couture, et la rugosité de guide d'ondes excessive.
6. Placer un contrôleur de polarisation à base de fibres entre le laser et la puce. Ceci permet un contrôle de l'état de polarisation qui le rend à la puce. Les guides d'onde, étant plus larges que hautes, aide à minimiser toute rotation de polarisation sur la puce.
7. la caractérisation Dispersion.
   1. Tune la polarisation de la sortie laser pour optimiser le couplage à la puce. Ce dispositif a été conçu pour la polarisation transversale électrique (TE) et, en tant que telle, la polarisation transversale magnétique (TM) présente une perte beaucoup plus élevé.
   2. Numériser un laser accordable sur la gamme de longueurs d'onde d'intérêt (1510 nm à 1600 de nm dans ce cas) et de surveiller les compteurs d'énergie. Tous les artefacts dans les spectres de transmission sont probablement dues à une combinaison de la composante TM de la polarisation et les effets étalons provenant de l'interface de la puce de la fibre.
   3. Localiser les longueurs d'onde de résonance dans le spectre et extraire également la largeur de bande de chaque résonance. Cette puce particulière avait des bandes passantes aussi petites que 65 heures, ce qui se traduit par des facteurs de qualité (Q) jusqu'à 23000.
   4. Déterminer la plage spectrale libre (FSR), la séparation entre les résonances, pour chaque paire adjacente de résonances. Ce dispositif particulier avait une FSR de ~ 5 nm.
   5. Calculer l'indice de groupe (n _g) du mode guidé pour chaque valeur de la FSR en utilisant l'équation suivante:
      n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
      où λ est la longueur d'onde et r est le rayon du résonateur micro-anneau. L'équation ci-dessus est une approximation de premier ordre de l'indice de groupe.
   6. Utiliser la largeur de bande de chaque résonance pour déterminer une largeur (An _g) associé à chaque valeur de l'indice de groupe.
   7. Choisir les longueurs d' onde des deux lasers de pompage de telle sorte qu'ils coïncident avec les résonances dans le spectre et ont un nombre impair de résonances entre eux (Figure 1C).
   8. Déterminer la longueur d'onde des photons dégénérées bi-utilisant l'équation suivante:
      
      où λ λ _{pompe 1} et _{pompe 2} sont les longueurs d'onde des photons de la pompe.
   9. Ajouter une ligne horizontale sur le tracé de l' indice de groupe par rapport à la longueur d' onde qui se prolonge entre les deux longueurs d' onde de pompe (figure 3). S'il est possible pour le line à siéger au sein n _g n _g ± Δ à tous les trois longueurs d' onde d'intérêt à la fois, la condition d'accord de phase est satisfaite et photons peut être généré via SFWM. S'il est impossible, essayez de choisir des longueurs d'onde de la pompe qui sont plus proches ensemble et vérifier à nouveau.
8. Ajouter une deuxième source laser accordable et le contrôleur de polarisation à la configuration et à combiner les sorties optiques des deux lasers avec un combineur de fibre 1 x 2.
9. Ajouter une série de filtres coupe-bande à base de fibres (assez les atteindre ~ 120 dB d'atténuation) immédiatement avant la puce.
   REMARQUE: Les filtres permettent aux deux longueurs d'onde de la pompe à passer, mais rejettent la longueur d'onde bi-photon. Ils aident à éliminer l' excès de bruit ( par exemple, diffusion de Raman à large bande dans la fibre optique) avant le couplage à la puce. Le spectre de filtre est représenté sur la figure 1B.
10. Ajouter une série de filtres passe-bande à base de fibres (suffisamment pour atteindre ~ 150 dB d'atténuation)immédiatement après la puce.
    REMARQUE: Les filtres doivent être suffisamment larges pour permettre aux bi-photons de passer, mais assez étroite pour rejeter les photons de la pompe. Deux ensembles de ceux-ci sont nécessaires, un pour chaque sortie. Le spectre de filtre est représenté sur la figure 1B.
11. Envoyez les photons rejetés de chaque série de filtres pour séparer wattmètres.
    NOTE: Ces compteurs de puissance sont utilisés pour surveiller le couplage optique à la puce et peuvent également être utilisés pour déterminer si les lasers de pompe sont en restant sur la résonance.
12. Connecter la sortie optique individuel à partir de chaque ensemble de filtres à base de fibres à un seul détecteur de photons (SPD) et relier les deux sorties de signaux électriques provenant des parafoudres à un corrélateur de coïncidence.
13. Centre une paire de sondes de tungstène et de fixer les extrémités vers le bas sur l'une des branches en spirale (~ 1 mm de longueur) de la MZI.
14. Raccorder une source d'alimentation pour les deux sondes croisées de telle sorte qu'ils génèrent de la chaleur lorsqu'une tension est appliquée. Ceci agira comme le déphaseur Til IMZ.
    NOTE: Voir la discussion pour une description de la méthode plus normalisée pour le réglage thermique des dispositifs photoniques.

4. Mesurer l'interférence à deux photons

1. Tune des deux lasers de pompage vers les longueurs d'onde choisies. Les compteurs de puissance qui surveillent les photons de pompe rejetés pour assurer que les deux lasers sont à l'écoute des résonances. Lorsque les lasers sont correctement réglés aux résonances souhaitées, le signal rejeté des filtres sera maximisée.
2. Régler la puissance optique de sortie de chaque laser à -3 dBm.
   NOTE: Cela se traduira par <100 mW à la puce. Il est important de garder la puissance de la pompe ce faible afin de minimiser les pertes (de l'absorption multi-photons et l'absorption sans support) et maintenir la stabilité (en minimisant les changements thermiques induits par la lumière). jonctions PN peuvent être utilisés pour enlever les supports du guide d'ondes afin de mieux répondre puissances de pompe plus élevées.
3. Surveiller la coïncidence compte (nage synchroniséecélibataires à travers deux ports NOUS) en intégrant sur ~ 220 ps sur le pic des données. Un temps d'intégration suffisante est passé lorsqu'un minimum de 100 coïncidence compte ont été recueillis.
   Remarque: La fenêtre d'intégration doit être suffisamment large pour tenir compte de la gigue temporelle des DOCUP.
4. Réglez l'alimentation du déphaseur à la tension initiale (par exemple 0 V).
5. Numériser un des lasers accordables sur toute la gamme de longueurs d'onde et en utilisant les compteurs d'énergie qui recueillent les photons de pompage rejetés pour confirmer l'emplacement des résonances d'intérêt. Régler les lasers de pompage vers les longueurs d'onde correspondant aux résonances désirées.
   Note: Il est important de compléter cette étape chaque fois que la tension de décalage de phase est modifiée comme le réglage thermique peut entraîner des petits changements dans les longueurs d'onde de résonance.
6. Récupérer les données résultantes (chiffres de photons uniques, ainsi que la coïncidence chiffres) du corrélateur de coïncidence de la choisi précédemmenttemps d'intégration. Ici, un temps d'intégration de 90 s a été choisi avec une résolution temporelle de 32 ps.
7. Augmenter la tension appliquée au déphaseur de 5 mV.
8. Répéter les étapes 4.4 à 4.6 jusqu'à ce que les données ont été recueillies pour la gamme de tensions désirée.
   NOTE: La tension maximale est limitée à 2,4 V en raison de la dégradation rapide des sondes au-dessus de cette tension.
9. Intégrer les pics de coïncidence pour chaque tension d'alimentation électrique sur ~ 220 ps pour déterminer le nombre total de coïncidences (figure 4).
10. Intégrer plus de 320 ns loin du pic de coïncidence pour obtenir les coïncidences accidentelles. Utilisez ce résultat pour calculer le nombre de dans le pic des altérations de coïncidence.
11. Monter les simples comptes de chaque détecteur avec la fonction sinusoïdale modifiée suivante:
    
    où A, B, C, D, E, et F sont les paramètres d'ajustement. Cette coupe est nécessaire en raison de la non-linéaire RELATIONIP entre la tension et le déplacement thermique induite (phase relative).
12. Convertir la variable indépendante à la phase relative pour les trois ensembles de données (les singles que les chiffres de chaque détecteur et la coïncidence compte) avec l'équation suivante:
    
    où B, C, D, et E sont des paramètres d'ajustement de l'étape 4.11. Cette conversion est possible grâce à la fonction de transfert sinusoïdale bien connu d'un MZI ^12.
13. Ajuster les données de coïncidence (avec la phase relative en tant que variable indépendante) avec la fonction sinus suivante:
    
    où A et B sont des paramètres d'ajustement.
14. Calculer la visibilité de chaque motif d'interférence avec l'équation suivante:
    
    où ƒ (θ) _max et ƒ ( min sont les valeurs maximales et minimales de ƒ (θ), respectivement. Une visibilité de 1 correspond à un motif d'interférence parfait.

Résultats

nombre de photons individuels de chaque détecteur, ainsi que la coïncidence compte, ont été recueillies dans la phase relative entre les deux voies a été accordé. Les chiffres individuels (Figure 5A) affiche le motif d'interférence classique à partir d' un MZI avec visibilités de 94,5 ± 1,6% et 94,9 ± 0,9%. Les mesures de coïncidence (figure 5B) montrent l'interférence quantique de l'état enchevêtré, comme on le voit par l'oscillation à deux fois la fréq...

Discussion

Il y a plusieurs défis pour le domaine de la photonique intégrée à surmonter pour des systèmes complexes et évolutifs des dispositifs photoniques réalisable. Ceux-ci comprennent, mais sans s'y limiter: les tolérances de fabrication serrées, l'isolement de l'environnement, et instabilités réduction de toutes les formes de perte. Il y a des étapes critiques dans le protocole ci-dessus qui aident à minimiser la perte de dispositifs photoniques.

L'une des exigences les plus cruci...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Platine de flexion NanoMax 3 axes	Thorlabs	MAX312D	Platines de précision 3 axes
Outil de dénudage de fibre à trois trous	Outil de dénudage de tampon	Thorlabs	FTS4
Contrôleur piézoélectrique à trois canaux	Thorlabs	MDT693B	Contrôleurs piézoélectriques pour étages NanoMax
Contrôleur de polarisation de fibre	Thorlabs	FPC562	Polarisation à base de fibre à 3 palettes contrôleur
Coupereteau à fibre	Thorlabs	XL411	Couperet à fibre
V-Groove Support à fibre	Thorlabs	HFV001	standard à rainure en V
Support de fibre conique à rainure en V	Thorlabs	HFV002
Plaque supérieure à angle droit pour scène NanoMax	Thorlabs	AMA011	support à angle droit
50:50 Fibre optique Coupleur	Thorlabs	TW1550R5F1	50/50 Combinateur
Fibre Optique Fusion Épissure	Fujikura	FSM-40S	Fusion
Système de Polissage MultiPrep - 8"	Allied High Tech	15-2100	Polisseuse de copeaux
GreenLube	Allied High Tech	90-209010	Lubrifiant de polissage
Palette de section transversale avec bord de référence	Allied High Tech	15-1010-RE	Monture de polissage
Système de mesure Lightwave	Keysight	8164B	Unité centrale pour laser accordable
Source laser accordable	Keysight	81606A	Laser accordable
Capteur de puissance optique	Keysight	81634B	Capteur de puissance
NIR Détecteur de photons uniques	ID Quantique	ID210	Détecteurs de photons uniques
Détecteur de photons uniques	PROCHE INFRAROUGE ID Quantique	ID230	Détecteurs de photons uniques à faible bruit et à fonctionnement libre
PicoHarp		PicoQuant PicoHarp 300	Comptage de photons uniques corrélés dans le temps
WiDy SWIR InGaAs Caméra	NIT	640U-S	IR
Caméra WDM Filtre passe-bande	JDS Uniphase	30055053-368-2.2	Filtres de nettoyage de pompe
WDM Filtre passe-bande	JDS Uniphase	1011787-012	filtres de rejet de pompe
Fibre à ultra-haute ouverture numérique	Nufern	UHNA-7	Fibre
ultra optique monomode	Corning	SMF-28	fibre monomode standard