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Engineering

एक सिलिकॉन अंगूठी गुंजयमान यंत्र फोटोन स्रोत में क्वांटम हस्तक्षेप के मापन

Published: April 4, 2017 doi: 10.3791/55257
Automatic Translation
1, 1,2, 1, 2,3,4, 2, 1, 2
1Microsystems Engineering, Rochester Institute of Technology, 2Air Force Research Laboratory, Rome, NY, 3Department of Physics, Florida Atlantic University, 4Quanterion Solutions Incorporated

Summary

सिलिकॉन फोटोनिक चिप्स संभावित जटिल एकीकृत क्वांटम प्रणालियों का एहसास करने के लिए है। यहाँ प्रस्तुत की तैयारी और क्वांटम मापन के लिए एक सिलिकॉन चिप फोटोनिक के परीक्षण के लिए एक विधि है।

Abstract

सिलिकॉन फोटोनिक चिप्स संभावित फोटॉन स्रोतों, qubit हेरफेर, और एकीकृत एकल फोटॉन डिटेक्टरों सहित जटिल एकीकृत क्वांटम सूचना संसाधन सर्किट, महसूस करने के लिए किया है। यहाँ, हम तैयारी कर और एक एकीकृत फोटॉन स्रोत और दो फोटॉन interferometer साथ एक सिलिकॉन photonic क्वांटम चिप परीक्षण के महत्वपूर्ण पहलुओं को प्रस्तुत करते हैं। एक एकीकृत क्वांटम सर्किट का सबसे महत्वपूर्ण पहलू नुकसान को न्यूनतम करने के लिए इतना है कि उत्पन्न फोटॉनों के सभी उच्चतम संभव निष्ठा के साथ पता लगाया जाता है। यहाँ, हम कैसे एक अति उच्च संख्यात्मक एपर्चर फाइबर का उपयोग कर बारीकी से सिलिकॉन waveguides के मोड मिलान करने के लिए से कम नुकसान बढ़त युग्मन प्रदर्शन करने का वर्णन। एक अनुकूलित संलयन स्प्लिसिंग नुस्खा का उपयोग करके, उ्ना फाइबर मूल एक मानक एकल मोड फाइबर के साथ interfaced है। यह कम नुकसान युग्मन एक एकीकृत सिलिकॉन अंगूठी गुंजयमान यंत्र में उच्च निष्ठा फोटॉन उत्पादन की माप और उत्पादन पी के बाद के दो फोटॉन हस्तक्षेप की अनुमति देता हैएक निकट एकीकृत मच-जेंडर interferometer में hotons। इस पत्र तैयार करने और उच्च प्रदर्शन और स्केलेबल सिलिकॉन क्वांटम फोटोनिक सर्किट के लक्षण वर्णन के लिए आवश्यक प्रक्रियाओं का वर्णन है।

Introduction

सिलिकॉन क्वांटम सूचना संसाधन 1, 2, 3, 4, 5 के लिए एक मंच के रूप में फोटोनिक्स महान वादा दिखा रहा है। क्वांटम फोटोनिक सर्किट के महत्वपूर्ण घटकों में से एक फोटॉन स्रोत है। , सहज चार लहर मिश्रण (SFWM) 6, 7, 8 फोटोन-जोड़ी स्रोतों एक तीसरे क्रम nonlinear प्रक्रिया के माध्यम से किया सूक्ष्म अंगूठी प्रतिध्वनिकारक के रूप में सिलिकॉन से विकसित किया गया है। इन स्रोतों पृथक फोटॉनों, जो फोटॉन उलझाव 9 से जुड़े प्रयोगों के लिए आदर्श हैं के जोड़े उत्पादन में सक्षम हैं।

ऐसा नहीं है कि अंगूठी गुंजयमान यंत्र स्रोतों दोनों दक्षिणावर्त और वामावर्त प्रचार के साथ काम कर सकते हैं नोट करना महत्वपूर्ण है, और दो अलग अलग दिशाओं प्रचार जीन हैंएक दूसरे से स्वतंत्र रैली। यह एक एकल अंगूठी दो स्रोतों के रूप में कार्य करने के लिए अनुमति देता है। ऑप्टिकली दोनों दिशाओं से पंप है, इन स्रोतों निम्नलिखित उलझ राज्य उत्पन्न:

समीकरण 1

कहा पे समीकरण 2 तथा समीकरण 3 clockwise- और वामावर्त-प्रचार द्वि-फोटॉनों के लिए स्वतंत्र निर्माण ऑपरेटरों, क्रमशः रहे हैं। इस उलझ एक N00N राज्य (एन = 2) 10 के रूप में जाना राज्य की एक बहुत ही वांछनीय रूप है।

एक ऑन-चिप मच-जेंडर interferometer (MZI) के माध्यम से इस राज्य पासिंग राज्य में जो परिणाम:

समीकरण 4

इस राज्य में दो बार अधिकतम संयोग और शून्य संयोग के बीच झूल रहेएक MZI में शास्त्रीय हस्तक्षेप की आवृत्ति, प्रभावी ढंग से interferometer 10 की संवेदनशीलता को दोगुना। यहाँ, हम इस तरह के एक एकीकृत फोटॉन स्रोत और MZI डिवाइस का परीक्षण करने के लिए प्रयोग किया जाता प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं।

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Protocol

ध्यान दें: यह प्रोटोकॉल मानता है कि फोटोनिक चिप पहले से ही निर्मित किया गया है। चिप यहाँ वर्णित (चित्रा 1 ए में दिखाया गया है) सिलिकॉन photonic उपकरणों 11 के लिए मानक प्रसंस्करण तकनीकों का उपयोग करते हुए कॉर्नेल विश्वविद्यालय nanoscale विज्ञान और प्रौद्योगिकी सुविधा में निर्मित किया गया था। ये सिलिकॉन-ऑन-इन्सुलेटर वेफर्स के उपयोग (एक 220 एनएम मोटी सिलिकॉन परत से बना, सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक 3-सुक्ष्ममापी परत, और एक 525 सुक्ष्ममापी मोटी सिलिकॉन सब्सट्रेट), इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी पट्टी waveguides परिभाषित करने के लिए शामिल (500 एनएम चौड़ा), और सिलिकॉन डाइऑक्साइड आवरण (~ 3 सुक्ष्ममापी मोटी) के प्लाज्मा बढ़ाया रासायनिक वाष्प जमाव। सूक्ष्म अंगूठी प्रतिध्वनिकारक 18.5 सुक्ष्ममापी की एक आंतरिक त्रिज्या और 150 एनएम का एक वेवगाइड करने वाली अंगूठी अंतराल के साथ डिजाइन किए गए थे। इस डिवाइस के लिए योग्यता के आंकड़े में कमी, गुणवत्ता कारक, नि: शुल्क वर्णक्रम सीमा, और फैलाव शामिल हैं।

1. Photonic चिप तैयार करना

  1. एक छोटा सा amoun रखेंएक क्रॉस सेक्शनिंग चमकाने पर्वत पर मोम की टी और यह ~ 130 डिग्री सेल्सियस गर्म करें।
    नोट: मोम की मात्रा प्रयोग की जाने वाली नमूने का आकार घुड़सवार किया जा रहा पर निर्भर करता है। पर्याप्त मोम चिप स्थिर रखने के लिए है, जबकि बहुत ज्यादा चिप पहलुओं पर मोम में परिणाम होगा होना चाहिए।
  2. चमकाने के भाग पर फोटोनिक चिप जगह मोम के साथ माउंट। सुनिश्चित करें कि मोम पूरी तरह से पिघल जाता है, ताकि चिप माउंट के खिलाफ फ्लैट है। जब चिप से निपटने पहलुओं को क्षति से बचाने के लिए प्लास्टिक चिमटी का प्रयोग करें।
  3. माउंट परिवेशी वायु में शांत करने के लिए इतना है कि मोम solidifies की अनुमति दें। तेजी से इस से शीतलक चिप को नुकसान हो सकता है।
  4. चिप पहलुओं चमकाने।
    नोट: यह एक पैड वह भी आक्रामक चिप के अधिक वांछित से दूर चमकाने में परिणाम कर सकते है के साथ शुरू के रूप में सही lapping पैड का चयन करने के लिए महत्वपूर्ण है।
    1. चमकाने पालिशगर और केवल कुछ सेकंड के लिए पॉलिश करने के लिए माउंट देते हैं। एक 3-सुक्ष्ममापी खुरदरापन के साथ एक पैड के रूप में दिखाया गया है~ 1 सेमी की पहलू लंबाई के साथ सिलिकॉन चिप्स के लिए एक अच्छा प्रारंभिक बिंदु।
    2. चमकाने माउंट निकालें और चिप पहलू का निरीक्षण निर्धारित करने के लिए कैसे स्तर चिप खड़ा होता है।
      नोट: एक माइक्रोस्कोप waveguides के समाप्त होता है और चिप के पहलू के बीच की दूरी को मापने के लिए उपयोगी है। इन मापों पहलू और वेवगाइड निर्धारित किया जाना के बीच के कोण के लिए अनुमति देते हैं।
    3. चिप के समतल में सुधार करने के पालिशगर पर माइक्रोमीटर करने के लिए आवश्यक समायोजन करें।
    4. चरण दोहराएँ 1.4.1-1.4.3 चिप के पहलू तक और waveguides एक दूसरे के लिए ओर्थोगोनल होने का 0.15 ° के भीतर हैं।
    5. पोलिश ~ 50 सुक्ष्ममापी, हर कदम के बीच चिप निरीक्षण, दूरी शेष नजर रखने के लिए नहीं होने तक, ~ 100 सुक्ष्ममापी के चरणों में चिप पॉलिश करने के लिए छोड़ दिया। किसी भी बिंदु पर आवरण सतह से delaminating हुआ प्रतीत होता है, यह सुनिश्चित करें कि पैड नीचे करने के लिए चिप के ऊपर से पॉलिश करने के लिए के रूप में तो घूर्णन कर रहा है।
      नोट: यह भी पानी के बजाय एक चमकाने स्नेहक का उपयोग करने में मदद कर सकते हैं। यह गैर-परतबंदी आवरण में तनाव का परिणाम है और एक संकेत है कि निर्माण की प्रक्रिया अनुकूलित किए जाने की आवश्यकता है।
    6. एक 1-सुक्ष्ममापी lapping पैड और पॉलिश करने के लिए परिवर्तित नहीं होने तक, ~ 20 सुक्ष्ममापी शेष।
    7. एक 0.5-सुक्ष्ममापी पैड के लिए परिवर्तित करें और एक अन्य 15 सुक्ष्ममापी के लिए चमकाने जारी है।
    8. फिनल 5 सुक्ष्ममापी के लिए एक 0.1-सुक्ष्ममापी पैड का प्रयोग एक चिकनी पहलू सुनिश्चित करने के लिए। पहले और चमकाने के बाद एक सिलिकॉन फोटोनिक चिप के पहलू की माइक्रोस्कोप छवियों चित्रा 2 में दिखाया जाता है।
  5. संलग्न चिप के साथ माउंट गर्म करने के लिए ~ 130 डिग्री सेल्सियस मोम पिघल अनुमति देने के लिए।
  6. एक बार जब मोम पूरी तरह से पिघल रहा है, पर्वत से चिप को हटाने और यह धीरे धीरे ठंडा होने दें।
  7. चिप एसीटोन, isopropanol, और पानी का उपयोग करने से शेष मोम के किसी भी साफ करें।

2. फाइबर Pigtails की तैयारी

  1. किसी भी बफर या कोटिंग fr पट्टीओम एक एकल मोड फाइबर (SMF) बेनी के अंत और एक अति उच्च संख्यात्मक एपर्चर (उ्ना) फाइबर के एक छोर से।
  2. एसीटोन और मेथनॉल का एक मिश्रण के साथ फाइबर के नंगे सिरों को साफ करें।
  3. एक वाणिज्यिक फाइबर क्लीवर के साथ दोनों फाइबर के नंगे सिरों तोड़ना।
  4. फ्यूजन फाइबर के cleaved अंत ब्याह। उ्ना फाइबर के स्प्लिसिंग SMF के लिए एक नुस्खा तालिका 1 में दिखाया गया है।
  5. जोड़ पर एक सुरक्षात्मक आस्तीन स्लाइड और आस्तीन ओवन में रख स्थायी रूप से फाइबर में अटैच कर सकते हैं।
  6. चरण दोहराएं 2.1-2.5 तीन तंतुओं की कुल तैयार करने के लिए।

3. परीक्षण सेटअप का विन्यास

नोट: परीक्षण सेटअप का एक चित्र चित्रा 1 बी में दिखाया गया है। चिप के लिए माउंट एक तांबे कुरसी एक थर्मामीटरों बिजली कूलर (टीईसी) के साथ संपर्क में है। वहाँ एक खुर्दबीन के दोनों दिखाई और अवरक्त (IR) फोटोनिक चिप को देखने के लिए कैमरों के साथ लगे है।

  1. जगहचिप पर मोम की एक छोटी राशि माउंट और मोम पिघल टीईसी के लिए वोल्टेज लागू होते हैं।
  2. पिघला मोम पर चिप रखें, यह सुनिश्चित करना कि यह पर्वत पर फ्लैट बैठा है।
  3. टीईसी से वोल्टेज निकालें और धीरे-धीरे शांत करने के लिए माउंट और चिप अनुमति देते हैं।
  4. polyimide टेप के साथ एक फाइबर v-नाली के लिए spliced ​​फाइबर के प्रत्येक संलग्न करें और 3-अक्ष चरणों निर्माता की आपूर्ति बढ़ते हार्डवेयर का उपयोग कर से प्रत्येक के लिए एक एकल v-नाली माउंट।
  5. फाइबर बढ़त युग्मन।
    1. लेजर के ऑप्टिकल उत्पादन के लिए एक और ऑप्टिकल बिजली मीटर की दूरी पर अन्य दो: अपने संबंधित घटकों के लिए तीन फाइबर कनेक्ट करें।
    2. इतना है कि यह चिप जहां waveguides किनारे तक पहुंचने पर ध्यान केंद्रित है माइक्रोस्कोप को समायोजित करें।
    3. चिप किनारों के पास फाइबर स्थिति तो यह है कि वे दिखाई कैमरे के दृश्य में हैं और अपनी ऊंचाइयों को समायोजित ताकि प्रत्येक फाइबर के मुख्य ध्यान केंद्रित करने में है।
    4. चरण micromete साथ फाइबर की क्षैतिज स्थिति को समायोजित करेंरु इतना है कि वे waveguides साथ खड़े रहे हैं।
    5. लेजर और धुन इनपुट फाइबर की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर माइक्रोमीटर पदों जब तक प्रकाश वेवगाइड में युग्मन है ऑप्टिकल आउटपुट चालू करें। इस इनपुट वेवगाइड साथ बिखरने के रूप में आईआर कैमरे पर दिखाई देगा।
    6. धुन एक बिंदु है जहां सूक्ष्म अंगूठी गुंजयमान यंत्र कैमरे पर जलाया जाता है करने के लिए लेजर की तरंग दैर्ध्य। यह बताता है कि गूंज हालत संतुष्ट किया जा रहा है और प्रकाश उत्पादन waveguides तक पहुंच रहा है कि।
    7. उत्पादन फाइबर की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर माइक्रोमीटर पदों को समायोजित करें जब तक वहाँ प्रकाश बिजली मीटर की दूरी पर है waveguides से विस्तार की एक औसत दर्जे का राशि है।
    8. तीन फाइबर की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर माइक्रोमीटर पदों में चालाकी करके दोनों डिटेक्टरों करने की शक्ति को अधिकतम करें।
    9. इसके अलावा पीजो नियंत्रण का उपयोग कर क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर फाइबर पदों के लिए ठीक समायोजन करके डिटेक्टरों करने की शक्ति को अधिकतमईआरएस।
    10. फाइबर से थोड़ा चिप के करीब ले जाने के लिए पीजो नियंत्रकों का उपयोग करें। माइक्रोमीटर का उपयोग न करने का ध्यान चिप पर फाइबर पुश करने के लिए, ऐसा करने की संभावना फाइबर के cleaved सिरों को नुकसान होगा।
    11. दोहराएँ 3.5.9 और 3.5.10 कदम जब तक फाइबर मजबूती से चिप के पक्षों के खिलाफ लगाए जाते हैं।
      नोट: waveguides, गरीब वेवगाइड ट्रांसमिशन के साथ मिलकर से अत्यधिक बिखरे हुए प्रकाश, वेवगाइड दोष का संकेत हो सकता है। इनमें शामिल हैं सकता है, लेकिन करने के लिए, सामग्री दोष साइटों, सिलाई सीमाओं, और अत्यधिक वेवगाइड खुरदरापन सीमित नहीं हैं।
  6. लेजर और चिप के बीच एक फाइबर आधारित ध्रुवीकरण नियंत्रक रखें। इस ध्रुवीकरण राज्य चिप के लिए बनाता है कि के नियंत्रण के लिए अनुमति देता है। waveguides, व्यापक किया जा रहा है की तुलना में वे लंबे हैं, किसी पर चिप ध्रुवीकरण रोटेशन को कम करने में सहायता।
  7. फैलाव लक्षण वर्णन।
    1. ट्यून लेजर उत्पादन के ध्रुवीकरण युग्मन को अधिकतम करने के लिए चिप। इस उपकरण के अनुप्रस्थ-इलेक्ट्रिक (TE) ध्रुवीकरण के लिए डिजाइन किया गया था और, जैसे, अनुप्रस्थ चुंबकीय (टीएम) ध्रुवीकरण एक बहुत अधिक नुकसान है।
    2. ब्याज की तरंग दैर्ध्य सीमा पर एक ट्यूनेबल लेजर (इस मामले में 1600 एनएम 1,510 एनएम) स्कैन और बिजली मीटर पर नजर रखने के। ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा में किसी भी कलाकृतियों फाइबर चिप इंटरफ़ेस से ध्रुवीकरण और etalon प्रभाव के टीएम घटक का एक संयोजन के कारण संभावना है।
    3. स्पेक्ट्रम में गुंजयमान तरंग दैर्ध्य का पता लगाएं और भी प्रत्येक गूंज के बैंडविड्थ निकालें। यह विशेष रूप से चिप 65 बजे है, जो 23,000 के गुणवत्ता कारकों (क्यू) के लिए अनुवाद के रूप में के रूप में छोटे बैंडविड्थ था।
    4. नि: शुल्क वर्णक्रम सीमा (एफएसआर), अनुनादों के बीच अलगाव का निर्धारण अनुनादों में से प्रत्येक के आसन्न जोड़ी के लिए। यह विशेष रूप से डिवाइस ~ 5 एनएम के एक एफएसआर था।
    5. की गणना निम्न समीकरण का उपयोग कर एफएसआर के प्रत्येक मान के लिए निर्देशित मोड के समूह सूचकांक (एन जी):
      n 5 "src =" / फ़ाइलें / ftp_upload / 55,257 / 55257eq5.jpg "/>
      जहां λ तरंग दैर्ध्य है और r सूक्ष्म अंगूठी गुंजयमान यंत्र की त्रिज्या है। उपरोक्त समीकरण समूह सूचकांक के प्रथम क्रम अनुमान होता है।
    6. एक चौड़ाई (Δn छ) समूह सूचकांक के प्रत्येक मान के साथ जुड़े निर्धारित करने के लिए प्रत्येक प्रतिध्वनि की बैंडविड्थ का प्रयोग करें।
    7. दो पंप ऐसी है कि वे स्पेक्ट्रम में अनुनादों के साथ मेल खाना और उन दोनों के बीच अनुनादों (चित्रा 1C) की विषम संख्या है लेज़रों के लिए तरंग दैर्ध्य का चयन करें।
    8. निम्न समीकरण का उपयोग कर पतित द्वि-फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य का निर्धारण:
      समीकरण 6
      जहां λ 1 पम्प और λ पम्प 2 पंप फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य है।
    9. तरंग दैर्ध्य बनाम समूह सूचकांक कि दो पंप तरंग दैर्ध्य (चित्रा 3) के बीच फैली भूखंड पर एक क्षैतिज रेखा जोड़ें। यदि यह लिन के लिए संभव हैएक साथ ब्याज के सभी तीन तरंगदैर्य पर ± Δ एन जी एन जी भीतर बैठने के लिए ई, चरण-मिलान शर्त पूरी होने और फोटॉनों SFWM के माध्यम से उत्पन्न किया जा सकता। यदि यह संभव नहीं है, पंप तरंग दैर्ध्य है कि करीब एक साथ हैं और फिर से जांच को चुनने का प्रयास करें।
  8. एक दूसरे ट्यूनेबल लेजर स्रोत और ध्रुवीकरण नियंत्रक सेटअप में जोड़े और एक 1 एक्स 2 फाइबर combiner के साथ दोनों लेज़रों से ऑप्टिकल आउटपुट गठबंधन।
  9. तुरंत चिप से पहले फाइबर आधारित पायदान फिल्टर (उनमें से पर्याप्त प्राप्त क्षीणन की ~ 120 डीबी) की एक श्रृंखला जोड़ें।
    नोट: फिल्टर दोनों पंप तरंग दैर्ध्य पारित लेकिन द्वि-फोटॉन तरंगदैर्ध्य अस्वीकार करने के लिए अनुमति देते हैं। वे चिप के साथ युग्मन से पहले अतिरिक्त शोर को दूर करने के (यानी, ब्रॉडबैंड रमन ऑप्टिकल फाइबर में बिखरने) मदद करते हैं। फिल्टर स्पेक्ट्रम चित्रा 1 बी में दिखाया गया है।
  10. (उनमें से पर्याप्त प्राप्त करने के लिए क्षीणन की ~ 150 डीबी) फाइबर आधारित बैंडपास फिल्टर की एक श्रृंखला में जोड़ेंतुरंत चिप के बाद।
    नोट: फिल्टर विस्तृत पर्याप्त होना चाहिए द्वि-फोटॉनों पारित लेकिन पर्याप्त संकीर्ण पंप फोटॉनों को अस्वीकार करने के लिए अनुमति देने के लिए। इनमें से दो सेट की जरूरत है, प्रत्येक उत्पादन के लिए एक सेट। फिल्टर स्पेक्ट्रम चित्रा 1 बी में दिखाया गया है।
  11. फिल्टर के प्रत्येक सेट से अस्वीकार कर दिया फोटॉनों भेजें बिजली मीटर की दूरी पर अलग करने के लिए।
    नोट: ये बिजली मीटर की दूरी पर चिप के लिए ऑप्टिकल युग्मन नजर रखने के लिए उपयोग किया जाता है और यह भी निर्धारित करने के लिए पंप लेज़रों ऑन-प्रतिध्वनि शेष रहे हैं इस्तेमाल किया जा सकता।
  12. एक एकल फोटोन डिटेक्टर (एसपीडी) के लिए फाइबर आधारित फिल्टर के प्रत्येक सेट से अलग-अलग ऑप्टिकल आउटपुट कनेक्ट और एक संयोग correlator को SPDs से दोनों बिजली के संकेत outputs कनेक्ट।
  13. टंगस्टन जांच की एक जोड़ी पार और सुझावों नीचे सर्पिल पैर में से एक पर MZI की (लंबाई में 1 मिमी ~) की स्थापना की।
  14. दो को पार कर जांच ऐसी है कि वे गर्मी जब वोल्टेज लागू किया जाता है उत्पन्न करने के लिए एक बिजली की आपूर्ति कनेक्ट करें। यह टी के लिए चरण शिफ्टर रूप में कार्य करेगावह MZI।
    ध्यान दें: फोटोनिक उपकरणों के थर्मल ट्यूनिंग के लिए अधिक मानकीकृत विधि के विवरण के लिए चर्चा देखें।

4. दो फोटॉन हस्तक्षेप मापने

  1. ट्यून चुना तरंग दैर्ध्य के लिए पंप लेज़रों के दोनों। बिजली मीटर की दूरी पर है कि को अस्वीकार कर दिया पंप फोटॉनों की निगरानी कर रहे यह सुनिश्चित करें कि दोनों लेज़रों अनुनादों को देखते रहे हैं का उपयोग करें। पराबैंगनीकिरण ठीक से वांछित अनुनादों को देखते रहे हैं, फिल्टर से अस्वीकार कर दिया संकेत को बड़ा किया हो जाएगा।
  2. dBm -3 प्रत्येक लेजर से ऑप्टिकल बिजली उत्पादन सेट करें।
    नोट: इस चिप पर <100 μW का परिणाम देगा। यह आदेश (बहु फोटॉन अवशोषण और मुक्त वाहक अवशोषण से) नुकसान को कम करने और स्थिरता बनाए रखना (प्रकाश प्रेरित थर्मल बदलाव को कम करके) में पंप शक्ति इस कम रखने के लिए महत्वपूर्ण है। पीएन जंक्शनों वेवगाइड से सेवा प्रदाताओं को निकालें करने के लिए बेहतर उच्च पंप शक्तियों को समायोजित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
  3. संयोग मायने रखता है मॉनिटर (सिन्क्रोदो बंदरगाहों भर में Nous एकल) डेटा के शिखर के बारे में ~ 220 ps से अधिक एकीकृत करके। जब 100 संयोग मायने रखता है की एक न्यूनतम एकत्र किया गया है पर्याप्त एकीकरण समय बीत चुका है।
    नोट: एकीकरण खिड़की काफी चौड़ा SPDs के समय घबराना के लिए खाते में किया जाना चाहिए।
  4. प्रारंभिक वोल्टेज (जैसे, 0 वी) के लिए चरण शिफ्टर के लिए बिजली की आपूर्ति निर्धारित करें।
  5. पूरे तरंगदैर्ध्य सीमा पर ट्यूनेबल पराबैंगनीकिरण में से एक के लिए स्कैन और बिजली मीटर की दूरी पर है कि को अस्वीकार कर दिया पंप फोटॉनों एकत्रित कर रहे हैं ब्याज की अनुनादों के स्थान की पुष्टि करने के लिए उपयोग करें। तरंग दैर्ध्य वांछित अनुनादों के लिए इसी के लिए पंप लेज़रों सेट करें।
    नोट: यह इस कदम हर बार चरण शिफ्टर वोल्टेज थर्मल ट्यूनिंग गुंजयमान तरंग दैर्ध्य में छोटे बदलाव में परिणाम कर सकते के रूप में परिवर्तित हो जाता है पूरा करने के लिए महत्वपूर्ण है।
  6. पहले से चुना के लिए संयोग correlator से उत्पन्न डेटा (एकल फोटोन मायने रखता है और साथ ही संयोग मायने रखता है) इकट्ठाएकीकरण समय। इधर, 90 रों के एकीकरण के समय 32 ps का एक समय संकल्प के साथ चुना गया था।
  7. वोल्टेज 5 mV द्वारा चरण शिफ्टर के लिए आवेदन किया बढ़ाएँ।
  8. चरण दोहराएं 4.4-4.6 जब तक डेटा वोल्टेज के वांछित सीमा के लिए एकत्र किया गया है।
    नोट: अधिकतम वोल्टेज इस वोल्टेज से ऊपर जांच का तेजी से गिरावट की वजह से 2.4 वी तक ही सीमित था।
  9. प्रत्येक बिजली आपूर्ति वोल्टेज के लिए संयोग चोटियों एकीकृत 220 ~ से अधिक ps संयोग की कुल संख्या (चित्रा 4) निर्धारित करने के लिए।
  10. 320 से अधिक एनएस संयोग शिखर से दूर एकीकृत आकस्मिक संयोग प्राप्त करने के लिए। संयोग शिखर में accidentals की संख्या की गणना करने के लिए इस परिणाम का प्रयोग करें।
  11. फ़िट निम्नलिखित संशोधित साइन समारोह के साथ प्रत्येक डिटेक्टर से एकल मायने रखता है:
    समीकरण 7
    जहां ए, बी, सी, डी, ई, और एफ फिट मानकों हैं। यह फिट अरेखीय संबंधों की वजह से आवश्यक हैवोल्टेज और प्रेरित थर्मल पारी (सापेक्ष चरण) के बीच IP।
  12. सभी तीन (एकल प्रत्येक डिटेक्टर और संयोग की गिनती से गिना जाता है) निम्न समीकरण के साथ डेटा के सेट के लिए रिश्तेदार चरण के लिए स्वतंत्र चर कन्वर्ट करें:
    समीकरण 8
    जहां बी, सी, डी, और ई कदम 4.11 से फिट मानकों हैं। इस रूपांतरण एक MZI 12 के जाने-माने sinusoidal हस्तांतरण समारोह के कारण संभव है।
  13. संयोग डेटा (स्वतंत्र चर के रूप में रिश्तेदार चरण के साथ) के बाद साइन समारोह के साथ फिट:
    समीकरण 9
    जहां ए और बी फिट मानकों हैं।
  14. निम्न समीकरण के साथ एक हस्तक्षेप पैटर्न की दृश्यता की गणना करें:
    समीकरण 10
    जहां ƒ (θ) अधिकतम और ƒ ( मिनट ƒ (θ) का अधिकतम और न्यूनतम मूल्यों, क्रमशः रहे हैं। 1 का एक दृश्यता एक आदर्श हस्तक्षेप पैटर्न से मेल खाती है।

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Representative Results

प्रत्येक डिटेक्टर, साथ ही संयोग की गिनती से अलग-अलग फोटॉन मायने रखता है, एकत्र किए गए थे के रूप में दो रास्तों के बीच रिश्तेदार चरण देखते गया था। अलग-अलग मायने रखता है (चित्रा 5 ए) के 94.5 ± 1.6% और 94.9 ± 0.9% दृश्यताएं के साथ एक MZI से शास्त्रीय हस्तक्षेप पैटर्न दिखा। संयोग माप (चित्रा 5 ब), उलझ राज्य की प्रमात्रा हस्तक्षेप दिखाने के रूप में दो बार शास्त्रीय हस्तक्षेप पैटर्न की आवृत्ति, दोलन से स्पष्ट है 93.3 ± 2.0% की दृश्यता (accidentals साथ 96.0 ± 2.1% घटाया) । इसकी पुष्टि के लिये फोटॉनों मुख्य रूप से अंगूठी में उत्पन्न किया जा रहा है, पंप दो अनुनादों कि द्वि-फोटॉनों अंगूठी द्वारा समर्थित नहीं एक तरंग दैर्ध्य पर उत्पन्न करने की आवश्यकता होगी में कॉन्फ़िगर किया गया गया था। चित्रा 5 ब में नारंगी रेखा पुष्टि की है कि, इस तरह के एक विन्यास के साथ, कोई महत्वपूर्ण coincidenc हैं तों। चित्रा 6 उपलब्ध गूंज जोड़े कि आवृत्ति में सममित हैं गूंज वांछित द्वि-फोटॉनों के लिए इसी के बारे में के लिए संयोग मायने रखता है पता चलता है। सभी मामलों में, रिश्तेदार चरण के 2 θ निर्भरता स्पष्ट है।

आकृति 1
चित्र 1: सिलिकॉन वेवगाइड सर्किट के लिए प्रायोगिक टेस्टबेड। (क) सिलिकॉन photonic क्वांटम चिप फोटॉनों के प्रसार दिशा का संकेत है की छवि। इनसेट चार लहर मिश्रण प्रक्रिया है कि रिंग के भीतर होता है के लिए एक ऊर्जा संरक्षण आरेख है। (ख) प्रायोगिक सेटअप सिलिकॉन photonic सर्किट परीक्षण करने के लिए इस्तेमाल किया। (ग) ट्रांसमिशन सूक्ष्म अंगूठी गुहा के स्पेक्ट्रम, पम्पिंग विन्यास के साथ ही उत्पन्न द्वि-फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य का संकेत तीर के साथ।एस / ftp_upload / 55,257 / 55257fig1large.jpg "target =" _ blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्र 2: पॉलिश से पहलू सुधार। एक सिलिकॉन चिप फोटोनिक (क) निर्माण के बाद की पहलू की लेकिन चमकाने और (ख) चमकाने के बाद से पहले छवियाँ। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्र 3: वेवगाइड फैलाव की विशेषता। समूह सूचकांक की तरंग दैर्ध्य पर निर्भरता का प्लॉट। लाल छायांकित क्षेत्र अनुनादों की बैंडविड्थ का प्रतिनिधित्व करता है और चरण-मा की आसान मूल्यांकन के लिए अनुमति देता हैtching हालत। हरी चित्तीदार लाइन क्षैतिज और छायांकित क्षेत्र के भीतर पूरी तरह से निहित है, का प्रदर्शन है कि चरण-मिलान हालत संतुष्ट है। तथ्य यह है कि डेटा संपूर्ण रेंज भर में फ्लैट है शून्य फैलाव की पुष्टि है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्र 4: संपाती फोटॉनों की माप। संयोग शिखर 90 रों के एकीकरण के समय और 32 ps का एक समय संकल्प के साथ समय-correlator से मापा का प्लॉट। लाल डैश रेखाएं संयोग विंडो के किनारों, जिसमें 459 संयोग की कुल देखते हैं संकेत मिलता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्र 5: शास्त्रीय और क्वांटम हस्तक्षेप माप। (क) शास्त्रीय प्रकाश दो रास्तों के बीच रिश्तेदार चरण के रूप में एक MZI से ठेठ हस्तक्षेप के स्वरूप का प्रदर्शन भिन्न है। (ख) संयोग सहसंबंध माप रिश्तेदार चरण के 2 θ निर्भरता को दर्शाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्र 6: विभिन्न पम्प वेवलेंथ विन्यास के लिए द्वि-फोटोन दृश्यता। संयोग सहसंबंध माप के भूखंड और के पंप तरंग दैर्ध्य के लिए गणना की दृश्यताएं (क (ख) 1,518.2 एनएम और 1,586.9 एनएम, (ग) 1,522.9 एनएम और 1,581.8 एनएम, (घ) 1,527.7 एनएम और 1,576.7 एनएम, (ई) 1,532.4 एनएम और 1,571.6 एनएम, और (च) 1,537.2 एनएम और 1,566.6 एनएम। सभी मामलों में, रिश्तेदार चरण के 2 θ निर्भरता स्पष्ट है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

SMF उ्ना फाइबर Splicing पैरामीटर के लिए
संरेखित करें: कोर फोकस: ऑटो
ECF: बंद बिजली स्वत: बंद
फोड़ना सीमा: 1 ° कोर कोण सीमा: 1 °
सफाई आर्क: 150 एमएस गैप: 15 सुक्ष्ममापी
Gapset स्थिति: केंद्र Prefuse पावर: 20 बिट
Prefuse समय: 180 एमएस ओवरलैप: 10 सुक्ष्ममापी
Arc1 पावर: 20 बिट Arc1 समय: 18,000 एमएस
Arc2: बंद Rearc समय: 800 एमएस
टेपर ब्याह: बंद

तालिका 1: उ्ना फाइबर के संलयन splicing SMF के लिए सेटिंग्स।

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Discussion

वहाँ एकीकृत फोटोनिक्स के क्षेत्र के लिए कई चुनौतियों फोटोनिक उपकरणों के जटिल और स्केलेबल सिस्टम के लिए आदेश संभव होने के लिए दूर करने के लिए कर रहे हैं। इनमें शामिल हैं, लेकिन तक सीमित नहीं हैं: तंग निर्माण सहिष्णुता, पर्यावरण अस्थायित्व से अलगाव, और नुकसान के सभी रूपों के न्यूनीकरण। वहाँ ऊपर प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण चरण हैं, जो फोटोनिक उपकरणों के नुकसान को कम करने में मदद कर रहे हैं।

नुकसान को कम करने में सबसे महत्वपूर्ण आवश्यकताओं में से एक बारीकी से फाइबर और waveguides के ऑप्टिकल मोड मिलान किया जाता है। कठिनाई के भाग बड़े मोड क्षेत्र व्यास SMF की (एमएफडी) (~ 10 सुक्ष्ममापी) से उपजी है। एकीकृत डिवाइस तरफ, एक बहुत छोटे एमएफडी (<1 सुक्ष्ममापी) के साथ एक 500 एनएम चौड़ा सिलिकॉन वेवगाइड है। उ्ना फाइबर की लंबाई SMF में या फोटोनिक चिप के किनारे करने के लिए एक व्युत्क्रम शंकु रखने: फाइबर और वेवगाइड के बीच इस विधा संक्रमण को दो तरह से सुधार किया जा सकता। spliced ​​क्षेत्र between SMF और एक मोड कनवर्टर के रूप में उ्ना फाइबर कार्य करता है, ~ 3 सुक्ष्ममापी करने के लिए मोड के आकार को कम। उलटा शंकु वेवगाइड की चौड़ाई को कम करने के रूप में यह पहलू दृष्टिकोण से चिप पर मोड विस्तार करने के लिए प्रयोग किया जाता है। इस चिप, (चिप पहलुओं पर) 150 एनएम सुझावों को 500 एनएम waveguides से एक रेखीय शंकु का उपयोग करता है 300 सुक्ष्ममापी की एक संक्रमण लंबाई के साथ। ऑप्टिकल मोड के प्रभावी सूचकांक में कमी चिप परिणामों के किनारे तक वेवगाइड चौड़ाई और बदले में, की गावदुम, मोड फैलता है।

चिप पहलू चमकाने भी ऑप्टिकल नुकसान को कम करने में बहुत महत्वपूर्ण है। दो चिंताओं जबकि चमकाने वांछित सतह पर रोक और ऊपरी आवरण सामग्री delaminating कर रहे हैं। आदर्श रूप में, पहलू की अंतिम स्थिति शंकु के अंत में ठीक हो जाएगा। बहरहाल, यह काफी प्राप्त करने के लिए मुश्किल है, और इस कारण से, शंकु की नोक ताकि चमकाने से पहले कुछ माइक्रोन रोका जा सकता है 100 सुक्ष्ममापी के लिए बढ़ा दी हैशंकु शुरू होता है। तो बहुत कम सामग्री निकाल दिया जाता है, मोड के रूप में कुशलता से शंकु द्वारा कब्जा कर लिया नहीं किया जाएगा। अगर बहुत ज्यादा सामग्री निकाल दिया जाता है, वहाँ फाइबर / चिप इंटरफेस पर एक बड़ा मोड बेमेल हो जाएगा, और प्रकाश की अधिक खो जाएगा। अन्य मुख्य चिंता ऊपरी आवरण का गैर-परतबंदी है। अगर वहाँ निर्माण (सफाई या आवरण में अत्यधिक तनाव) के साथ समस्याएं हैं, आवरण चिप के किनारे पर सब्सट्रेट का पालन नहीं कर सकते हैं। जब गैर-परतबंदी waveguides में से एक में होने के लिये होता है, यह बहुत ही गरीब युग्मन क्षमता का परिणाम देगा। यह चमकाने दौरान देखा जाता है, तो एक चमकाने पानी के अलावा अन्य स्नेहक अक्सर परिणामों में सुधार कर सकते हैं।

वहाँ ऊपर प्रोटोकॉल में सुधार की गुंजाइश है। सबसे बड़ा सुधार का उत्पादन ताप उपकरण ट्यूनिंग के लिए एक अधिक मानक विधि का उपयोग कर से आएगा। यहां इस्तेमाल किया विधि एक सरल निर्माण की प्रक्रिया है कि किसी भी धातु परतों को शामिल नहीं किया का परिणाम था। आमतौर पर, एक मुझे प्रतिरोधकताल परत हीटर तत्वों के लिए प्रयोग किया जाता है, और एक उच्च प्रवाहकीय धातु परत संपर्क पैड और हीटर तत्वों के पैड से तारों के लिए प्रयोग किया जाता है। एक मंच तो पैड पर जांच नीचे स्थापित करने के लिए, एक वोल्टेज हीटर पर लागू किया जा करने की अनुमति के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। यह नियंत्रण और स्थिरता का एक बड़ा स्तर सक्षम बनाता है। एक सिलिकॉन फोटोनिक यहाँ लेकिन धातु हीटर के साथ क्या परीक्षण किया गया था के लिए इसी तरह चिप साथ वीडियो में दिखाया गया है।

वहाँ फोटोनिक चिप के लिए प्रकाश युग्मन के अन्य तरीके हैं। इस काम के लिए, धार युग्मन इस्तेमाल किया गया था। अन्य सामान्य तरीके मुक्त अंतरिक्ष युग्मन और झंझरी युग्मन शामिल हैं। नि: शुल्क अंतरिक्ष युग्मन थोक ऑप्टिकल तत्वों पर निर्भर करता है संरेखित और वेवगाइड में चिप के किनारे पर बीम ध्यान दें। इस तरह से युग्मन के साथ दोष यह बीम के संरेखण अनुकूलन करने के लिए बहुत मुश्किल हो सकता है कि है, और वहाँ हमेशा सूचकांक अंतर के कारण इंटरफेस पर एक प्रतिबिंब होगा। ग्रेटिंग कप्लर्स लहर से प्रकाश तितर बितरखड़ी मार्गदर्शन, ताकि एक फाइबर के अंत डिवाइस के लिए जोड़े के लिए आवरण की सतह पर रखा जा सकता है। ये भी मुश्किल संरेखण और उच्च घाटे (फाइबर माइक्रोस्कोप की दृष्टि की पंक्ति में अक्सर है) सहित कुछ मुद्दों पर, कर सकते है। फाइबर बढ़त युग्मन या तो सही नहीं है। चिप के खिलाफ फाइबर दबाने फाइबर के सिरों को नुकसान पहुंचा सकता है, और दोनों फाइबर और चिप किनारे अक्सर साफ करने की जरूरत है। फाइबर बढ़त युग्मन के लाभ यह है कि संरेखण अन्य दो तरीकों की तुलना में काफी आसान है और कम नुकसान प्राप्त करने में सक्षम है।

ऑप्टिकल प्रणाली बढ़ जाती है की जटिलता के रूप में, उन्हें एक स्थिर मंच में पैमाने पर करने के लिए केवल व्यवहार्य तरीका ज्यादा इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी के रास्ते की तरह एक एकीकृत प्रणाली में है। चुनौती थोक और फाइबर आधारित ऑप्टिकल प्रणाली कि पहले से ही तैनात किया गया है के साथ एकीकृत फोटोनिक्स मंच विलय है। फोटोन आधारित क्वांटम सूचना प्रणाली के उपयोग, जहां inf के साथormation अंतरिक्ष तराजू तेजी (शास्त्रीय प्रणालियों के रैखिक स्केलिंग की तुलना में), चरण स्थिरता और कम नुकसान एकीकृत photonic प्रौद्योगिकियों की सफलता के लिए सर्वोपरि है। प्रोटोकॉल हम वर्णन किया है इस उभरती हुई प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने के लिए आगे एक प्रारंभिक मार्ग के रूप में कार्य करता है।

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Disclosures

हम खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस काम के कार्नेल विश्वविद्यालय nanoscale विज्ञान और प्रौद्योगिकी सुविधा, राष्ट्रीय नैनो इंफ्रास्ट्रक्चर नेटवर्क का एक सदस्य है, जो राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान ईसीसीएस-1,542,081) द्वारा समर्थित है पर भाग में प्रदर्शन किया था। हम वायु सेना के रिसर्च लैब (AFRL) से इस काम के लिए समर्थन को स्वीकार करते हैं। इस सामग्री को काम आंशिक रूप से पुरस्कार नहीं। ECCS14052481 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित पर आधारित है।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3-Axis NanoMax Flexure Stage Thorlabs MAX312D Precision 3-axis stages
Three-Hole Fiber Stripping Tool Thorlabs FTS4 buffer stripping tool
Three Channel Piezo Controller Thorlabs MDT693B Piezo controllers for NanoMax stages
Fiber Polarization Controller Thorlabs FPC562 3-Paddle fiber-based polarization controller
Fiber Cleaver Thorlabs XL411 Fiber cleaver
Standard V-Groove Fiber Holder Thorlabs HFV001 standard v-groove mount
Tapered V-Groove Fiber Holder Thorlabs HFV002 tapered v-groove mount
Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage Thorlabs AMA011 right-angle bracket
50:50 Fiber Optic Coupler Thorlabs TW1550R5F1 50/50 combiner
Optical Fiber Fusion Splicer Fujikura FSM-40S Fusion splicer
MultiPrep Polishing System - 8" Allied High Tech 15-2100 Chip polisher
GreenLube Allied High Tech 90-209010 Polishing Lubricant
Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge Allied High Tech 15-1010-RE Polishing mount
Lightwave Measurement System Keysight 8164B Mainframe for tunable laser
Tunable Laser Source Keysight 81606A Tunable laser
Optical Power Sensor Keysight 81634B Power meter
NIR Single Photon Detector ID Quantique ID210 Single photon detectors
NIR Single Photon Detector ID Quantique ID230 Low noise, free-running single photon detectors
PicoHarp PicoQuant PicoHarp 300 Time-correlated single photon counting
WiDy SWIR InGaAs Camera NIT 640U-S IR Camera
WDM Bandpass Filter JDS Uniphase 30055053-368-2.2 pump cleanup filters
WDM Bandpass Filter JDS Uniphase 1011787-012 pump rejection filters
Ultra-High Numerical Aperture Fiber Nufern UHNA-7 high index fiber
Ultra Optical Single Mode Fiber Corning SMF-28 standard single mode fiber

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References

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  2. Harris, N. C., et al. Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems. Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).
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इंजीनियरिंग अंक 122 सिलिकॉन फोटोनिक्स क्वांटम हस्तक्षेप अंगूठी गुंजयमान यंत्र फोटोन स्रोत
एक सिलिकॉन अंगूठी गुंजयमान यंत्र फोटोन स्रोत में क्वांटम हस्तक्षेप के मापन
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Steidle, J. A., Fanto, M. L.,… More

Steidle, J. A., Fanto, M. L., Preble, S. F., Tison, C. C., Howland, G. A., Wang, Z., Alsing, P. M. Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source. J. Vis. Exp. (122), e55257, doi:10.3791/55257 (2017).

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