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

L’objectif général de cette procédure est de caractériser une source de paires de photons photoniques intégrés par la mesure des interférences quantiques. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés liées à la photonique quantique intégrée, notamment comment réaliser des sources de photons corrélés à l’échelle d’une puce et les intégrer dans des circuits photoniques intégrés quantiques. Le principal avantage de cette technique est qu’elle peut être appliquée à une grande variété de circuits photoniques quantiques intégrés.

Au cœur de l’expérience se trouve la puce photonique. Cette puce mesure environ cinq millimètres de côté et est fabriquée à l’aide de techniques standard. Cette image de la puce révèle ses composants.

Il y a un circuit de pompe, y compris le guide d’ondes d’entrée, un résonateur en anneau, dans lequel les photons se propagent à la fois dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, et un interféromètre de Mach-Zehnder, qui est suivi par des guides d’ondes de sortie. Les fils métalliques permettent un chauffage sur puce, ce qui entraîne un déphasage de l’interféromètre. Pour préparer la puce à l’utilisation dans le circuit, polissez avec une polisseuse à copeaux.

Utilisez d’abord la polisseuse pour niveler l’éclat et rendre toutes les facettes orthogonales. Polissez la puce avec un tampon de rodage de trois microns, par pas d’environ 50 microns, jusqu’à environ 100 microns de l’extrémité des marques de polissage. Après chaque 50 microns, inspectez la puce pour déterminer la distance restante.

Lorsqu’il reste environ 100 microns, passez à un tampon de rodage d’un micron. Continuez à polir la puce et à surveiller la progression. Lorsqu’il reste environ 20 microns, passez à un tampon de 0,5 micron.

Polissez davantage la puce jusqu’à ce qu’elle ne soit plus de 15 microns de la fin des marques de polissage. À 15 microns, remplacez le tampon de rodage par un tampon avec une rugosité de 0,1 micron. Utilisez ce tampon pour polir la puce jusqu’à ce qu’il ne reste que 10 microns de marques de polissage.

La dernière étape de polissage, avec un tampon de rodage de 0,1 micron, assure une facette lisse. Retirez la puce avant de la nettoyer et de la ranger pour une utilisation ultérieure. Rassemblez le matériel nécessaire à la préparation des fibres optiques.

Cela comprend une décapeuse de fibres, un couperet en fibres, une épissure par fusion et un four à manchons. Travaillez avec les trois nattes de fibre monomode et environ 20 à 30 centimètres de fibre à ultra-haute ouverture numérique pour chacune. Pour préparer une queue de cochon, utilisez le dénudeur de fibre pour retirer tout tampon ou codage de son extrémité.

Faites de même avec une extrémité de la longueur de la fibre à ultra-haute ouverture numérique. Après avoir nettoyé les fibres, utilisez le couperet à fibres pour les préparer à l’épissage par fusion. Ensuite, déplacez les fibres vers l’épisseuse.

Mettez les fibres en place et alignez correctement les extrémités clivées. Entrez les paramètres appropriés et effectuez l’épissure. Une fois terminé, retirez les fibres épissées et inspectez-les.

Si l’épissure est acceptable, glissez un manchon de protection sur le site d’épissure. Placez ensuite l’épissure recouverte d’un manchon dans le four à manchon pour la fixer de manière permanente à la fibre. Ensuite, nous avons produit trois fibres épissées pour les utiliser dans l’expérience.

L’expérience se déroule sur un banc optique. Sur le banc se trouvent trois étages de translation à trois axes avec contrôleurs piézoélectriques. Ils sont positionnés de manière à permettre l’accès aux guides d’ondes de la puce.

Les étages de translation entourent la puce optique qui a déjà été montée sur un socle en cuivre. Le socle est en contact avec la glacière thermoélectrique. Chaque étape de translation a l’une des fibres préparées dans une rainure en V et fixée avec du ruban polyimide.

La région avec la puce peut être observée à l’aide d’un microscope, qui est équipé de caméras visibles et infrarouges. À ce stade, les fibres peuvent être connectées aux instruments d’expérience. Connectez l’entrée de la puce à la sortie optique d’une source laser accordable via un contrôleur de polarisation.

Connectez chaque sortie de la puce à un wattmètre optique. Maintenant, ajustez la position du microscope pour qu’il fonctionne avec la puce. Focalisez le microscope là où les guides d’ondes atteignent le bord de la puce et utilisez les platines de translation pour positionner les fibres près du bord de la puce.

Amenez les fibres dans le champ de vision de la caméra visible et ajustez leurs hauteurs, de sorte que le cœur de chaque fibre soit net. Avant de continuer, assurez-vous que la position horizontale de chaque fibre s’aligne avec son guide d’ondes. Activez la sortie optique du laser et ajustez la position de la fibre d’entrée jusqu’à ce que la lumière se couple dans le guide d’ondes.

Sur la caméra infrarouge, cela apparaîtra comme une diffusion le long du guide d’ondes d’entrée. Ensuite, réglez la longueur d’onde du laser de sorte que le résonateur à micro-anneaux soit éclairé sur la caméra infrarouge. Cela indique que la condition de résonance a été remplie.

Continuez en manipulant les positions des fibres avec les micromètres, de manière à maximiser la puissance de sortie mesurée par les wattmètres. Ajustez avec précision les positions des fibres et rapprochez légèrement chaque fibre de la puce, à l’aide des contrôleurs d’étage piézoélectriques. Itérez entre le réglage fin de tous les couplages de fibres et le rapprochement de toutes les fibres de la puce.

L’objectif est d’avoir les fibres fermement pressées contre les côtés de la puce, avec la puissance mesurée maximisée. L’étape suivante consiste à caractériser la dispersion. Commencez la caractérisation en réglant le contrôleur de polarisation pour maximiser la lecture de puissance sur les wattmètres.

Maintenant, balayez le laser accordable sur la gamme de longueurs d’onde d’intérêt pour trouver le spectre de transmission. Extrayez la bande passante de chaque résonance et utilisez ces informations pour trouver les indices de groupe et les incertitudes correspondantes. Ensuite, identifiez les longueurs d’onde des deux lasers à pompe en trouvant deux résonances qui ont un nombre impair de résonances entre elles.

La connaissance de ces longueurs d’onde permet de déterminer la longueur d’onde des biphotons. Pour tester si ces trois longueurs d’onde sont compatibles avec un mélange spontané à quatre ondes, tracez l’indice de groupe en fonction de la longueur d’onde. Dans ce cas, les points bleus sont les indices de groupe.

L’ombrage rouge correspond à l’incertitude des indices de groupe, résultant de la bande passante de chaque résonance. La ligne horizontale verte s’étend entre les longueurs d’onde du laser de la pompe candidate. Comme la ligne se trouve entièrement à l’intérieur de la région ombrée, les longueurs d’onde de la pompe et du biphoton peuvent être utilisées pour l’expérience.

Une fois que les longueurs d’onde de la sonde ont été déterminées, créez la configuration finale de l’expérience. Celui-ci dispose de deux sources laser accordables, une pour chacune des longueurs d’onde du laser de la pompe. Les sorties laser vont chacune à des contrôleurs de polarisation séparés.

À partir de là, les deux sorties laser sont combinées dans un combinateur de fibres. À côté, il y a une série de filtres coupe-bande à base de fibres. Ces filtres permettent le passage des longueurs d’onde de la pompe, mais ils atteignent environ 120 décibels d’atténuation de la longueur d’onde biphotonique.

La sortie de ce filtre va dans la puce photonique. Sur chaque sortie, après la puce, il y a une série de filtres passe-bande. Ces filtres atténuent les longueurs d’onde de la pompe d’environ 150 décibels, mais dépassent les longueurs d’onde biphotoniques.

Les photons rejetés de chaque ensemble de filtres sont envoyés à un wattmètre dédié. La sortie de chacun des filtres à fibre optique est transmise à un détecteur de photons unique dédié. Chacun des détecteurs de photons uniques fournit des informations à un corrélateur de coïncidence.

Le déphaseur de l’interféromètre de Mach-Zehnder est un élément de chauffage résistif sur puce. Connectez un pilote de courant contrôlé par ordinateur aux pastilles de contact de la puce pour générer de la chaleur lorsque la tension est réglée. Pour deux mesures d’interférence photonique, commencez par les lasers à pompe aux longueurs d’onde choisies.

Surveillez les wattmètres pour vous assurer que chaque laser est réglé à sa résonance et que la puissance est maximisée. Ensuite, surveillez le nombre de coïncidences au corrélateur. Comme indiqué dans cette figure, trouvez le pic des données et intégrez-les sur une fenêtre d’environ 220 picosecondes, centrée sur celle-ci.

Gardez une trace du nombre de coïncidences jusqu’à ce qu’il y ait un total d’au moins 100. Cela indique qu’un temps d’intégration suffisant s’est écoulé. Maintenant, tournez-vous vers l’ordinateur pour régler le contrôle de tension du déphaseur à zéro volt.

Une fois le déphasage réglé, passez à l’un des lasers accordables et balayez toute la gamme de longueurs d’onde. Utilisez les wattmètres pour les photons de la pompe rejetés afin d’identifier l’emplacement des résonances précédemment sélectionnées qui ont pu dériver. Réglez les lasers de la pompe pour qu’ils correspondent aux résonances précédemment choisies.

Il est important de suivre les résonances choisies dans le temps, plutôt que les longueurs d’onde. est chauffé, l’anneau est également chauffé, mais beaucoup moins efficacement. Cela déplace les résonances vers des longueurs d’onde plus longues.

Collectez les données résultantes du corrélateur temporel en utilisant l’heure d’intégration précédemment choisie. Cela inclut le nombre de photons comptés par chaque détecteur dans le décompte des coïncidences. Après avoir collecté les données, ajustez le contrôle de tension du déphaseur et augmentez-le de cinq millivolts.

Répétez le balayage du laser et la collecte des données de comptage jusqu’à ce que la plage de tensions souhaitée soit couverte. Ces modèles classiques d’interférence lumineuse ont été obtenus à l’aide de la configuration de test en collectant le nombre de photons individuels en fonction de la phase relative entre les deux chemins. En plus des données mesurées, représentées par des cercles et des diamants, les lignes continues sont ajustées aux données.

Les chiffres représentent la visibilité calculée. Les mesures de corrélation de coïncidence montrent l’interférence quantique des photons intriqués. Notez que l’oscillation est à deux fois la fréquence du motif classique.

La courbe orange provient d’un test d’origine photonique qui nécessite que des photons intriqués soient générés à une longueur d’onde non prise en charge par l’anneau. Il démontre que les coïncidences proviennent de photons générés dans l’anneau. Ces données proviennent de six expériences dans lesquelles les paires de résonance sont symétriques en fréquence, autour de la résidence biphotonique souhaitée.

Chaque ensemble de données démontre une période de la moitié de celle de la phase relative. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en 10 à 15 heures, si elle est bien exécutée. Le temps total est principalement déterminé par la résolution de l’incrément de tension du déphaseur et le temps d’intégration associé à chaque mesure de coïncidence biphotonique.

En tentant cette procédure, il est important de penser à prendre son temps tout en optimisant les couplages de la puce. Si cela n’est pas fait correctement, les fibres peuvent ne pas être stables pendant les mesures. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la préparation et du test des sources de photons photoniques intégrées.