Misura di interferenza quantistica in una fonte di silicio Anello Resonator Photon

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di caratterizzare una sorgente di coppia di fotoni fotonici integrata attraverso la misurazione dell'interferenza quantistica. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave relative alla fotonica quantistica integrata, incluso come realizzare sorgenti su scala di chip di fotoni correlati e integrarle in circuiti fotonici integrati quantistici. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può essere applicata a un'ampia varietà di circuiti fotonici quantistici integrati.

Al centro dell'esperimento c'è il chip fotonico. Questo chip è di circa cinque millimetri di lato ed è fabbricato utilizzando tecniche standard. Questa immagine del chip rivela i suoi componenti.

C'è un circuito di pompa, che include la guida d'onda di ingresso, un risonatore ad anello, in cui i fotoni si propagano sia in senso orario che antiorario, e un interferometro di Mach-Zehnder, che è seguito da guide d'onda di uscita. I conduttori metallici consentono il riscaldamento su chip, con conseguente sfasamento nell'interferometro. Per preparare il chip per l'uso nel circuito, lucidare con un lucidatore di trucioli.

Per prima cosa usa la lucidatrice per livellare il truciolo e rendere ortogonali tutte le sfaccettature. Lucidare il truciolo con un tampone di lappatura da tre micron, con incrementi di circa 50 micron, fino a circa 100 micron dalla fine dei segni di lucidatura. Dopo ogni 50 micron, ispezionare il chip per determinare la distanza rimanente.

Quando rimangono circa 100 micron, passare a un platorello da un micron. Continuare a lucidare il chip e a monitorare i progressi. Quando rimangono circa 20 micron, passare a un tampone da 0,5 micron.

Lucidare ulteriormente il truciolo, fino a 15 micron dalla fine dei segni di lucidatura. A 15 micron, sostituire la placca con una rugosità di 0,1 micron. Usa questo tampone per lucidare il truciolo fino a quando rimangono solo 10 micron di segni di lucidatura.

L'ultima fase di lucidatura, con un tampone di lappatura da 0,1 micron, garantisce una sfaccettatura liscia. Rimuovere il chip prima di pulirlo e riporlo per un uso successivo. Raccogli l'attrezzatura necessaria per preparare le fibre ottiche.

Ciò include uno spogliafibra, una mannaia per fibre, una giuntatrice a fusione e un forno a maniche. Lavora con le tre trecce in fibra monomodale e circa 20-30 centimetri di fibra ad apertura numerica ultra alta per ciascuna. Per preparare un codino, utilizzare lo sverniciatore di fibre per rimuovere qualsiasi tampone o codifica dalla sua estremità.

Fai lo stesso con un'estremità della lunghezza della fibra ad apertura numerica ultra alta. Dopo aver pulito le fibre, utilizzare la mannaia per prepararle per la giunzione a fusione. Quindi, sposta le fibre sulla giuntatrice.

Metti le fibre in posizione e allinea correttamente le estremità tagliate. Immettere i parametri appropriati ed eseguire la giunzione. Al termine, rimuovere le fibre giuntate e ispezionarle.

Se la giunzione è accettabile, far scorrere un manicotto protettivo sul sito di giunzione. Quindi posizionare la giunzione ricoperta da maniche nel forno a maniche per fissarla in modo permanente alla fibra. Continua a produrre tre fibre giuntate da utilizzare nell'esperimento.

L'esperimento si svolge su un banco ottico. Sul banco ci sono tre stadi di traslazione a tre assi con controllori piezoelettrici. Sono posizionati in modo da consentire l'accesso alle guide d'onda del chip.

Le fasi di traslazione circondano il chip ottico che è già stato montato su un piedistallo di rame. Il piedistallo è a contatto con il raffreddatore termoelettrico. Ogni fase di traslazione ha una delle fibre preparate in una scanalatura a V e fissata con nastro di poliimmide.

La regione con il chip può essere visualizzata utilizzando un microscopio, dotato di telecamere sia a vista che a infrarossi. A questo punto, le fibre possono essere collegate agli strumenti dell'esperimento. Collegare l'ingresso del chip all'uscita ottica di una sorgente laser sintonizzabile tramite un controller di polarizzazione.

Collegare ogni uscita del chip a un misuratore di potenza ottica. Ora, regola la posizione del microscopio per lavorare con il chip. Focalizzare il microscopio nel punto in cui le guide d'onda raggiungono il bordo del chip e utilizzare gli stadi di traslazione per posizionare le fibre vicino al bordo del chip.

Porta le fibre in vista della telecamera visibile e regola le loro altezze, in modo che il nucleo di ciascuna fibra sia a fuoco. Prima di procedere, assicurarsi che la posizione orizzontale di ciascuna fibra sia allineata con la sua guida d'onda. Accendere l'uscita ottica del laser e regolare la posizione della fibra di ingresso fino a quando la luce non si accoppia nella guida d'onda.

Sulla fotocamera a infrarossi, questo apparirà come dispersione lungo la guida d'onda di ingresso. Quindi, sintonizza la lunghezza d'onda del laser in modo che il risonatore a microanelli sia acceso sulla fotocamera a infrarossi. Ciò indica che la condizione di risonanza è stata soddisfatta.

Proseguire manipolando le posizioni delle fibre con i micrometri, in modo da massimizzare la potenza di uscita misurata dai misuratori di potenza. Regola con precisione le posizioni delle fibre e avvicina leggermente ciascuna fibra al chip, utilizzando i controller di stadio piezoelettrici. Passa dalla messa a punto di tutti gli accoppiamenti delle fibre allo spostamento di tutte le fibre più vicino al chip.

L'obiettivo è quello di avere le fibre premute saldamente contro i lati del chip, con la potenza misurata massimizzata. Il passo successivo è quello di caratterizzare la dispersione. Inizia la caratterizzazione regolando il controller di polarizzazione per massimizzare la lettura della potenza sui misuratori di potenza.

Ora, scansiona il laser sintonizzabile sull'intervallo di lunghezze d'onda di interesse per trovare lo spettro di trasmissione. Estrai la larghezza di banda di ciascuna risonanza e utilizza le informazioni per trovare gli indici di gruppo e le incertezze corrispondenti. Successivamente, identifica le lunghezze d'onda dei due laser a pompa trovando due risonanze che hanno un numero dispari di risonanze tra di loro.

Conoscere queste lunghezze d'onda consente di determinare la lunghezza d'onda del bifotone. Per verificare se queste tre lunghezze d'onda sono coerenti con la miscelazione spontanea a quattro onde, tracciare l'indice di gruppo rispetto alla lunghezza d'onda. In questo caso, i punti blu sono gli indici di gruppo.

L'ombreggiatura rossa corrisponde all'incertezza degli indici di gruppo, come risultato della larghezza di banda di ciascuna risonanza. La linea orizzontale verde si estende tra le lunghezze d'onda del laser della pompa candidata. Poiché la linea è interamente all'interno della regione ombreggiata, le lunghezze d'onda della pompa e del bifotone possono essere utilizzate per l'esperimento.

Una volta determinate le lunghezze d'onda della sonda, creare la configurazione finale dell'esperimento. Questo ha due sorgenti laser sintonizzabili, una per ciascuna delle lunghezze d'onda del laser della pompa. Le uscite laser vanno ciascuna a controller di polarizzazione separati.

Da lì, le due uscite laser vengono combinate in un combinatore di fibre. Accanto c'è una serie di filtri notch a base di fibre. Questi filtri consentono il passaggio delle lunghezze d'onda della pompa, ma raggiungono circa 120 decibel di attenuazione della lunghezza d'onda del bifotone.

L'uscita di questo filtro va nel chip fotonico. Su ogni uscita, dopo il chip, c'è una serie di filtri passa-banda. Questi filtri attenuano le lunghezze d'onda della pompa di circa 150 decibel, ma superano le lunghezze d'onda del bifotone.

I fotoni respinti da ciascun set di filtri vengono inviati a un misuratore di potenza dedicato. L'uscita di ciascuno dei filtri basati su fibra va a un rilevatore di fotoni singolo dedicato. Ciascuno dei singoli rivelatori di fotoni fornisce l'input a un correlatore di coincidenza.

Lo sfasatore per l'interferometro di Mach-Zehnder è un riscaldatore resistivo su chip. Collegare un driver di corrente controllato da computer alle piazzole di contatto del chip per generare calore quando la tensione è impostata. Per due misurazioni dell'interferenza dei fotoni, iniziare con i laser a pompa alle lunghezze d'onda scelte.

Monitora i misuratori di potenza per assicurarti che ogni laser sia sintonizzato sulla sua risonanza e che la potenza sia massimizzata. Quindi, monitora i conteggi delle coincidenze presso il correlatore. Come indicato in questa figura, trovare il picco dei dati e integrarli in una finestra di circa 220 picosecondi, centrata su di esso.

Tieni traccia dei conteggi delle coincidenze fino a quando non c'è un totale di almeno 100. Ciò indica che è trascorso un tempo di integrazione sufficiente. Ora, rivolgiti al computer per impostare il controllo della tensione per lo sfasatore a zero volt.

Una volta impostato lo sfasamento, passare a uno dei laser sintonizzabili ed eseguire la scansione sull'intera gamma di lunghezze d'onda. Utilizzare i misuratori di potenza per i fotoni di pompa respinti per identificare la posizione delle risonanze precedentemente selezionate che potrebbero essersi spostate. Impostare i laser della pompa in modo che corrispondano alle risonanze scelte in precedenza.

È importante seguire le risonanze scelte nel tempo, piuttosto che le lunghezze d'onda. è riscaldato, anche l'anello è riscaldato, ma in modo molto meno efficiente. Questo sposta le risonanze su lunghezze d'onda più lunghe.

Raccogli i dati risultanti dal correlatore temporale utilizzando il tempo di integrazione scelto in precedenza. Ciò include il numero di fotoni contati da ciascun rivelatore nei conteggi di coincidenza. Dopo aver raccolto i dati, regolare il controllo della tensione dello sfasatore e incrementarlo di cinque millivolt.

Ripetere la scansione del laser e la raccolta dei dati di conteggio fino a coprire l'intervallo di tensioni desiderato. Questi modelli classici di interferenza della luce sono stati ottenuti utilizzando la configurazione di test raccogliendo il conteggio dei singoli fotoni in funzione della fase relativa tra i due percorsi. Oltre ai dati misurati, rappresentati da cerchi e rombi, le linee continue si adattano ai dati.

I numeri rappresentano la visibilità calcolata. Le misure di correlazione di coincidenza mostrano l'interferenza quantistica dei fotoni entangled. Si noti che l'oscillazione è al doppio della frequenza del modello classico.

La curva arancione proviene da un test di origine dei fotoni che richiede la generazione di fotoni entangled a una lunghezza d'onda non supportata dall'anello. Dimostra che le coincidenze provengono dai fotoni generati nell'anello. Questi dati provengono da sei esperimenti in cui le coppie di risonanza sono simmetriche in frequenza, circa la residenza bifotonica desiderata.

Ogni insieme di dati dimostra un periodo pari alla metà di quello della fase relativa. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in 10-15 ore, se eseguita correttamente. Il tempo totale è determinato principalmente dalla risoluzione dell'incremento di tensione dello sfasatore e dal tempo di integrazione associato di ciascuna misura di coincidenza di bifotoni.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di prendersi il tempo necessario per ottimizzare gli accoppiamenti del chip. Se non eseguite correttamente, le fibre potrebbero non essere stabili durante le misurazioni. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come preparare e testare le sorgenti di fotoni fotonici integrate.