シリコンフォトニックチップは、複雑な集積量子系を実現する可能性を秘めています。ここで提示され、量子測定用シリコンフォトニクスチップを調製し、試験するための方法です。
方法論記事
シリコンフォトニックチップは、複雑な集積量子系を実現する可能性を秘めています。ここで提示され、量子測定用シリコンフォトニクスチップを調製し、試験するための方法です。
シリコンフォトニックチップは、光子源、量子ビット操作、および統合された単一光子検出器を含む複雑な集積量子情報の処理回路を実現する可能性を有します。ここでは、統合された光子源と二光子干渉計を有するシリコンフォトニック量子チップを調製し、試験の重要な側面を提示します。生成された光子の全てが可能な限り高い忠実度で検出されるように、量子集積回路の最も重要な側面は、損失を最小限にします。ここで、我々は密接にシリコン導波路のモードに合わせて超高開口数ファイバを用いて低損失エッジ結合を実行する方法について説明します。最適化された融着接続レシピを用いて、ウナ繊維をシームレス標準的なシングルモードファイバとインターフェースされます。この低損失結合は、統合されたシリコンリング共振器及び生成Pのその後の二光子干渉に高忠実度光子生成の測定を可能にします密接に統合されたマッハツェンダー干渉計でhotons。本論文では、高性能でスケーラブルなシリコン量子フォトニック回路の製造および特性評価に不可欠な手順を説明します。
シリコン量子情報処理1、2、3、4、5用のフォトニクスプラットフォームとして大きな期待を示しています。量子フォトニック回路の重要なコンポーネントの一つは、光子源です。光子対源が3次の非線形プロセスによって作られたマイクロリング共振器の形で、シリコンから開発されてきた、自発四光波混合(SFWM)6、7、8。これらのソースは、光子エンタングルメント9を含む実験に理想的である区別できない光子のペアを生成することができます。
共振源が時計回りと反時計回りの伝播の両方で動作することができ、そのリングに注意することが重要であり、2つの異なる伝搬方向が遺伝子であります互いに独立結集。これは、単一の環は、2つのソースとして機能することを可能にします。光学両方向から汲み上げたとき、これらのソースは、以下のエンタングル状態を生成します。

どこ
そして
clockwise-と反時計回りに伝播する双方向光子のための独立した創造事業者は、それぞれ、あります。これは、N00N状態(N = 2)10として知られるエンタングル状態の非常に望ましい形態です。
オンチップのマッハツェンダー干渉計(MZI)を介してこの状態を通過する状態となります。

この状態は、2倍の最大偶然とゼロ偶然の一致との間で振動しますMZIにおける古典的な干渉の周波数は、効果的に干渉計10の感度を倍増します。ここでは、そのような統合された光子源とMZIのデバイスをテストするために使用される手順を提示します。
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注:このプロトコルは、フォトニックチップがすでに製作されていることを前提としています。 ( 図1Aに示されている)ここに記載のチップは、シリコンフォトニックデバイス11のための標準的な処理技術を用いて、コーネル大学ナノスケール科学技術施設で作製しました。これらは、ストリップ導波路を定義する(220 nmの厚さのシリコン層、二酸化ケイ素の3μmの層、及び525ミクロン厚のシリコン基板からなる)シリコン・オン・インシュレータウェハの使用、電子ビームリソグラフィを含みます(500nmの全体)、及び二酸化ケイ素クラッド(〜3μmの厚さ)のプラズマ化学気相蒸着。マイクロリング共振器は18.5ミクロンの内径と150nmの導波路にリングギャップを有するように設計しました。このデバイスの性能指数は、損失、品質係数、自由スペクトル範囲、および分散が含まれます。
1.フォトニックチップ製造
繊維おさげの調製
テストのセットアップの3.設定
注:試験セットアップの図を図1Bに示されています。チップのマウントは、熱電冷却器(TEC)と接触している銅の台座です。フォトニックチップを表示するための可視および赤外線(IR)カメラの両方を取り付けた顕微鏡があります。

4.二光子干渉を測定




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二つの経路間の相対位相を調整されたように、個々の各検出器からの光子カウント、ならびに一致カウントは、収集しました。個体数( 図5A)は 94.5±1.6%及び94.9±0.9%の視認性を有するMZIから古典的な干渉パターンを示します。古典的な干渉パターンの2倍の周波数で発振することによって明らかなように一致測定( 図5B)は、(臨時記号と96.0±2.1%を差し引い)93.3±2.0%の可視性、もつれ状態の量子干渉を示します。光子は主にリング状に発生していることを確認するために、ポンプは、リングによってサポートされていない波長で生成される二光子を必要とするであろう2つの共鳴に構成しました。 図5Bにオレンジ色の線は、このような構成で、有意coincidencが存在しない、ことを確認します ES。 図6は、一致が所望の二光子に対応する共振周波数で約対称で利用可能な共振ペアのカウントを示しています。全ての場合において、相対位相の2θ<...
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実現可能にするフォトニックデバイスの複雑かつスケーラブルなシステムにするために克服するための統合フォトニクスの分野のための複数の課題があります。これらには、これらに限定されない:厳しい製造公差、環境の不安定性からの単離、および損失のすべての形態の最小化。フォトニックデバイスの損失を最小限に抑えるために役立つ上記のプロトコルの重要なステップがあります。
損失を最小にする最も重要な要件の1つは、密接繊維と導波路の光学モードに一致しています。難しさの一部は、SMF(〜10ミクロン)の大きなモードフィールド径(MFD)に由来します。統合されたデバイス側では、はるかに小さいMFD(<1μM)と500nmの幅のシリコン導波路があります。ウナ繊維の長さにSMF又はフォトニックチップの端部に逆テーパーを確定する:繊維と導波路と、このモード遷移は、2つの方法で改善することができます。スプライスされた地域betw〜3μmで、モードのサイズを小さくする、モード変換器としてSMFとウナ繊維作用をEEN。逆テーパーは、それが面に近づくように、導波路の幅を減少させることによって、チップ上のモードを展開す...
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我々は、開示することは何もありません。
この作品は、国立科学財団(助成ECCS-1542081)によってサポートされているコーネル大学ナノスケール科学技術施設、国家ナノテクノロジー基盤ネットワークのメンバー、で部分的に実行されました。私たちは、空軍研究所(AFRL)から、この仕事のためのサポートを認めます。この材料は、部分的に賞第ECCS14052481の下で国立科学財団によってサポートされる作業に基づいています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3軸NanoMaxフレクシャーステージ | Thorlabs | MAX312D精密3軸ステージ | |
| 3穴ファイバーストリッピングツール | Thorlabs | FTS4 | バッファーストリッピングツール |
| 3チャンネルピエゾコントローラー | Thorlabs | MDT693B | NanoMaxステージ用ピエゾコントローラー |
| ファイバー偏光コントローラー | Thorlabs | FPC562 | 3パドルファイバーベースの偏光コントローラー |
| ファイバークリーバー | Thorlabs | XL411 | ファイバークリーバー |
| 標準 Vグルーブ ファイバーホルダー | Thorlabs | HFV001 | 標準 Vグルーブマウント |
| テーパーVグルーブファイバーホルダー | Thorlabs | HFV002 | テーパーVグルーブマウント |
| NanoMaxステージ用直角トッププレート | Thorlabs | AMA011 | 直角ブラケット |
| 50:50 光ファイバーカプラー | Thorlabs | TW1550R5F1 | 50/50 コンバイナー |
| 光ファイバー融着接続機 | フジクラ | FSM-40S | 融着接続機 |
| MultiPrep 研磨システム - 8インチ | Allied High Tech | 15-2100 | チップポリッシャー |
| GreenLube | Allied High Tech | 90-209010 | 研磨潤滑剤 |
| クロスセクショニングパドル リファレンスエッジ付き | Allied High Tech | 15-1010-RE | ポリッシングマウント |
| 光波測定システム | Keysight | 8164B | チューナブルレーザー用メインフレーム |
| ナブルレーザーソース | Keysight | 81606A | チューナブルレーザー |
| 光パワーセンサー | Keysight | 81634B | パワー |
| メーターNIR単一光子検出器 | ID Quantique | ID210 | 単一光子検出器 |
| NIR 単一光子検出器 | ID Quantique | ID230 | 低ノイズ、自走型単一光子検出器 |
| PicoHarp | PicoQuant | PicoHarp 300 | 時間相関単一光子計数 |
| WiDy SWIR InGaAsカメラ | NIT | 640U-S | IRカメラ |
| WDMバンドパスフィルター | JDS 単相 | 30055053-368-2.2 | ポンプクリーンアップフィルター |
| WDMバンドパスフィルター | JDS単相 | 1011787-012 | ポンプ拒絶フィルター |
| 超高開口数ファイバーNufern | UHNA-7 | 屈折率ファイバー | |
| 超光シングルモードファイバー | コーニング | SMF-28 | 標準シングルモードファイバー |
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