Name: シリコンリング共振器光子源における量子干渉の測定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T10:30:00.000+00:00
Duration: 12 min 19 s
Description: 学ぶシリコンリング共振器を用いた光子対源の量子干渉測定法。集積量子フォトニクス回路の特性評価に適用でき、相関光子のチップスケール生成と量子技術の発展に貢献します。

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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。

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<ol><li>小さなamounを置きますクロス切片研磨マウント上のワックスのtと〜130°Cに加熱します。 注：使用するワックスの量は、搭載される試料の大きさに依存します。あまりにも多くのチップ面上のワックスになりながら、不動のチップを維持するのに十分なワックスが存在する必要があります。 </li><li>研磨ワックスでマウントの部分にフォトニックチップを置きます。チップがマウントに対して平らになるように、ワックスが完全に溶融されていることを確認します。チップを取り扱うときは、ファセットの損傷を防ぐために、プラスチック製のピンセットを使用してください。 </li><li>ワックスが凝固するように、マウントが周囲の空気中で放冷します。より速く、これよりも冷却はチップが破損するおそれがあります。 </li><li>チップ面を研磨。 注：それは希望よりも、チップの多くを研磨除去をもたらすことがあまりにも積極的であるパッドで始まるとして正しいラッピングパッドを選択することが重要です。 <ol><li>研磨がほんの数秒間研磨し、研磨するためにマウント取り付けます。 3μmの粗さを有するパッドがあることが示されています約1センチファセット長さのシリコンチップのための良い出発点。 </li><li>研磨マウントを除去し、チップが搭載されている方法のレベルを決定するために、チップ端面を検査します。 注：顕微鏡は導波路の端部とチップの端面との間の距離を測定するのに有用です。これらの測定は、ファセットと決定される導波路との間の角度を可能にします。 </li><li>チップのレベリング性を向上させるために研磨上のマイクロメートルに必要な調整を行います。 </li><li>チップの端面まで1.4.1-1.4.3手順を繰り返して、導波路が互いに直交するという0.15°以内です。 </li><li>研磨は、〜があるまで、残りの距離を監視するために、各ステップの間にチップの検査が50μm〜100μmの工程におけるチップが研磨させました。任意の時点でクラッドが表面から剥離しているように見える場合、底にチップの上面から研磨するようにパッドが回転していることを確認してください。 注：また、水の代わりに研磨潤滑剤を使用するのを助けることができます。この剥離は、クラッド内の応力の結果であり、製造プロセスを最適化する必要があることを示すものです。 </li><li>あるまで残り20ミクロン〜1ミクロンのラッピングパッドとポリッシュに変更します。 </li><li> 0.5μmのパッドに変更し、別の15μmのために研磨続けます。 </li><li>滑らかな面を確保するためにファイナル・5ミクロンのために0.1μmのパッドを使用します。前と研磨後のシリコンフォトニクスチップの面の顕微鏡画像が、図2に示されています。 </li></ol></li><li>ワックスが溶融することを可能にする〜130°Cに取り付けられたチップをマウントを加熱します。 </li><li>ワックスが完全に溶融されると、マウントからチップを取り外し、それをゆっくりと冷却することができます。 </li><li>アセトン、イソプロパノール、及び水を使用してチップからの残りのワックスのいずれかをきれい。 </li></ol>繊維おさげの調製<ol><li>任意のバッファまたはコーティングFRストリップシングルモードファイバ（SMF）ピグテールの端OM及び超高開口数（ウナ）ファイバの一端から。 </li><li>アセトンとメタノールの混合物で繊維の裸の端を清掃してください。 </li><li>商用光ファイバカッタとの両方のファイバの裸の端を切断します。 </li><li> Fusionは、繊維の切断されたエンドスプライス。ウナファイバにスプライスSMFのためのレシピは、表1に示されています。 </li><li>スプライスの上に保護スリーブをスライドさせ、恒久的に繊維にそれを添付するスリーブオーブンに入れてください。 </li><li>繰り返しは3本の繊維の合計を準備するために2.1から2.5を繰り返します。 </li></ol>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。 <ol><li>場所チップ上のワックスの少量マウントワックスを溶融するためにTECに電圧を印加します。 </li><li>それは台紙の上に平らに座っていることを保証し、溶融したワックスの上にチップを置きます。 </li><li> TECからの電圧を外し、マウントとチップがゆっくり冷却することができます。 </li><li>ポリイミドテープファイバV溝にスプライス繊維のそれぞれを添付し、メーカー提供の取付金具を使用して3軸ステージの各々に単一のV溝をマウント。 </li><li>ファイバ端継手。 <ol><li>レーザの光出力への1つおよび光パワーメータに他の二つ：それぞれの構成要素には3本のファイバを接続します。 </li><li>それは導波路が端に到達し、チップ上に集光されるように、顕微鏡を調整します。 </li><li>それらは可視カメラの視野内にあるように、チップエッジに近い繊維を配置し、各ファイバのコアに焦点が合っているように、その高さを調整します。 </li><li>ステージmicrometeと繊維の水平位置を調整します彼らは、導波路に並んでいるようにRS。 </li><li>レーザおよび調整光が導波路に結合されるまで、入力ファイバの水平および垂直マイクロメートル位置の光出力をオンにします。これは、入力導波路に沿って、散乱としてIRカメラに表示されます。 </li><li>チューンマイクロリング共振器はカメラで点灯される点にレーザの波長。これは共振条件が満たされていることと、光が出力導波路に到達していることを示します。 </li><li>パワーメータに導波路から延びる光の測定可能な量があるまで出力ファイバの水平および垂直マイクロメートル位置を調整します。 </li><li> 3本の繊維の水平および垂直マイクロメートル位置を操作することにより、両方の検出器に電力を最大化します。 </li><li>さらに、ピエゾを用いて水平方向および垂直方向の繊維の位置を微調整することにより、検出器に電力を最大controllERS。 </li><li>チップにやや近い繊維を移動するピエゾコントローラを使用してください。そうファイバの切断された端を損傷しますそうするように、チップ上に繊維をプッシュするマイクロメータを使用しないようにしてください。 </li><li>繊維がしっかりとチップの側面に押し付けられるまで繰り返して、3.5.9と3.5.10を繰り返します。 注：不良な導波路の伝送と結合導波路、過剰な散乱光は、導波路の欠陥の指標とすることができます。これらには、材料欠陥部位、ステッチ境界、および過度の導波路粗さに限定されるものではないことができます。 </li></ol></li><li>レーザチップとの間のファイバベースの偏光コントローラを置きます。これは、チップにそれを作る偏光状態を制御することができます。導波路、それらはトールよりも幅広である、任意のオンチップ偏光回転を最小限に抑えるのを助けます。 </li><li>分散特性評価。 <ol><li>曲への結合を最大化するためにレーザ出力の偏光<html>チップ。このデバイスは、以下のような、横磁気（TM）偏光がはるかに高い損失を有し、横電気（TE）偏光のために設計されました。 </li><li>関心のある波長範囲にわたって波長可変レーザ（ここでは1600 nmの1,510 nm）をスキャンし、パワーメータを監視します。透過スペクトルの任意のアーティファクトが原因ファイバチップ界面から偏光とエタロン効果のTM成分との組み合わせに思われます。 </li><li>スペクトルにおける共振波長を検索し、各共振の帯域幅を抽出します。この特定のチップは、最大23000の品質係数（Q）に変換65午後、と小さい帯域幅を持っていました。 </li><li>共鳴の各隣接対に対して、自由スペクトル範囲（FSR）、共鳴間の分離を決定します。この特定のデバイスは、〜5nmのFSRを持っていました。 </li><li>以下の式を用いてFSRの値ごとに導波モードの群屈折率（N G）を計算します。 nは5&quot; SRC = &quot;/ファイル/ ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; ここで、λは波長であり、rは、マイクロリング共振器の半径です。上記の式は、群屈折率の第一次近似です。 </li><li>グループインデックスの各値に関連付けられた幅（のΔnG）を決定するために、各共振の帯域幅を使用します。 </li><li>それらはスペクトルにおける共鳴と一致すると、それらの間の共鳴（ 図1C）の奇数を有するように2つのポンプレーザの波長を選択してください。 </li><li>以下の式を用いて縮退双方向光子の波長を決定します。 <img alt="式6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> λ ポンプ1とλ2ポンプは、ポンプ光子の波長はどこにあります。 </li><li> 2つのポンプ波長（ 図3）との間に延在する対波長群屈折率のプロットの水平ラインを追加します。それは、LIN可能性がある場合同時に関心のあるすべての3つの波長におけるΔN G±n 個のG内に座ってeは、位相整合条件が満たされ、光子がSFWMを介して生成することができます。それが不可能な場合は、一緒に近いポンプ波長を選択しようとすると、もう一度確認してください。 </li></ol></li><li>セットアップする第二波長可変光源と偏光コントローラを追加し、1×2ファイバ結合器との両方のレーザからの光出力を組み合わせます。 </li><li>すぐにチップ前の繊維ベースのノッチフィルタ（それらの十分な減衰〜120デシベルを達成）のシリーズを追加します。 注：フィルタは、両方のポンプ波長は、二光子波長を渡すが、拒否することができます。彼らは、チップへのカップリングの前に（ すなわち、光ファイバに散乱ブロードバンドラマン）過剰なノイズを除去するのに役立ちます。フィルタのスペクトルを、図1Bに示されています。 </li><li>ファイバベースのバンドパスフィルタシリーズ（減衰〜150デシベルを達成するために、それらの十分な）を追加しますすぐにチップの後。 注：フィルタは、二光子が通過できるように十分な幅が、ポンプ光子を拒否するために十分狭くする必要があります。これらの2セット、出力ごとに1セットを必要としています。フィルタのスペクトルを、図1Bに示されています。 </li><li>パワーメータを分離するためのフィルタの各セットから拒否された光子を送信します。 注：これらの電力計は、チップに光結合をモニターするために使用され、また、ポンプレーザがオン共振残っているかどうかを決定するために使用することができます。 </li><li>単一光子検出器（SPD）に繊維系フィルタの各セットからの個々の光出力を接続し、一致相関器へのSPDの両方からの電気信号出力を接続します。 </li><li>タングステンプローブの対と交差し、（長さ1mm〜）螺旋脚の一方の先端を上下セットMZIの。 </li><li>電圧が印加されたときに熱を発生するように2つの交差プローブに電源を接続。これはトンのための位相シフタとして機能します彼MZI。 注：フォトニックデバイスの熱調整のためのより標準化された方法の説明のための説明を参照してください。 </li></ol> 4.二光子干渉を測定<ol><li>選択した波長にポンプレーザのチューニングの両方。両方のレーザは共振に同調されることを保証するために拒否されたポンプ光子を監視しているパワーメータを使用。レーザーは適切に必要な共振にチューニングされている場合、フィルタからの拒否信号が最大化されます。 </li><li> -3 dBmの各レーザからの光出力を設定します。 注：これはチップで&lt;100μWになります。 （多光子吸収と自由キャリア吸収から）損失を最小化し、（光誘起熱シフトを最小化することによって）安定性を維持するためにポンプパワーをこの低く保つことが重要です。 PN接合は、より良い、より高いポンプパワーに対応するために、導波路からキャリアを除去するために使用することができます。 </li><li>シンクロ（同時カウントを監視データのピーク程度〜220ピコ秒を超える統合することにより、二つのポート間ヌースシングル）。 100の一致数の最小値が収集された際に、十分な積分時間が経過しました。 注：統合ウィンドウはのSPDのタイミングジッタを説明するために十分な幅でなければなりません。 </li><li>初期電圧（ 例えば、0V）に移相器の電源を設定します。 </li><li>全波長範囲にわたって波長可変レーザのいずれかをスキャンし、関心の共鳴の位置を確認するために拒否されたポンプ光子を収集するパワーメータを使用。所望の共振に対応する波長のポンプレーザを設定します。 注意：位相シフタ電圧は熱チューニングのように変更されるたびに共振波長に小さなシフトにつながることができ、このステップを完了することが重要です。 </li><li>以前に選択したため、一致相関器から得られたデータ（単一光子計数、並びに一致カウント）を収集積分時間。ここで、90秒の積分時間は32ピコ秒のタイミング分解能で選択しました。 </li><li> 5 mVの位相シフタに印加する電圧を増加させます。 </li><li>データは、電圧の所望の範囲のために収集されるまで繰り返して、4.4から4.6までステップ。 注：最大電圧はこれにより電圧上記プローブの急速な分解を2.4 Vに制限されました。 </li><li>一致の総数（ 図4）を決定するため〜220ピコ秒にわたって各電源電圧用の一致ピークを統合します。 </li><li>偶然の同時発生を得るために、320以上のNS離れ一致ピークから統合します。一致ピークに臨時記号の数を計算し、この結果を使用してください。 </li><li>以下の修正正弦関数と、各検出器からのシングルカウントを合わせます： <img alt="式7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> A、B、C、D、E、及びFはフィットパラメータです。このフィットは非線形relationshする必要があります電圧と誘起熱シフト（相対位相）の間のIP。 </li><li>次式で（シングルは、各検出器からのカウントと一致カウント）データのすべての3つのセットの相対位相の独立変数に変換します。 <img alt="式（8）" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> B、C、D、及びEは、ステップ4.11からフィットパラメータである場合。この変換は、によりMZI 12の周知の正弦波伝達関数に可能です。 </li><li>以下の正弦関数で（独立変数としての相対位相で）一致データをフィット： <img alt="式9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> ここで、AとBは、フィットのパラメータがあります。 </li><li>次式を有する各干渉パターンの可視性を計算します。 <img alt="式10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> ƒ（θ）maxとƒ（ <em&gt;θ）minは 、それぞれ、ƒ（θ）の最大値と最小値です。 1の視認性は、完全な干渉パターンに対応します。 </li></ol>

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</ol>

我々は、開示することは何もありません。

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（&lt;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...

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。 <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" />どこ<img alt="式（2）" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" />そして<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> 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。 <img alt="式4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" />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。

<table><tbody><tr><td>3軸NanoMaxフレクシャーステージ</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>MAX312D精密3軸ステージ</td></tr><tr><td>3穴ファイバーストリッピングツール</td><td>Thorlabs</td><td>FTS4</td><td>バッファーストリッピングツール</td></tr><tr><td>3チャンネルピエゾコントローラー</td><td>Thorlabs</td><td>MDT693B</td><td>NanoMaxステージ用ピエゾコントローラー</td></tr><tr><td>ファイバー偏光コントローラー</td><td>Thorlabs</td><td>FPC562</td><td>3パドルファイバーベースの偏光コントローラー</td></tr><tr><td>ファイバークリーバー</td><td>Thorlabs</td><td>XL411</td><td>ファイバークリーバー</td></tr><tr><td>標準 Vグルーブ ファイバーホルダー</td><td>Thorlabs</td><td>HFV001</td><td>標準 Vグルーブマウント</td></tr><tr><td>テーパーVグルーブファイバーホルダー</td><td>Thorlabs</td><td>HFV002</td><td>テーパーVグルーブマウント</td></tr><tr><td>NanoMaxステージ用直角トッププレート</td><td>Thorlabs</td><td>AMA011</td><td>直角ブラケット</td></tr><tr><td>50:50 光ファイバーカプラー</td><td>Thorlabs</td><td>TW1550R5F1</td><td>50/50 コンバイナー</td></tr><tr><td>光ファイバー融着接続機</td><td>フジクラ</td><td>FSM-40S</td><td>融着接続機</td></tr><tr><td>MultiPrep 研磨システム - 8インチ</td> <td>Allied High Tech</td><td>15-2100</td><td>チップポリッシャー</td></tr><tr><td>GreenLube</td><td>Allied High Tech</td><td>90-209010</td><td>研磨潤滑剤</td></tr><tr><td>クロスセクショニングパドル リファレンスエッジ付き</td><td>Allied High Tech</td><td>15-1010-RE</td><td>ポリッシングマウント</td></tr><tr><td>光波測定システム</td><td>Keysight</td><td>8164B</td><td>チューナブルレーザー用メインフレーム</td></tr>チュー<tr><td>ナブルレーザーソース</td><td>Keysight</td><td>81606A</td><td>チューナブルレーザー</td></tr><tr><td>光パワーセンサー</td><td>Keysight</td><td>81634B</td><td>パワー</td></tr><tr><td>メーターNIR単一光子検出器</td><td>ID Quantique</td><td>ID210</td><td>単一光子検出器</td></tr><tr><td>NIR 単一光子検出器</td><td>ID Quantique</td><td>ID230</td><td>低ノイズ、自走型単一光子検出器</td></tr><tr><td>PicoHarp</td><td>PicoQuant</td><td>PicoHarp 300</td><td>時間相関単一光子計数</td></tr><tr><td>WiDy SWIR InGaAsカメラ</td><td>NIT</td><td>640U-S</td><td>IRカメラ</td></tr><tr><td>WDMバンドパスフィルター</td><td>JDS 単相</td><td>30055053-368-2.2</td><td>ポンプクリーンアップフィルター</td></tr><tr><td>WDMバンドパスフィルター</td><td>JDS単相</td><td>1011787-012</td><td>ポンプ拒絶フィルター</td></tr><tr><td>超高開口数ファイバーNufern</td><td></td><td>UHNA-7</td>高<td>屈折率ファイバー</td></tr><tr><td>超光シングルモードファイバー</td><td>コーニング</td><td>SMF-28</td><td>標準シングルモードファイバー</td></tr></tbody></table>

シリコンリング共振器光子源における量子干渉の測定

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

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。

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<html> 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<...

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。

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

この手順の全体的な目標は、量子干渉の測定を通じて、統合されたフォトニック光子ペアソースを特徴付けることです。この方法は、相関光子のチップスケールソースを実現し、それらを量子集積フォトニック回路に統合する方法など、集積量子フォトニクスに関連する主要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、さまざまな集積量子フォトニック回路に適用できることです。実験の中心にあるのはフォトニックチップです。このチップは一辺が約5mmで、標準的な技術を使用して製造されています。このチップの画像は、そのコンポーネントを示しています。入力導波管、光子が時計回りと反時計回りの両方に伝搬するリング共振器、出力導波管に続くマッハツェンダー干渉計を含むポンプ回路があります。金属リードによりオンチップの加熱が可能になり、干渉計の位相シフトが発生します。回路で使用するチップを準備するには、チップポリッシャーで研磨します。まず、ポリッシャーを使用してチップを水平にし、すべてのファセットを直交させます。3ミクロンのラッピングパッドで、研磨マークの端から約100ミクロン以内まで、約50ミクロン刻みでチップを研磨します。50ミクロンごとにチップを検査して、残りの距離を決定します。残りが約100ミクロンになったら、1ミクロンのラッピングパッドに交換します。チップの研磨を続け、進行状況を監視します。残りが約20ミクロンになったら、0.5ミクロンのパッドに交換します。研磨マークの端から15ミクロン以内になるまで、チップをさらに研磨します。15ミクロンで、ラッピングパッドを0.1ミクロンの粗さのものに変更します。このパッドを使用して、研磨マークが10ミクロンだけ残るまでチップを研磨します。最後の研磨ステップでは、0.1ミクロンのラッピングパッドを使用して、滑らかなファセットを確保します。チップをクリーニングして後で使用するために保管する前に、チップを取り外してください。光ファイバーを準備するために必要な機器を集めます。これには、ファイバーストリッパー、ファイバークリーバー、フュージョンスプライサー、スリーブオーブンが含まれます。3つのシングルモードファイバーピグテールと、それぞれに約20〜30センチメートルの超高開口数ファイバーを使用します。1つのピグテールを準備するには、ファイバーストリッパーを使用して、その端からバッファーまたはコーディングを取り除きます。超高開口数ファイバーの長さの一端についても同じことを行います。ファイバーをクリーニングした後、ファイバークリーバーを使用して融着接続の準備をします。次に、繊維をスプライサーに移動します。ファイバーを所定の位置に置き、劈開した端を適切に位置合わせします。適切なパラメータを入力し、スプライスを実行します。完了したら、スプライスされたファイバーを取り外して検査します。スプライスが許容できる場合は、保護スリーブをスプライス部位にスライドさせます。次に、スリーブで覆われたスプライスをスリーブオーブンに入れて、ファイバーに恒久的に固定します。実験で使用するための3本のスプライシングファイバーを作製します。実験は光学ベンチで行われます。ベンチには、ピエゾコントローラーを備えた3つの3軸平行移動ステージがあります。これらは、チップウェーブガイドにアクセスできるように配置されています。並進ステージは、銅製の台座にすでに取り付けられている光チップを囲んでいます。台座は熱電冷却器と接触しています。各翻訳ステージには、準備された繊維の1つがV溝にあり、ポリイミドテープで貼り付けられています。チップのある領域は、可視カメラと赤外線カメラの両方を備えた顕微鏡を使用して表示できます。この時点で、ファイバーを実験装置に接続できます。チップ入力を偏光コントローラーを介してチューナブルレーザー光源の光出力に接続します。チップの各出力を光パワーメーターに接続します。次に、チップで動作するように顕微鏡の位置を調整します。ウェーブガイドがチップの端に達するところに顕微鏡の焦点を合わせ、平行移動ステージを使用してファイバーをチップの端近くに配置します。ファイバーを可視カメラの視界に近づけ、各ファイバーのコアにピントが合うように高さを調整します。先に進む前に、各ファイバーの水平位置がそのウェーブガイドと揃っていることを確認してください。レーザーの光出力をオンにし、光が導波路に結合するまで入力ファイバーの位置を調整します。赤外線カメラでは、これは入力ウェーブガイドに沿って散乱として表示されます。次に、レーザーの波長を調整して、マイクロリング共振器が赤外線カメラで点灯するようにします。これは、共振条件が満たされたことを示します。マイクロメーターでファイバーの位置を操作して、パワーメーターで測定される出力電力を最大化します。ファイバーの位置を微調整し、ピエゾステージコントローラーを使用して、各ファイバーをチップに少し近づけます。すべてのファイバーカップリングを微調整し、すべてのファイバーをチップに近づける作業を繰り返します。目標は、ファイバーをチップの側面にしっかりと押し付け、測定された電力を最大化することです。次のステップは、分散の特性評価です。特性評価を開始するには、パワー メーターの電力読み取り値を最大化するように偏波コントローラーを調整します。次に、対象の波長範囲でチューナブルレーザーをスキャンして、透過スペクトルを見つけます。各共振の帯域幅を抽出し、その情報を使用してグループ インデックスと対応する不確実性を見つけます。次に、2つの励起レーザーの間に奇数の共鳴がある2つの共振を見つけることにより、2つの励起レーザーの波長を特定します。これらの波長を知ることで、双光子の波長を決定することができます。これら 3 つの波長が自発的な 4 波長混合と一致しているかどうかを検定するには、グループインデックスと波長をプロットします。この場合、青い点がグループインデックスです。赤い網掛けは、各共振の帯域幅の結果としてのグループインデックスの不確かさに対応しています。緑色の水平線は、候補ポンプレーザー波長の間に伸びています。線は完全に影付きの領域内にあるため、ポンプ波長と双光子波長を実験に使用できます。プローブの波長を決定したら、最終的な実験セットアップを作成します。これには、ポンプレーザー波長ごとに1つずつ、計2つの調整可能なレーザー光源があります。レーザー出力は、それぞれ別々の偏光コントローラーに送られます。そこから、2つのレーザー出力がファイバーコンバイナーで結合されます。その隣には、一連のファイバーベースのノッチフィルターがあります。これらのフィルターは、ポンプ波長の通過を可能にしますが、二光子波長の約120デシベルの減衰を達成します。このフィルターの出力はフォトニックチップに入ります。各出力では、チップの後に、一連のバンドパスフィルターがあります。これらのフィルターは、ポンプ波長を約150デシベル減衰させますが、バイフォトン波長を通過します。フィルターの各セットから除去された光子は、専用のパワーメーターに送られます。各ファイバーベースのフィルターからの出力は、専用の単一光子検出器に送られます。各単一光子検出器は、一致相関器への入力を提供します。マッハツェンダー干渉計の位相シフターは、オンチップ抵抗ヒーターです。コンピュータ制御の電流ドライバをチップの接点パッドに接続し、電圧が設定されたときに熱を発生させます。2つの光子干渉測定では、選択した波長のポンプレーザーから始めます。パワーメーターを監視して、各レーザーが共振に調整され、パワーが最大化されていることを確認します。次に、相関器での一致度数を監視します。この図に示すように、データのピークを見つけ、それを中心として約 220 ピコ秒のウィンドウで積分します。一致カウントは、合計が 100 以上になるまで追跡します。これは、十分な積分時間が経過したことを示します。次に、コンピューターに目を向けて、フェーズシフターの電圧制御をゼロボルトに設定します。位相シフトを設定したら、チューナブルレーザーの1つに移動し、全波長範囲をスキャンします。除去されたポンプ光子のパワーメーターを使用して、ドリフトした可能性のある以前に選択した共振の位置を特定します。以前に選択した共振に一致するようにポンプレーザーを設定します。波長ではなく、選択した共振を経時的に追跡することが重要です。が加熱されると、リングも加熱されますが、効率は大幅に低下します。これにより、共振はより長い波長にシフトします。以前に選択した積分時間を使用して、時間相関子から結果のデータを収集します。これには、一致カウントの各検出器によってカウントされた光子の数が含まれます。データを収集した後、電圧を調整しますtag位相シフターの制御、および5ミリボルトずつインクリメントします。レーザーのスキャンとカウントデータの収集を繰り返し、目的の電圧範囲がカバーされるまで収集します。これらの古典的な光干渉パターンは、2つのパス間の相対位相の関数として個々の光子カウントを収集することにより、テストセットアップを使用して取得されました。円とひし形で表される測定データに加えて、実線がデータに適合します。数値は、計算された可視性を表します。一致相関測定は、もつれた光子の量子干渉を示しています。振動はクラシックパターンの2倍の周波数であることに注意してください。オレンジ色の曲線は、リングでサポートされていない波長でもつれた光子を生成する必要がある光子起源のテストからのものです。これは、一致がリングで生成された光子によるものであることを示しています。このデータは、共鳴ペアが周波数が対称である6つの実験から得られたもので、目的の双光子居住についてです。データの各セットは、相対位相の半分の周期を示しています。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば、10〜15時間で実行できます。合計時間は、主に移相器の電圧増分の分解能と、各バイフォトン一致測定の関連する積分時間によって決まります。この手順を試行する際は、チップのカップリングを最適化する際に時間をかけることを忘れないでください。適切に行わないと、測定中に繊維が安定しない場合があります。このビデオを見れば、統合フォトニック光子源の準備とテストの方法について十分に理解できるはずです。

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