シリコンリング共振器光子源における量子干渉の測定

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。

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。