실리콘 링 공진기 광자 소스에서 양자 간섭 측정

이 절차의 전반적인 목표는 양자 간섭 측정을 통해 통합된 광자 쌍 소스를 특성화하는 것입니다. 이 방법은 상관 광자의 칩 스케일 소스를 실현하고 이를 양자 집적 광자 회로에 통합하는 방법을 포함하여 통합 양자 포토닉스와 관련된 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 다양한 통합 양자 광자 회로에 적용할 수 있다는 것입니다.

실험의 핵심은 포토닉 칩입니다. 이 칩은 한 면이 약 5mm이며 표준 기술을 사용하여 제작됩니다. 이 칩의 이미지는 구성 요소를 보여줍니다.

입력 파동 가이드, 광자가 시계 방향과 시계 반대 방향으로 모두 전파되는 링 공진기, 출력 도파관이 뒤따르는 Mach-Zehnder 간섭계를 포함한 펌프 회로가 있습니다. 금속 리드는 온칩 가열을 허용하여 간섭계에서 위상 변이를 일으킵니다. 회로에 사용할 칩을 준비하려면 칩 연마기로 연마하십시오.

먼저 연마기를 사용하여 칩의 수평을 맞추고 모든 면을 직교하게 만듭니다. 연마 표시 끝에서 약 100미크론 이내가 될 때까지 약 50미크론 단위로 3미크론 래핑 패드로 칩을 연마합니다. 각 50미크론 후에 칩을 검사하여 남은 거리를 확인합니다.

약 100미크론이 남았을 때 1미크론 랩핑 패드로 변경합니다. 칩을 계속 연마하고 진행 상황을 모니터링하십시오. 약 20미크론이 남았을 때 0.5미크론 패드로 변경합니다.

연마 표시 끝에서 15미크론 이내가 될 때까지 칩을 더 연마합니다. 15미크론에서 래핑 패드를 거칠기가 0.1미크론인 패드로 변경합니다. 이 패드를 사용하여 연마 표시가 10미크론만 남을 때까지 칩을 연마합니다.

0.1 미크론 래핑 패드를 사용한 마지막 연마 단계는 부드러운 패싯을 보장합니다. 청소하고 나중에 사용하기 위해 보관하기 전에 칩을 제거하십시오. 광섬유를 준비하는 데 필요한 장비를 모으십시오.

여기에는 섬유 스트리퍼, 섬유 절단기, 융합 접합기 및 슬리브 오븐이 포함됩니다. 3개의 단일 모드 광섬유 땋은 머리와 각각에 대해 약 20-30cm의 초고 개구 섬유로 작업하십시오. 하나의 땋은 머리를 준비하려면 파이버 스트리퍼를 사용하여 끝에서 버퍼나 코딩을 제거합니다.

초고 개구 섬유 길이의 한쪽 끝도 동일한 작업을 수행합니다. 섬유를 청소한 후 섬유 절단기를 사용하여 융합 접합을 준비합니다. 다음으로 섬유를 스플라이서로 이동합니다.

섬유를 제자리에 놓고 절단된 끝을 적절하게 정렬합니다. 적절한 매개변수를 입력하고 접합을 수행합니다. 완료되면 접합된 섬유를 제거하고 검사하십시오.

접합이 허용되는 경우 접합 부위 위로 보호 슬리브를 밀어 넣습니다. 그런 다음 슬리브로 덮인 접합부를 슬리브 오븐에 넣어 섬유에 영구적으로 고정합니다. 실험에 사용하기 위해 3개의 접합된 섬유를 생산합니다.

실험은 광학 벤치에서 진행됩니다. 벤치에는 피에조 컨트롤러가 있는 3개의 3축 변환 단계가 있습니다. 그들은 칩 웨이브 가이드에 접근할 수 있도록 배치됩니다.

변환 단계는 이미 구리 받침대에 장착된 광학 칩을 둘러쌉니다. 받침대는 열전 냉각기와 접촉합니다. 각 번역 단계에는 V-홈에 준비된 섬유 중 하나가 있고 폴리이미드 테이프로 부착

칩이 있는 영역은 가시광선 카메라와 적외선 카메라가 모두 장착된 현미경을 사용하여 볼 수 있습니다. 이 시점에서 섬유는 실험 기기에 연결할 수 있습니다. 편광 컨트롤러를 통해 칩 입력을 조정 가능한 레이저 소스의 광 출력에 연결합니다.

칩의 각 출력을 광 파워 미터에 연결합니다. 이제 칩과 함께 작동하도록 현미경 위치를 조정하십시오. 도파관 가이드가 칩의 가장자리에 도달하는 곳에 현미경의 초점을 맞추고 변환 단계를 사용하여 칩 가장자리 근처에 섬유를 배치합니다.

광섬유를 보이는 카메라의 시야로 가져오고 높이를 조정하여 각 광섬유의 코어에 초점이 맞도록 합니다. 진행하기 전에 각 광섬유의 수평 위치가 도파관과 일치하는지 확인하십시오. 레이저의 광 출력을 켜고 빛이 도파관에 결합될 때까지 입력 광섬유의 위치를 조정합니다.

적외선 카메라에서는 입력 도파관을 따라 산란으로 나타납니다. 다음으로, 레이저의 파장을 조정하여 적외선 카메라에서 마이크로링 공진기가 켜지도록 합니다. 이는 공진 조건이 충족되었음을 나타냅니다.

파워 미터로 측정된 출력 전력을 최대화하기 위해 마이크로미터로 광섬유 위치를 계속 조작합니다. 광섬유 위치를 미세하게 조정하고 피에조 스테이지 컨트롤러를 사용하여 각 광섬유를 칩에 약간 더 가깝게 이동합니다. 모든 파이버 커플링을 미세 조정하고 모든 파이버를 칩에 더 가깝게 이동하는 것을 반복합니다.

목표는 측정된 전력을 최대화하면서 파이버를 칩의 측면에 단단히 누르는 것입니다. 다음 단계는 분산을 특성화하는 것입니다. 전력계의 전력 판독값을 최대화하기 위해 편광 컨트롤러를 조정하여 특성화를 시작합니다.

이제 관심 파장 범위에서 조정 가능한 레이저를 스캔하여 투과 스펙트럼을 찾습니다. 각 공진의 대역폭을 추출하고 이 정보를 사용하여 그룹 인덱스와 그에 대응되는 불확실성을 구합니다. 다음으로, 두 펌프 레이저 사이에 홀수의 공진을 가진 두 개의 공명을 찾아 두 펌프 레이저의 파장을 식별합니다.

이러한 파장을 알면 이광자 파장을 결정할 수 있습니다. 이 세 가지 파장이 자발적인 4파장 혼합과 일치하는지 테스트하려면 파장에 대한 그룹 인덱스를 플롯합니다. 이 경우 파란색 점은 그룹 인덱스입니다.

빨간색 음영은 각 공진의 대역폭의 결과로 인한 그룹 인덱스의 불확실성에 해당합니다. 녹색 수평선은 후보 펌프 레이저 파장 사이로 확장됩니다. 선이 완전히 음영 영역 내에 있기 때문에 펌프와 이광자 파장을 실험에 사용할 수 있습니다.

프로브 파장이 결정되면 최종 실험 설정을 만듭니다. 여기에는 각 펌프 레이저 파장에 대해 하나씩 두 개의 조정 가능한 레이저 소스가 있습니다. 레이저 출력은 각각 별도의 편광 컨트롤러로 이동합니다.

거기에서 두 개의 레이저 출력이 광섬유 결합기에 결합됩니다. 옆에는 일련의 섬유 기반 노치 필터가 있습니다. 이 필터는 펌프 파장을 통과시킬 수 있지만 약 120데시벨의 이광자 파장 감쇠를 달성합니다.

이 필터의 출력은 광자 칩으로 들어갑니다. 각 출력에서 칩 뒤에는 일련의 대역 통과 필터가 있습니다. 이 필터는 펌프 파장을 약 150데시벨 감쇠하지만 이광자 파장은 통과시킵니다.

각 필터 세트에서 거부된 광자는 전용 파워 미터로 전송됩니다. 각 광섬유 기반 필터의 출력은 전용 단일 광자 검출기로 이동합니다. 각 단일 광자 검출기는 우연 상관기에 입력을 제공합니다.

Mach-Zehnder 간섭계용 위상 시프터는 온칩 저항 히터입니다. 컴퓨터로 제어되는 전류 드라이버를 칩의 접촉 패드에 연결하여 전압이 설정될 때 열을 발생시킵니다. 두 개의 광자 간섭 측정을 위해 선택한 파장에서 펌프 레이저로 시작합니다.

파워 미터를 모니터링하여 각 레이저가 공진에 맞게 조정되고 전력이 최대화되는지 확인합니다. 다음으로, 상관기에서 우연의 일치 개수를 모니터링합니다. 이 그림에서 볼 수 있듯이, 데이터의 피크를 구하고 이 피크를 중심으로 약 220피코초 윈도우에 걸쳐 적분합니다.

총 100개 이상이 될 때까지 우연의 일치 횟수를 추적합니다. 이는 충분한 적분 시간이 경과했음을 나타냅니다. 이제 컴퓨터를 켜서 위상 시프터의 전압 제어를 0볼트로 설정합니다.

위상 변이가 설정되면 조정 가능한 레이저 중 하나로 이동하여 전체 파장 범위를 스캔합니다. 거부된 펌프 광자에 대한 파워 미터를 사용하여 드리프트되었을 수 있는 이전에 선택한 공진의 위치를 식별합니다. 이전에 선택한 공명과 일치하도록 펌프 레이저를 설정합니다.

파장보다는 시간이 지남에 따라 선택한 공명을 따르는 것이 중요합니다. 가열되고 링도 가열되지만 훨씬 덜 효율적입니다. 이것은 공진을 더 긴 파장으로 이동합니다.

이전에 선택한 적분 시간을 사용하여 시간 상관자에서 결과 데이터를 수집합니다. 여기에는 우연의 일치 계수에서 각 검출기가 계산한 광자의 수가 포함됩니다. 데이터를 수집한 후 위상 시프터의 전압 제어를 조정하고 5밀리볼트씩 증가시킵니다.

원하는 전압 범위가 커버될 때까지 레이저 스캔을 반복하고 카운트 데이터를 수집합니다. 이러한 고전적인 광 간섭 패턴은 두 경로 사이의 상대 위상의 함수로 개별 광자 수를 수집하여 테스트 설정을 사용하여 얻었습니다. 원과 다이아몬드로 표시되는 측정된 데이터 외에도 실선이 데이터에 적합합니다.

숫자는 계산된 가시성을 나타냅니다. 우연의 상관 관계 측정은 얽힌 광자의 양자 간섭을 보여줍니다. 진동은 클래식 패턴의 두 배 주파수입니다.

주황색 곡선은 고리가 지원하지 않는 파장에서 얽힌 광자를 생성해야 하는 광자 기원 테스트에서 나온 것입니다. 그것은 우연의 일치가 고리에서 생성된 광자에서 비롯된 것임을 보여줍니다. 이 데이터는 공명 쌍이 원하는 이광자 거주지에 대해 주파수가 대칭인 6개의 실험에서 얻은 것입니다.

각 데이터 집합은 상대 위상의 절반 주기를 보여줍니다. 일단 숙달되면, 이 기술은 제대로 수행된다면 10시간에서 15시간 안에 끝낼 수 있다. 총 시간은 주로 위상 시프터 전압 증가의 분해능과 각 바이포톤 일치 측정의 관련 적분 시간에 의해 결정됩니다.

이 절차를 시도하는 동안 칩의 커플링을 최적화하는 동안 시간을 할애하는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 제대로 수행하지 않으면 측정하는 동안 섬유가 안정적이지 않을 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 통합 포토닉 포톤 소스를 준비하고 테스트하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.