Name: 실리콘 링 공진기 광자 소스에서 양자 간섭 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T10:30:00.000+00:00
Duration: 12 min 19 s
Description: 학습하세요 실리콘 링 공진기 광자 소스에서 양자 간섭을 측정하는 방법을. 이 기술은 집적 양자 광자 회로의 상관 광원 특성화에 활용됩니다.

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이 작품은 국립 과학 재단 (National Science Foundation 부여 ECCS-1542081)에서 지원하는 코넬 대학교 나노 과학 기술 시설, 국립 나노 기술 인프라 네트워크의 일원에서 부분적으로 수행되었다. 우리는 공군 연구소 (AFRL)에서이 작품에 대한 지원을 인정합니다. 이 물질은 부분적으로 상 호 ECCS14052481에서 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에 의해 지원 작업을 기반으로합니다.

참고 :이 프로토콜은 광자 칩이 이미 제작 된 것으로 가정합니다. (도 1a에 도시) 여기에 설명 된 실리콘 칩이 광 소자 (11)에 대한 표준 공정 기술을 사용하여 코넬 대학 나노 과학 및 기술 설비에서 제조 하였다. 이들은 (220 nm 두께의 실리콘 층으로 구성된, 이산화 규소의 3 ㎛의 층, 및 525 ㎛의 두께의 실리콘 기판), 실리콘 - 온 - 인슐레이터 웨이퍼를 사용하는 전자빔 리소그래피 스트립 도파관을 정의 포함 (500 nm의 폭), 및 이산화 규소 피복관 (~ 3 ㎛ 두께)의 플라즈마 강화 화학 기상 증착. 마이크로 링 공진기는 18.5 ㎛, 내경 150 nm의 도파로 간 갭 링 설계되었다. 이 장치의 장점의 수치 감소, 품질 계수 자유 스펙트럼 범위, 및 분산액을 포함한다. 1. 광자 칩 준비 <ol><li> 작은 amoun 배치A-간 절편 연마 마운트 왁스 및 t는 ~ 130 ℃로 가열한다. 주 : 사용되는 왁스의 양은 시료의 크기가 장착되고 의존한다. 너무 많은 칩면에 왁스가 발생합니다 동안 움직이지 칩을 유지하기 위해 충분한 왁스가 있어야합니다. </li><li> 왁스 마운트 연마 부분의 광 칩을 놓는다. 칩 마운트에 평평하게되도록 왁스가 완전히 용융되어 있는지 확인. 패싯 손상을 방지하기 위해 칩을 처리 할 때 플라스틱 핀셋을 사용합니다. </li><li> 왁스가 응고되도록 마운트 주위 공기를 냉각 시키. 이보다 빨리 냉각 칩 손상 될 수 있습니다. </li><li> 칩의 측면을 연마. 주 : 원하는 칩보다 더 멀리 연마 될 수 너무 공격적 패드로 시작으로서의 정 랩핑 패드를 선택하는 것이 중요하다. <ol><li> 연마가 단 몇 초 동안 폴리 셔 및 폴란드어로 마운트 연결합니다. 3 μm의 거칠기 패드는 것으로 나타났다~ 1cm의 패싯 길이의 실리콘 칩에 대한 좋은 출발점. </li><li> 연마 산을 제거하고, 칩이 장착 방법 레벨 판별 칩면을 검사한다. 주 : 현미경 도파로의 단부와 칩의면 사이의 거리를 측정하는 데 유용하다. 이 측정은면하고 결정하는 도파관 사이의 각도 허용합니다. </li><li> 칩의 레벨링을 향상시키기 위해 폴리 셔에있는 마이크로 미터에 필요한 조정합니다. </li><li> 칩의면까지 1.4.1-1.4.3 단계를 반복하여 도파로는 서로 직교 0.15 ° 내에있다. </li><li> 폴란드어 ~있을 때까지 남은 거리를 모니터링하는 단계와, 각 칩을 검사 μm의 50 ~ 100 ㎛ 인 단계에서 칩 연마 떠났다. 어떤 시점에서, 클래딩의 표면으로부터 탈착하는 것으로 나타나는 경우, 패드가 바닥이 칩의 상부로부터 폴란드어하도록 회전되도록. 참고 : 또한 물 대신 연마 윤활제를 사용하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 라미네이션은 클래딩 스트레스의 결과이며, 제작 공정이 최적화 될 필요가있는 지표이다. </li><li> 이있을 때까지 남은 ~ 20 ㎛의 1 μm의 랩핑 패드와 연마 변경. </li><li> 0.5 μm의 패드로 변경하고 다른 15 μm의 연마를 계속합니다. </li><li> 평활면이되도록하여 파이널 5 μm의 대 0.1 ㎛의 패드를 사용한다. 연마 전후 실리콘 광자 칩의 일면의 현미경 이미지는도 2에 도시되어있다. </li></ol></li><li> ~ 130 ° C의 왁스를 용융 할 수 있도록하기 위해 장착 된 칩 마운트를 가열한다. </li><li> 왁스가 완전히 용해되면, 마운트에서 칩을 제거하고 천천히 냉각 할 수 있습니다. </li><li> 아세톤, 이소프로판올 및 물을 사용하여 상기 칩에 남아있는 왁스를 청소한다. </li></ol> 섬유 땋은 2. 준비 <ol><li> 임의의 버퍼 또는 코팅 FR 스트립옴 단일 모드 광섬유 (SMF) 피그 테일 도관의 단부와 매우 높은 개구 (우이나) 광섬유의 일단으로부터. </li><li> 아세톤 및 메탄올의 혼합물로 섬유의 노출 된 단부를 청소한다. </li><li> 상업 섬유 칼과 두 섬유의 맨 끝을 쪼갠다. </li><li> 융합 섬유의 절단 단부를 접합하기. 우이나 섬유에 접합 SMF위한 레시피를 표 1에 나타낸다. </li><li> 스플 라이스 통해 보호 슬리브를 밀어 영구적으로 섬유에 첨부 슬리브 오븐에 넣습니다. </li><li> 반복 세 섬유의 총을 준비하는 2.1-2.5 단계를 반복합니다. </li></ol> 테스팅 설정 3. 구성 참고 : 테스트 설정의 다이어그램은 그림 1B에 표시됩니다. 칩의 마운트는 열전기 냉각 (TEC)에 접촉 구리 받침대이다. 광자 칩 보는 가시 및 적외선 (IR) 모두 카메라가 장착 된 현미경이있다. <ol><li> 장소칩에 왁스를 소량의 장착 및 왁스를 용융하기 위해 TEC에 전압을인가한다. </li><li> 이 마운트에 평평 앉아 있다는 보장 용융 왁스의 칩을 놓는다. </li><li> 가 TEC에서 전압을 제거하고 천천히 냉각 마운트 칩을 할 수 있습니다. </li><li> 폴리이 미드 테이프 섬유 V 홈에 접합 섬유를 각각 부착하고 제조업체에서 제공 장착 하드웨어를 사용하여 3 축 스테이지들의 각각에 하나의 V 홈을 탑재. </li><li> 섬유 에지 커플. <ol><li> 레이저의 광 출력 한 광 파워 미터 다른 두 : 각 부품에 세 섬유를 연결한다. </li><li> 이 도파관의 에지에 도달 칩에 집중되도록 현미경을 조정한다. </li><li> 그들은 가시 카메라의 뷰에 있도록 칩 가장자리에 섬유를 배치하고, 각 광섬유의 코어에 초점되도록 그들의 높이를 조정한다. </li><li> 스테이지 micromete와 섬유의 수평 위치를 조정그들은 도파로 줄 지어되도록 RS. </li><li> 레이저 및 튜닝 광 도파로로 결합 될 때까지 상기 입력 광섬유의 수평 및 수직 위치의 마이크로 광 출력 켜기. 이 입력 도파로를 따라 산란과 IR 카메라에 표시됩니다. </li><li> 조정 마이크로 링 공진기 카메라 조명되는 포인트에 대한 레이저의 파장. 이 공진 조건이 만족되는 것으로 상기 광이 출력 도파관에 도달하는 것을 나타낸다. </li><li> 파워 미터 도파관으로부터 연장되는 측정 광의 양이 출력 될 때까지 섬유의 가로 세로 마이크로 미터 위치를 조정한다. </li><li> 세 섬유의 가로 세로 마이크로 미터 위치를 조정함으로써 모두 검출기에 전력을 최대화. </li><li> 또한 피에조 설정 제어를 사용하여 수평 및 수직 섬유 위치를 미세 조정하여 검출기에 전력을 최대화ERS. </li><li> 칩에 조금 더 가까이 섬유를 이동 압전 컨트롤러를 사용합니다. 아마 섬유의 절단 끝을 손상시킬 이렇게 같이 칩에 섬유를 밀어 마이크로 미터를 사용하지 않도록하십시오. </li><li> 섬유가 단단히 칩의 측면에 밀착 될 때까지 반복 3.5.9 및 3.5.10 단계를 반복합니다. 주 : 나쁨 도파관 송신 결합 도파로, 과도한 산란광은 결함 도파로의 표시 일 수있다. 이들은 다음을 포함 할 수 있지만, 재료 결함의 위치, 바느질 경계, 과도한 도파관 거칠기에 한정되는 것은 아니다. </li></ol></li><li> 상기 레이저 및 상기 칩 사이에 섬유 계 편광 제어기를 놓는다. 이 칩으로 만든다 편광 상태의 제어를 허용한다. 도파관, 그들 높이보다 더 넓고, 임의의 온 - 칩 편광 회전을 최소화하는데 도움. </li><li> 분산 특성. <ol><li> 조정 레이저 출력의 편광은 커플 링을 극대화하기 위해<html> 칩. 이 장치는 그와 같이, 횡 자기 (TM) 편광 더 높은 손실이 횡 전기 (TE) 편광을 위해 설계되었다. </li><li> 관심있는 파장 범위에서 파장 가변 레이저 (이 경우 1,600 내지 1,510 nm이다)를 스캔하고 파워 미터를 모니터링. 송신 스펙트럼의 아티팩트 인해 섬유 칩 인터페이스로부터 편광 탈론 효과 TM 성분의 조합을 보인다. </li><li> 스펙트럼의 공진 파장을 찾아서 각 공진의 대역폭을 추출한다. 이 특정 칩 최대 23,000의 품질 계수 (Q) (65)로 변환시, 한 작은 대역폭을 가지고 있었다. </li><li> 공명의 각각의 인접한 쌍의 자유 스펙트럼 범위 (FSR) 사이의 공진 거리를 결정한다. 이 특별한 장치는 ~ 5 나노 미터의 FSR을했다. </li><li> 다음 식을 사용하여 각각의 FSR의 값의 안내 모드의 그룹 인덱스 (n 개 g)을 계산한다 : N 5 &quot;SRC =&quot;/ 파일 / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg &quot;/&gt; 여기서, λ는 파장이고, R은 마이크로 링 공진기의 반경이다. 상기 식 그룹 인덱스의 첫번째 순서 근사치이다. </li><li> 그룹 인덱스의 각각의 값과 관련된 폭 (ΔN의 g)을 결정하기 위해 각 공진의 대역폭을 사용한다. </li><li> 그들은 공명 스펙트럼에 일치하고 이들 간의 공명 (도 1c)의 홀수가되도록 두 개의 펌프 레이저 용 파장을 선택한다. </li><li> 다음 식을 이용하여 축퇴 바이 광자의 파장을 결정한다 : <img alt="수학 식 6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> λ는 펌프 (2)를 제 1 펌프 및 λ 여기서 펌프 광자의 파장이다. </li><li> 두 펌프 파장 (도 3) 사이에서 연장 대 파장 그룹 인덱스의 그래프에 수평 라인을 추가한다. 그것은 린 가능 경우즉 동시에 관심 파장에서 모든 세 Δ n 개의 g ± N의 g 내에 앉아, 위상 정합 조건을 만족하고 광자 SFWM 통해 생성 될 수있다. 그것이 불가능하다면, 더 가깝게하고 다시 확인 펌프 파장을 선택하십시오. </li></ol></li><li> 설정에 초 가변 파장 레이저 광원과 편광 제어기를 추가하고, 1 × 2 광 결합기와 양쪽에서 레이저 광 출력을 결합한다. </li><li> 바로 칩 전에 섬유 기반 노치 필터 (그들 충분히 감쇠 ~ 120dB을 달성)의 시리즈를 추가합니다. 참고 : 필터는 모두 펌프 파장이 통과하지만, 바이 - 광자 파장을 거부 할 수있다. 그들은 칩에 결합하기 전에 (즉, 광섬유에 산란 광대역 라만)의 노이즈를 제거하는 데 도움이됩니다. 필터의 스펙트럼은도 1b에 도시된다. </li><li> 섬유 기반의 대역 통과 필터의 시리즈 (그들 충분히 감쇠 ~ 150dB를 달성하기 위해)를 추가이후 즉시 칩. 참고 : 필터는 넓은 충분해야한다 이중 광자가 통과하지만, 펌프 광자를 거부 할 정도로 좁은 할 수 있도록. 이러한 두 세트의 각 출력 한 세트가 필요합니다. 필터의 스펙트럼은도 1b에 도시된다. </li><li> 파워 미터를 분리하는 필터의 각 세트에서 거부 된 광자를 전송합니다. 주의 : 이러한 미터 칩의 광 결합을 모니터하기 위해 사용되며 또한 펌프 레이저의 공진, 나머지를 결정하는데 사용될 수있다. </li><li> 단일 광자 검출기 (SPD)에 광섬유 기반 필터들의 각 세트로부터의 각각의 광 출력을 연결하고, 일치 상관기에 SPD들 모두에서 전기 신호의 출력을 연결한다. </li><li> 텅스텐 프로브 쌍을 건너 (~ 길이 1mm) 나선 다리 중 하나에 MZI의를 끝을 설정합니다. </li><li> 전압을인가 할 때 열을 생성하는 두 교차 프로브 등으로 전원을 연결한다. 이것은 t의 위상 시프터 역할을합니다그는 MZI. 참고 : 광 소자의 열 조정을위한 더 표준화 된 방법에 대한 설명은 설명을 참조하십시오. </li></ol> 4. 두 광자 간섭 측정 <ol><li> 조정 선택된 파장 펌프 레이저의 모두. 두 레이저가 공진으로 조정되도록 거부 펌프 광자를 모니터링하는 파워 미터를 사용합니다. 레이저가 적절히 소망의 공진에 튜닝되면, 필터로부터의 거절 신호가 최대화 될 것이다. </li><li> -3을 dBm의 각 레이저로부터의 광 출력을 설정한다. 참고 :이 칩에서 &lt;100 μW가 발생합니다. 또한 (다중 광자 흡수 및 자유 캐리어 흡수)에서의 손실을 최소화하고 (광 - 유도 열 이동을 최소화함으로써)의 안정성을 유지하기 위하여, 펌프 전력이 낮게 유지하는 것이 중요하다. PN 접합은 더 높은 펌프 능력을 수용하기 위해 도파관에서 캐리어를 제거하는 데 사용할 수 있습니다. </li><li> (싱크로 우연의 일치 수를 모니터데이터의 피크에 대해 ~ 220 ps의를 통해 통합함으로써 두 개의 포트에서 했겠지요 싱글). 100 우연의 일치 카운트의 최소 수집되었을 때 충분한 적분 시간이 지났습니다. 참고 : 통합 창은 서지의 타이밍 지터를 설명하기에 충분히 넓은해야한다. </li><li> 최초의 전압 (예컨대, 0 V)의 위상 시프터를위한 전원 공급 장치를 설정한다. </li><li> 전체 파장 범위에서 튜너 블 레이저 중 하나를 스캔하고 관심있는 공명의 위치를 ​​확인하기 위해 거부 펌프 광자를 수집하는 파워 미터를 사용합니다. 원하는 공진 파장에 대응하는 펌프 레이저를 설정한다. 주의 :이 단계는 위상 시프터 전압 공진 파장의 작은 변화 될 수있는 온도로 조정 변경 될 때마다 수행하는 것이 중요하다. </li><li> 이전 선택을 위해 일치 상관기로부터 얻어진 데이터 (단일 광자 카운트뿐만 아니라, 일치의 카운트)를 모아서통합 시간. 여기서, S (90)의 적분 시간은 32 PS의 타이밍 해상도로 선택되었다. </li><li> 5 mV의하여 위상 시프터에인가 된 전압을 증가시킨다. </li><li> 데이터 전압의 원하는 범위에 대해 수집 될 때까지 반복 4.4-4.6 단계. 주 : 최대 전압 때문에 전압이 상기 프로브의 급격한 저하를 2.4 V로 제한 하였다. </li><li> 우연의 총 수 (도 4) 판단하는 PS ~ 220 위에 각각 전원 전압에 대한 일치 피크를 통합. </li><li> 우발적 우연을 구하는 거리 일치 피크 통해 320 ns의 통합. 우연의 일치 피크에 임시표의 수를 계산하기 위해이 결과를 사용합니다. </li><li> 다음 수정 된 사인 함수와 각 검출기에서 싱글 수를 맞추기 : <img alt="수학 식 7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> A, B, C, D, E 및 F는 피팅 파라미터 어디. 이 끼워 맞춤으로 인해 비선형 relationsh 할 필요전압과 유도 열 이동 (상대 위상) 사이 ip가. </li><li> 하기 식으로 데이터의 세 개의 세트 (싱글 각 검출기와 일치 계수로부터 계산)에 대한 상대적인 위상을 독립 변수로 변환 : <img alt="식 (8)" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> B, C, D 및 E는 4.11 단계에서 적합 파라미터는 어디에. 이 변환 인해 MZI (12)의 공지 된 정현파 전달 함수를 할 수있다. </li><li> 다음의 사인 함수 (독립 변수로 상대 위상)와 합치 데이터 맞는 : <img alt="식 (9)" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> 여기서, A와 B는 피팅 매개 변수이다. </li><li> 하기 식으로 각각의 간섭 무늬의 시인성을 계산한다 : <img alt="식 (10)" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> 여기서 ƒ (θ) 최대 및 ƒ ( <em&gt; θ) 분은 각각 ƒ (θ)의 최대 값 및 최소값이다. (1)의 시인성을 완벽한 간섭 패턴에 대응한다. </li></ol>

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</ol>

우리는 공개 할게 없다.

실현 가능한 광 소자의 복잡하고 확장 성있는 시스템을 위해서는 극복하기 위해 통합 포토닉스 분야의 여러 문제가있다. 이들은 포함 하나 이에 한정되지 않는다 : 꽉 제조 허용 오차, 환경 불안정성에서 격리 및 손실의 모든 형태의 최소화. 광 소자의 손실을 최소화하는 데 도움이 위의 프로토콜의 중요한 단계가 있습니다. 손실을 최소화하는데 가장 중요한 요건 중의 하나는 밀접 섬유 및 광 도파로의 모드와 일치한다. 어려움의 일부는 대형 모드 필드 직경 SMF의 (MFD) (~ 10 μm의)에서 유래한다. 내장형 장치 측에서, 더 작은 MFD (&lt;1 ㎛)을 500 nm의 넓은 실리콘 도파관이 존재한다. 우이나 섬유의 길이와 SMF 또는 광자 칩의 가장자리 역 테이퍼 배치 : 섬유 및 도파로 간의 모드 전이는 두 가지 방식으로 향상시킬 수있다. 스플 라이스 지역 betw~ 3 ㎛으로 모드 크기를 감소시키는 모드 변환기와 같은 EEN 모드 광섬유와 우이나 섬유 작용. 역 테이퍼가면에...

실리콘 양자 정보 처리 1, 2, 3, 4, 5에 대한 포토닉스 플랫폼으로 큰 가능성을 보이고있다. 양자 광 회로의 중요한 구성 요소 중 하나는 광자 소스입니다. 광자 쌍의 소스는 3 차 비선형 공정을 통해 만든 마이크로 링 공진기의 형태로 실리콘에서 개발 된, 자연 4 광파 혼합 (SFWM) 6, 7, 8. 이러한 소스는 광자 얽힘 9 관련된 실험에 적합 구별 광자 쌍을 생성 할 수있다. 공진기 소스가 시계 방향과 반 시계 방향으로 전파 모두 작동 할 수 반지를주의하는 것이 중요하며, 두 개의 다른 전파 방향은 유전자있다서로 독립적 인 집회. 이것은 하나의 고리가 두 소스로 작동 할 수 있습니다. 광학적으로 양 방향에서 펌핑 할 때, 이러한 소스는 다음과 얽힌 상태를 생성합니다 : <img alt="수학 식 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> 어디에 <img alt="수학 식 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> 과 <img alt="식 (3)" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> clockwise- 반 시계 전파 바이 광자에 대한 생성 연산자 독립적 각각이다. 이것은 N00N 상태 (N = 2) (10)로 알려진 얽힌 상태의 매우 바람직한 형태이다. 온칩 마하 젠더 간섭계 (MZI)를 통해 상태를 전달하는 상태 결과 : <img alt="수학 식 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> 이 상태에서 회 최대 일치 제로 우연 사이 발진MZI 고전 간섭의 주파수를 효과적으로 간섭계 (10)의 감도를 두배. 여기서는 집적 광자 소스 및 MZI 장치를 검사하는 데 사용되는 방법을 제시한다.

<table><tbody><tr><td>3 축 NanoMax 굴곡 스테이지</td><td>Thorlabs</td><td>MAX312D</td><td>정밀 3 축 스테이지</td></tr><tr><td>3 홀 섬유 스트리핑 도구</td><td>Thorlabs</td><td>FTS4</td><td>버퍼 스트리핑 도구</td></tr><tr><td>3 채널 피에조 컨트롤러</td><td>Thorlabs</td><td>MDT693B</td><td>피에조 컨트롤러 NanoMax 스테이지</td></tr><tr><td>용 파이버 편광 컨트롤러</td><td>Thorlabs</td><td>FPC562</td><td>3-Paddle 광섬유 기반 편광 컨트롤러</td></tr><tr><td>Fiber Cleaver</td><td>Thorlabs</td><td>XL411</td><td>Fiber Cleaver</td></tr><tr><td>표준 V-Groove 파이버 홀더</td><td>Thorlabs</td><td>HFV001</td><td>표준 V-그루브 마운트</td></tr><tr><td>테이퍼 V-그루브 파이버 홀더</td><td>Thorlabs</td><td>HFV002</td><td>테이퍼 V 그루브 마운트</td></tr><tr><td>NanoMax 스테이지용 직각 상판</td><td>Thorlabs</td><td>AMA011</td><td>직각 브래킷</td></tr><tr><td>50:50 광섬유 커플러</td><td>Thorlabs</td><td>TW1550R5F1</td><td>50/50 결합기</td></tr><tr><td>광섬유 융합 접속기</td><td>Fujikura</td><td>FSM-40S</td><td>융합 접속기</td></tr><tr><td>MultiPrep 연마 시스템 - 8"</td> <td>연합군 하이테크</td><td>15-2100</td><td>칩 연마기</td></tr><tr><td>GreenLube</td><td>연합군 하이테크</td><td>90-209010</td><td>연마 윤활제</td></tr><tr><td>단면 패들(참조 에지</td><td>포함 연합군 하이테크</td><td>15-1010-RE</td><td>연마 마운트</td></tr><tr><td>광파 측정 시스템</td> 조정 <td>가능한 레이저용</td><td>Keysight</td><td>8164B</td> 메인프레임</tr><tr><td>조정 가능한 레이저 소스</td><td>Keysight</td><td>81606A</td><td>조정 가능한 레이저</td></tr><tr><td>광학 전력 센서</td><td>Keysight</td><td>81634B</td><td>전력계</td></tr><tr><td>NIR 단일 광자 검출기</td><td>ID Quantique</td><td>ID210</td><td>단일 광자 검출기</td></tr><tr><td>NIR 단일 광자 검출기</td><td>ID Quantique</td><td>ID230</td><td>저소음, 자유 실행 단일 광자 검출기</td></tr><tr><td>PicoHarp</td><td>PicoQuant</td><td>PicoHarp 300</td><td>시간 상관 단일 광자 계수</td></tr><tr><td>WiDy SWIR InGaAs 카메라</td><td>NIT</td><td>640U-S</td><td>IR 카메라</td></tr><tr><td>WDM 대역 통과 필터</td><td>JDS 단상</td><td>30055053-368-2.2</td><td>펌프 정리 필터</td></tr><tr><td>WDM 대역 통과 필터</td><td>JDS 단상</td><td>1011787-012</td><td>펌프 거부 필터</td></tr><tr><td>초고 개구 섬유</td><td>Nufern</td><td>UHNA-7</td><td>고굴절률 섬유</td></tr><tr><td>초광학 단일 모드 섬유</td><td>코닝</td><td>SMF-28</td><td>표준 단일 모드 광섬유</td></tr></tbody></table>

실리콘 링 공진기 광자 소스에서 양자 간섭 측정

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

실리콘 광 칩은 광자 소스 큐빗 조작, 통합 단일 광자 검출기를 포함한 복잡한 통합 양자 정보 처리 회로를 실현할 수있는 가능성이있다. 여기서는 제조 및 집적 광자 소스 및 이광자 간섭계 실리콘 광자 양자 칩 테스트의 주요 양태를 제시한다. 생성 된 광자의 모든 가능한 최고의 정확도로 검출되도록 양자 집적 회로의 가장 중요한 특징은 손실을 최소화한다. 여기서는 밀접 실리콘 도파로의 모드와 일치하는 매우 높은 개구 섬유를 이용하여 저손실 에지 결합을 수행하는 방법을 설명한다. 최적의 융착 접속 제조법을 이용함으로써, 우이나 섬유는 원활 표준 단일 모드 광섬유와 인터페이스된다. 이 저손실 결합 집적 실리콘 링 공진기의 고성능 광자 생산의 측정 및 생성 된 P의 후속 이광자 간섭을 허용밀접하게 통합 된 마하 젠더 간섭계에서 hotons. 이 논문은 높은 성능과 확장 성 실리콘 양자 광자 회로의 준비 및 특성화를위한 필수 절차에 대해 설명합니다.

두 경로들 사이의 상대적인 위상이 조정 된 각 검출기뿐만 아니라, 일치의 카운트에서 개별 포톤 카운트가 수집되었다. 각각의 계산 (도 5a)이 94.5 ± 1.6 %와 94.9 ± 0.9 %의 가시성을 갖는 MZI의 고전 간섭 패턴을 보여준다. 93.3 ± 2.0 %의 가시성에서 회 진동에 의해 고전적인 간섭 패턴의 주파수를 알 수있는 바와 같이 합치 측정 (도 5B)은 상기 얽힌 상태의 양자 간섭을 표시합니다 (임시표 96.0 ± 2.1 % 차감) . 광자 주로 링에서 발생되고 있는지 확인하기 위해, 펌프는 링에 의해 지원되지 않는 파장에서 발생되는 광자를 바이 요구 개의 공진으로 구성 하였다. 도 5b에 주황색 선은 이러한 구성으로 유의 coincidenc가없는 것을 확인<html> 말이지. 도 6은 공진 원하는 이중 광자에 대응하는 주파수에 대...

실리콘 광자 칩은 복잡한 통합 양자 시스템을 실현할 수있는 잠재력을 가지고있다. 제조 양자 측정을위한 광 실리콘 칩을 테스트하기위한 방법에 여기에 제시 하였다.

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

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 부착되어 있습니다.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.

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연구

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Engineering

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실리카 초고 품질 팩터 Microresonators의 제작

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마이크로 웨이브 포토닉스 시스템 속삭이는 - 갤러리 모드 공진기를 기반으로

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