Meting van Quantum Interference in een Silicon Ring Resonator Photon Source

Samenvatting

Silicon fotonische chips hebben het potentieel om complexe geïntegreerde quantum systemen te realiseren. Hier voorgesteld is een werkwijze voor het bereiden en testen van een silicium chip voor fotonische quantum metingen.

Samenvatting

Silicium fotonische chips hebben het potentieel om complexe geïntegreerde kwantuminformatieverwerking verwerkingsschakelingen, zoals fotonenbronnen, qubit manipulatie en geïntegreerde single-photon detectoren realiseren. Hier presenteren we de belangrijkste aspecten van het bereiden en testen van een silicium fotonische quantum chip met een geïntegreerde fotonbron en twee-foton interferometer. Het belangrijkste aspect van een kwantum geïntegreerde schakeling minimaliseert verliezen zodat alle gegenereerde fotonen gedetecteerd met de hoogst mogelijke betrouwbaarheid. We beschrijven hoe verliesarme edge koppeling uitvoeren met een ultra-hoge numerieke apertuur vezel nauw overeenkomt met de modus van de silicium golfgeleiders. Door een geoptimaliseerde smeltlassen recept wordt de UHNA vezel naadloos gekoppeld aan een standaard single-mode fiber. Dit verliesarme koppeling maakt de meting van high-fidelity fotonproductie een geïntegreerde silicium ring resonator en de daaropvolgende twee-foton interferentie van de geproduceerde photons in een nauw geïntegreerd Mach-Zehnder-interferometer. Dit document beschrijft de essentiële voorwaarden voor de bereiding en karakterisering van high-performance en schaalbare silicium quantum fotonische circuits.

Inleiding

Silicium is veelbelovend als een platform voor fotonica quantum informatieverwerking ^{1, 2, 3, 4, 5.} Een van de vitale onderdelen van de kwantum fotonische circuits is het foton bron. Foton-pair bronnen zijn ontwikkeld van silicium in de vorm van micro-ringresonatoren via een derde-orde niet-lineaire proces spontane four wave mixing (SFWM) ^{6, 7, 8.} Deze bronnen zijn in staat om te onderscheiden paren fotonen, die ideaal zijn voor experimenten met foton verstrengeling ⁹ zijn.

Het is belangrijk op te merken dat ringresonator bronnen kan werken met zowel rechtsom als linksom voortplanting en de twee verschillende propagatie richtingen genrally onafhankelijk van elkaar. Hierdoor kan een enkele ring te functioneren als twee bronnen. Als optisch gepompt vanuit beide richtingen, deze bronnen genereren van de volgende verstrengeling:

waar en zijn de onafhankelijke schepping operators voor clockwise- en linksom voortplantende bi-fotonen, respectievelijk. Dit is een zeer wenselijke vorm van verstrengeling bekend als N00N toestand (N = 2) ^10.

Passing deze toestand via een on-chip Mach-Zehnder-interferometer (MZI) resulteert in staat:

Deze toestand schommelt tussen maximum en nul toeval toeval tweemaalde frequentie van klassieke inmenging in een MZI verdubbelt de gevoeligheid van de interferometer ^10. Hier presenteren we de procedure voor dergelijke geïntegreerde fotonbron en MZI apparaat testen.

Protocol

Opmerking: Dit protocol veronderstelt dat de fotonische chip reeds vervaardigd. De hier beschreven chip (figuur 1A) werd vervaardigd op de Cornell University Nanoscale Science & Technology Facility met behulp van standaard bewerkingstechnieken silicium fotonische inrichtingen ^11. Deze omvatten het gebruik van silicium op isolator wafers (uit een 220 nm dikke siliciumlaag, een 3-um laag siliciumdioxide en een 525 urn dikke siliciumsubstraat), elektronenbundel lithografie op de strook golfgeleiders definiëren (500 nm breed) en de plasma-versterkte chemische dampafzetting van het siliciumdioxide bekleding (~ 3 urn dik). De micro-ring resonatoren zijn ontworpen met een inwendige straal van 18,5 urn en een golfgeleider naar ringspleet van 150 nm. Cijfers van verdienste voor dit apparaat zijn verlies, kwaliteitsfactor, vrij spectraal gebied en dispersie.

1. Photonic Chip Voorbereiding

1. Plaats een kleine amount van was op een dwarsdoorsneden polijsten mount en verwarm het tot ~ 130 ° C.
   OPMERKING: De hoeveelheid was te gebruiken afhankelijk van de grootte van het monster is aangebracht. Er moet voldoende was om de chip onbeweeglijk te houden, terwijl te veel zal resulteren in was op de chip facetten.
2. Plaats de fotonische chip op het deel van het polijsten montage met de was. Zorgen dat de was volledig gesmolten zodat de chip plat tegen de houder. Gebruik plastic pincet bij het hanteren van de chip om beschadiging van de facetten.
3. Laat de houder afkoelen in de lucht, zodat de was stolt. sneller dan deze koeling kan leiden tot schade aan de chip.
4. Polijsten van de chip facetten.
   LET OP: Het is belangrijk om de juiste kabbelende pad te kiezen als te beginnen met een pad dat is te agressief kan resulteren in het polijsten weg meer van de chip dan gewenst.
   1. Bevestig het polijsten te monteren op het polijstmachine en polijsten voor slechts een paar seconden. Een kussen met een 3 urn ruwheid heeft aangetoond dateen goed uitgangspunt voor siliciumchips met facet lengten van ~ 1 cm.
   2. Verwijder het polijsten houder en controleer de chip facet te bepalen hoe het niveau chip is aangebracht.
      Opmerking: Een microscoop is nuttig voor het meten van de afstand tussen de einden van de golfgeleiders en facet van de chip. Deze metingen maken de hoek tussen de facetten en de te bepalen golfgeleider.
   3. Maak de noodzakelijke aanpassingen van de micrometer op de polijstmachine om de nivellering van de chip te verbeteren.
   4. Herhaal stappen 1.4.1-1.4.3 tot het aspect van de chip en de golfgeleiders binnen 0,15 ° van orthogonaal op elkaar staan.
   5. Polish de chip in stappen van -50 urn, inspecteren van de chip tussen elke stap de resterende afstand bewaken, totdat er -100 urn links polijsten. Als op enig moment de bekleding lijkt te delamineren van het oppervlak, zorgen dat het kussen zodanig roteert om polijsten van de top van de chip naar beneden.
      LET OP: Het kan ook helpen om een ​​polijsten glijmiddel gebruiken in plaats van water. Deze delaminatie gevolg van spanning in de bekleding en is een indicatie dat het fabricageproces moet worden geoptimaliseerd.
   6. Veranderen in een 1-um lappen en polijsten pad totdat er ~ 20 um naald.
   7. Ga verder met een 0,5-um pad en boel verder nog 15 urn.
   8. Met een 0,1-um pad voor de laatste 5 urn tot een gladde facet waarborgen. Microscoopbeelden van het facet van silicium fotonische chip voor en na het polijsten worden getoond in Figuur 2.
5. Verwarm de houder met de bevestigde chip tot ~ 130 ° C om de was te smelten.
6. Zodra de was volledig gesmolten, verwijder de chip van de houder en laat het langzaam afkoelen.
7. Reinigen van eventuele overige was van de chip met aceton, isopropanol en water.

2. Bereiding van vezelvlechten

1. Elke buffer strip of bekleding frOM het einde van een enkelmodusvezel (SMF) pigtail en van het ene uiteinde van een ultra-hoge numerieke apertuur (UHNA) vezel.
2. Reinig de blanke uiteinden van de vezels met een mengsel van aceton en methanol.
3. Klieven blanke uiteinden van beide vezels met een commerciële vezelmes.
4. Smeltlas het gesplitste uiteinde van de vezels. Een recept voor splicing SMF UHNA vezel wordt weergegeven in Tabel 1.
5. Schuif een beschermende huls over de las en plaats deze in de huls oven permanent hechten aan de vezel.
6. Herhaal stap 2.1-2.5 tot een totaal van drie vezels te bereiden.

3. Configuratie van de meetopstelling

Opmerking: Een diagram van de meetopstelling wordt getoond in figuur 1B. De houder van de chip is een koperen sokkel die in contact met een thermo-elektrische koeler (TEC). Er is een microscoop voorzien van zowel zichtbare als infrarode (IR) camera's voor het bekijken van de fotonische chip.

1. Plaatseen kleine hoeveelheid was op de chip, en de spanning op de TEC de was te smelten.
2. Plaats de chip op het gesmolten was, ervoor te zorgen dat het plat zit op de berg.
3. Verwijder de spanning van de TEC en laat de houder en chip langzaam afkoelen.
4. Bevestig elk van de gesplitste vezels een vezel v-groef polyimide tape en zet een v-groef aan elk van de 3 fasen-as met de door de fabrikant geleverde bevestigingsmateriaal.
5. Vezels edge koppeling.
   1. Sluit de drie vezels met hun respectievelijke bestanddelen: een om de optische uitgang van de laser en de andere twee optische vermogensmeters.
   2. Stel de microscoop, zodat deze gericht is op de chip waar de golfgeleiders bereikt de rand.
   3. Plaats de vezels nabij de rand chip zodat zij naar het oordeel van de visuele camera en stel de hoogte zodat de kern van elke vezel is scherpgesteld.
   4. Stel de horizontale positionering van de vezels van fase micrometers zodat ze zijn bekleed met de golfgeleiders.
   5. Zet de optische uitgang van de laser en afstemmen van de horizontale en verticale posities van de micrometer ingangsvezel totdat het licht inkoppeling in de golfgeleider. Dit zal verschijnen op het IR camera verstrooiing langs de ingangsgeleider.
   6. Stem de golflengte van de laser tot een punt waar de micro-ring resonator brandt de camera. Dit betekent dat de resonantietoestand wordt voldaan en dat het licht bereikt de uitgangsgolfgeleiders.
   7. Stel de horizontale en verticale posities van de micrometer uitgangsvezels totdat er een meetbare hoeveelheid licht die zich vanaf de golfgeleiders tot de stroommeters.
   8. Maximaliseren van het vermogen naar beide detectors door manipulatie van de horizontale en verticale micrometer posities van de drie vezels.
   9. Verder te maximaliseren de stroom naar de detectoren door het fijn afstemmen van de horizontale en verticale posities vezels met de piëzo controlers.
   10. Gebruik de piëzo-controllers om de vezels iets dichter bij de chip te verplaatsen. Zorg ervoor dat u de micrometer te gebruiken om de vezels op de chip te duwen, omdat dit zal waarschijnlijk schade aan de gesplitste uiteinden van de vezels.
   11. Herhaal stap 3.5.9 en 3.5.10 totdat de vezels stevig tegen de zijkanten van de chip gedrukt.
       OPMERKING: Overmatige strooilicht van de golfgeleiders, in combinatie met een slechte transmissie golfgeleider, kan een indicatie golfgeleider defecten. Deze kunnen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, materieel defectlocaties, stikgrenzen en overmatig golfgeleider ruwheid.
6. Plaats een op vezels gebaseerde polarisatieregelaar tussen de laser en de chip. Dit maakt regeling van de polarisatietoestand die hiervan in de chip. De golfgeleiders, breder dan de hoogte, steun minimaliseren van on-chip polarisatiedraaiing.
7. Dispersion karakterisering.
   1. Stem de polarisatie van de laseruitvoer van de koppeling maximaliseren de chip. Dit toestel is voorzien transversale elektrische (TE) polarisatie en als zodanig de transversale magnetische (TM) polarisatie heeft een veel groter verlies.
   2. Scant een afstembare laser via golflengtetraject (1510 nm tot 1600 nm in dit geval) en bewaken van de stroommeters. Alle artefacten in de transmissie spectra zijn waarschijnlijk te wijten aan een combinatie van de TM component van de polarisatie en etalon effecten van de vezel-chip-interface.
   3. Zoek de resonerende golflengten in het spectrum en ook halen de bandbreedte van elke resonantie. Deze bijzondere chip had bandbreedte zo klein als 65 uur, wat zich vertaalt naar kwaliteitsfactoren (Q) tot 23.000.
   4. Bepaal het vrije spectrale gebied (FSR), de scheiding tussen resonanties voor elk aangrenzend paar resonanties. Deze bijzondere inrichting had een FSR van -5 nm.
   5. Bereken het groepsindexnummer _(NG) van de geleide modus voor elke waarde van de FSR met de volgende vergelijking:
      n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
      waarbij λ de golflengte is en r de straal van de micro-ring resonator. De bovenstaande vergelijking is een eerste-orde benadering van de groepsindex.
   6. Met de bandbreedte van elke resonantie tot een breedte (An _g) elke waarde van de groepsindex bepalen.
   7. Kies de golflengten voor de twee pomplasers zodat ze samenvallen met resonanties in het spectrum en een oneven aantal resonanties daartussen (figuur 1C).
   8. Bepalen de golflengte van de gedegenereerde bi-fotonen met de volgende formule:
      
      waarbij λ _{pomp 1} en _{pomp 2} λ de golflengte van de pomp fotonen.
   9. Voeg een horizontale lijn op de grafiek van groepsindex versus golflengte die zich uitstrekt tussen de twee pompgolflengten (figuur 3). Als het mogelijk is voor de line binnen _ng terzelfder tijd ± Δ n _g bij drie golflengten van belang de fase-aanpassing voorwaarde wordt voldaan en fotonen worden gegenereerd via SFWM. Als het niet mogelijk is, probeer dan te kiezen pomp golflengten die dichter bij elkaar zijn en opnieuw controleren.
8. Voeg een tweede afstembare laserbron en polarisatieregelaar voor het instellen en combineren de optische uitgangssignalen van beide lasers met een 1 x 2 vezel combineerder.
9. Voeg een reeks van op glasvezel gebaseerde notchfilters (genoeg van hen te bereiken ~ 120 dB verzwakking) onmiddellijk voor de chip.
   LET OP: De filters kunnen beide pomp golflengten te passeren, maar de golflengte bi-foton te weigeren. Ze helpen om overtollige ruis te verwijderen (dat wil zeggen, breedband Raman verstrooiing in de optische vezel) voor koppeling aan de chip. Het filter spectrum wordt getoond in figuur 1B.
10. Voeg een reeks van op glasvezel gebaseerde banddoorlaatfilters (genoeg van hen te bereiken ~ 150 dB verzwakking)direct na de chip.
    LET OP: De filters moet breed genoeg zijn om de bi-fotonen te passeren, maar smal genoeg om de pomp fotonen te weigeren. Twee sets van deze nodig zijn, een set voor elke uitgang. Het filter spectrum wordt getoond in figuur 1B.
11. Stuur de afgekeurde fotonen uit elke set filters om de macht meter scheiden.
    Opmerking: Deze vermogensmeters worden gebruikt om de optische koppeling met de chip te controleren en kunnen ook worden gebruikt om te bepalen of de pomp lasers nog op resonantie.
12. Verbind de afzonderlijke optische uitgangssignaal van elk stel vezel gebaseerde filters om een ​​enkel foton detector (SPD) en sluit beide elektrische uitgangssignalen van de EPD een toeval correlator.
13. Steken een paar proben wolfraam en zet de uiteinden op één van de spiraalvormige poten (~ 1 mm lang) van de MZI.
14. Sluit een voeding aan de twee gekruiste sondes zodanig dat warmte genereren wanneer spanning wordt aangelegd. Dit zal als faseverschuiver voor thij MZI.
    OPMERKING: Zie de bespreking voor een beschrijving van de meer gestandaardiseerde methode voor de thermische tuning van fotonische devices.

4. Het meten van twee-foton Interference

1. Tune beide pomplasers de gekozen golflengten. Gebruik de kracht meters die het toezicht op de verworpen pomp fotonen om ervoor te zorgen dat beide lasers zijn afgestemd op de resonanties. Wanneer de lasers goed zijn afgestemd op de gewenste resonanties, zal de afgekeurde signaal van de filters worden gemaximaliseerd.
2. Stel het optische uitgangsvermogen van elke laser tot -3 dBm.
   OPMERKING: Dit zal resulteren in <100 uW op de chip. Het is belangrijk om het pompvermogen deze laag om verlies (van multi-foton absorptie en vrije-carrier absorptie) minimaliseren en stabiliteit (door het minimaliseren licht geïnduceerde thermische verschuivingen) te houden. PN-overgangen kunnen worden gebruikt om dragers van de golfgeleider te verwijderen om beter hogere pompvermogens.
3. Bewaken van de toeval tellingen (synchronous singles over twee poorten) door integratie via ~ 220 ps de piek van de data. Een voldoende integratie tijd verstreken is, wanneer een minimum van 100 toeval tellingen zijn verzameld.
   Opmerking: Het venster integratie moet breed genoeg zijn om rekening te houden met de timing jitter van de EPD's zijn.
4. Stel de voeding voor de faseverschuiver op de beginspanning (bijvoorbeeld 0 V).
5. Scan een van de instelbare lasers over het gehele golflengtebereik en het gebruik van de kracht meter die het verzamelen van de afgewezen pomp fotonen naar de locatie van de resonanties van belang te bevestigen. Stel de pomplasers de golflengte overeenkomend met de gewenste resonanties.
   Opmerking: Het is belangrijk deze stap telkens de faseverschuiver spanning verandert de thermische tuning kan leiden tot kleine verschuivingen in de resonerende golflengten voltooien.
6. Verzamel de resulterende data (enkele-foton telt en het samenvallen tellingen) vanaf het samenvallen correlator voor het voorafgekozenintegratie tijd. Hier, een integratietijd van 90 s werd gekozen met een tijdsresolutie van 32 ps.
7. Verhoging van de aan de faseverschuiver met 5 mV spanning.
8. Herhaal stap 4,4-4,6 totdat gegevens zijn verzameld voor het gewenste bereik van spanningen.
   Opmerking: De maximale spanning was beperkt tot 2,4 V door de snelle afbraak van de probes boven deze spanning.
9. Integreer het samenvallen pieken voor elke voedingsspanning dan ~ 220 ps tot het totale aantal toevalligheden (figuur 4) te bepalen.
10. Integreer dan 320 ns weg van het samenvallen piek tot de toevallige toevalligheden verkrijgen. Met dit resultaat naar het aantal voortekens te berekenen in het samenvallen piek.
11. Breng uitkiest telt van elke detector de volgende gewijzigde sinusfunctie:
    
    waarbij A, B, C, D, E en F zijn de fit parameters. Deze fit is noodzakelijk als gevolg van de niet-lineaire relationship tussen de spanning en de thermisch geïnduceerde verschuiving (relatieve fase).
12. Zetten de onafhankelijke variabele relatieve fase drie gegevenssets (uitkiest tellen van elke detector en het samenvallen tellen) met de volgende vergelijking:
    
    waarbij B, C, D, en E zijn de fit parameters van stap 4.11. Deze omzetting is mogelijk dankzij de bekende sinusvormige overdrachtsfunctie van een MZI ^12.
13. Breng het samenvallen data (waarbij de relatieve fase als de onafhankelijke variabele) met de volgende sinusfunctie:
    
    waarin A en B de fit parameters.
14. Bereken de zichtbaarheid van elk interferentiepatroon met de volgende vergelijking:
    
    waarbij ƒ (θ) _max en ƒ ( θ) _min de maximale en minimale waarden van ƒ (θ), respectievelijk. Een zichtbaarheid van 1 overeenkomt met een perfecte interferentiepatroon.

Resultaten

Individuele fotontellingen van elke detector, en het samenvallen tellingen werden verzameld als de relatieve fase tussen de twee wegen is afgestemd. De afzonderlijke tellingen (Figuur 5A) tonen de klassieke interferentiepatroon van een MZI met zichtbaarheden 94,5 ± 1,6% en 94,9 ± 0,9%. Het samenvallen metingen (figuur 5B) tonen de quantuminterferentie van de verstrengeling, zoals blijkt uit de oscillatie op tweemaal de frequentie van de klassieke interfe...

Discussie

Er zijn meerdere uitdagingen voor het gebied van geïntegreerde fotonica overwinnen om voor complexe en schaalbare systemen van fotonische devices haalbaar. Deze omvatten, maar zijn niet beperkt tot: nauwe toleranties fabricage, isolatie van milieu instabiliteiten, en minimalisering van alle vormen van verlies. Er zijn kritische stappen in het bovenstaande protocol die helpen om het verlies van fotonische devices te minimaliseren.

Een van de meest cruciale vereisten voor het minimaliseren van...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
3-Axis NanoMax Flexure Stage	Thorlabs	MAX312D	Precisie 3-as stages
Three-Hole Fiber Stripping Tool	Thorlabs	FTS4	buffer strippen tool
Three Channel Piezo Controller	Thorlabs	MDT693B	Piezo controllers voor NanoMax stages
Fiber Polarization Controller	Thorlabs	FPC562	3-klep glasvezel-gebaseerde polarisatie controller
Fiber Cleaver	Thorlabs	XL411	Vezel splitter
Standard V-Groove Fiber Holder	Thorlabs	HFV001	standaard v-groef montage
Tapered V-Groove Fiber Holder	Thorlabs	HFV002	afgeronde v-groef montage
Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage	Thorlabs	AMA011	rechthoekige bovenplaat
50:50 Fiber Optic Coupler	Thorlabs	TW1550R5F1	50/50 combiner
Optical Fiber Fusion Splicer	Fujikura	FSM-40S	Fusion splicer
MultiPrep Polishing System - 8"	Allied High Tech	15-2100	Chip polijstmachine
GreenLube	Allied High Tech	90-209010	Polijstmiddel
Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge	Allied High Tech	15-1010-RE	Polijstmontage
Lightwave Measurement System	Keysight	8164B	Mainframe voor afstembare laser
Tunable Laser Source	Keysight	81606A	Afstembare laser
Optical Power Sensor	Keysight	81634B	Vermogen meter
NIR Single Photon Detector	ID Quantique	ID210	Single foton detectoren
NIR Single Photon Detector	ID Quantique	ID230	Laag ruis, vrijlopende single foton detectoren
PicoHarp	PicoQuant	PicoHarp 300	Tijd-gecorreleerde single foton telling
WiDy SWIR InGaAs Camera	NIT	640U-S	IR Camera
WDM Bandpass Filter	JDS Uniphase	30055053-368-2.2	pomp opruimingsfilters
WDM Bandpass Filter	JDS Uniphase	1011787-012	pomp afstotingsfilters
Ultra-High Numerical Aperture Fiber	Nufern	UHNA-7	hoge index glasvezel
Ultra Optical Single Mode Fiber	Corning	SMF-28	standaard single mode glasvezel