Pomiar interferencji kwantowej w źródle fotonów rezonatora z pierścieniem krzemowym

Ogólnym celem tej procedury jest scharakteryzowanie zintegrowanego źródła par fotonów fotonicznych poprzez pomiar interferencji kwantowej. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania związane ze zintegrowaną fotoniką kwantową, w tym jak zrealizować źródła skorelowanych fotonów w skali chipowej i zintegrować je z kwantowymi zintegrowanymi obwodami fotonicznymi. Główną zaletą tej techniki jest to, że można ją zastosować do szerokiej gamy zintegrowanych kwantowych obwodów fotonicznych.

Sercem eksperymentu jest chip fotoniczny . Ten chip ma około pięciu milimetrów z boku i jest wytwarzany przy użyciu standardowych technik. Ten obraz chipa ujawnia jego komponenty.

Istnieje obwód pompy, w tym falowód wejściowy, rezonator pierścieniowy, w którym fotony będą rozchodzić się zarówno zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jak i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, oraz interferometr Macha-Zehndera, za którym podążają falowody wyjściowe. Metalowe przewody pozwalają na nagrzewanie się w układzie scalonym, co powoduje przesunięcie fazowe w interferometrze. Aby przygotować chip do użycia w obwodzie, wypoleruj go polerką do wiórów.

Najpierw użyj polerki, aby wypoziomować wiór i ustaw wszystkie fasety prostopadle. Wypoleruj wiór trzymikronową podkładką docierającą, w krokach co około 50 mikronów, aż znajdzie się w odległości około 100 mikronów od końca śladów polerowania. Po każdych 50 mikronach sprawdź chip, aby określić pozostałą odległość.

Gdy pozostało około 100 mikronów, zmień na nakładkę docierającą o grubości jednego mikrona. Kontynuuj polerowanie chipa i monitorowanie postępu. Gdy pozostało około 20 mikronów, zmień podkładkę na 0,5 mikrona.

Wypoleruj wiór dalej, aż znajdzie się w odległości 15 mikronów od końca śladów polerowania. Przy 15 mikronach zmień podkładkę docierającą na taką, która ma chropowatość 0,1 mikrona. Użyj tej podkładki do polerowania wióra, aż pozostanie tylko 10 mikronów śladów polerowania.

Ostatni etap polerowania, z padem docierającym o grubości 0,1 mikrona, zapewnia gładką fasetę. Usuń chip przed czyszczeniem i przechowywaniem do późniejszego wykorzystania. Zgromadź niezbędny sprzęt do przygotowania światłowodów.

Obejmuje to ściągacz włókien, tasak do włókien, spawarkę do zgrzewania i piec rękawowy. Pracuj z trzema pigtailami światłowodowymi jednomodowymi i około 20 do 30 centymetrów światłowodu o bardzo wysokiej aperturze numerycznej dla każdego. Aby przygotować jeden warkocz, użyj ściągacza włókien, aby usunąć bufor lub kodowanie z jego końca.

Zrób to samo z jednym końcem długości światłowodu o bardzo wysokiej aperturze numerycznej. Po oczyszczeniu włókien użyj tasaka do włókien, aby przygotować je do spawania. Następnie przenieś włókna do spawarki.

Umieść włókna na miejscu i odpowiednio wyrównaj rozcięte końce. Wprowadź odpowiednie parametry i wykonaj spawanie. Po zakończeniu usuń splecione włókna i sprawdź je.

Jeśli połączenie jest dopuszczalne, nasuń tuleję ochronną na miejsce połączenia. Następnie umieść spaw pokryty rękawem w piekarniku rękawowym, aby trwale przymocować go do włókna. Następnie wyprodukuj trzy splecione włókna do wykorzystania w eksperymencie.

Eksperyment odbywa się na ławce optycznej. Na stole znajdują się trzy trzyosiowe stopnie translacji z kontrolerami piezoelektrycznymi. Są one umieszczone tak, aby umożliwić dostęp do falowodów chipowych.

Etapy translacji otaczają układ optyczny, który został już zamontowany na miedzianym cokole. Postument styka się z chłodnicą termoelektryczną. Każdy etap tłumaczenia ma jedno z przygotowanych włókien w V-rowku i mocowane taśmą poliimidową.

Obszar z chipem można oglądać za pomocą mikroskopu, który jest wyposażony zarówno w kamery widzialne, jak i podczerwone. W tym momencie włókna można podłączyć do przyrządów doświadczalnych. Podłącz wejście chipa do wyjścia optycznego przestrajalnego źródła lasera za pomocą kontrolera polaryzacji.

Podłącz każde wyjście chipa do miernika mocy optycznej. Teraz dostosuj pozycję mikroskopu, aby pracować z chipem. Ustaw mikroskop w miejscu, w którym falowody docierają do krawędzi chipa i użyj etapów translacji, aby ustawić włókna w pobliżu krawędzi chipa.

Umieść włókna w polu widzenia widocznej kamery i dostosuj ich wysokość, tak aby rdzeń każdego włókna był ostry. Zanim przejdziesz dalej, upewnij się, że poziome położenie każdego włókna jest zgodne z jego falowody. Włącz wyjście optyczne lasera i dostosuj położenie światłowodu wejściowego, aż światło połączy się z falowody.

W kamerze na podczerwień będzie to wyglądało jako rozpraszanie wzdłuż falowodu wejściowego. Następnie dostrój długość fali lasera tak, aby rezonator mikropierścieniowy był podświetlony na kamerze na podczerwień. Oznacza to, że warunek rezonansu został spełniony.

Kontynuuj, manipulując pozycjami światłowodów za pomocą mikrometrów, aby zmaksymalizować moc wyjściową mierzoną przez mierniki mocy. Precyzyjnie dostosuj pozycje światłowodu i przesuń każde włókno nieco bliżej chipa za pomocą kontrolerów piezoelektrycznych. Iteruj między dostrojeniem wszystkich sprzężeń światłowodowych a przesunięciem wszystkich włókien bliżej chipa.

Celem jest, aby włókna były mocno dociśnięte do boków chipa, przy jednoczesnej maksymalizacji zmierzonej mocy. Kolejnym krokiem jest scharakteryzowanie dyspersji. Rozpocznij charakterystykę od dostrojenia kontrolera polaryzacji, aby zmaksymalizować odczyt mocy na miernikach mocy.

Teraz zeskanuj przestrajalny laser w interesującym nas zakresie długości fali, aby znaleźć widmo transmisji. Wyodrębnij szerokość pasma każdego rezonansu i wykorzystaj te informacje do znalezienia indeksów grup i odpowiadających im niepewności. Następnie zidentyfikuj długości fal dwóch laserów pompujących, znajdując dwa rezonanse, które mają nieparzystą liczbę rezonansów między nimi.

Znajomość tych długości fal pozwala na wyznaczenie długości fali bifotonu. Aby sprawdzić, czy te trzy długości fal są zgodne ze spontanicznym mieszaniem się czterech fal, wykreśl indeks grupy w funkcji długości fali. W tym przypadku niebieskie punkty są indeksami grupy.

Czerwone cieniowanie odpowiada niepewności indeksów grupowych, wynikającej z szerokości pasma każdego rezonansu. Zielona pozioma linia rozciąga się między długościami fal lasera kandydującego do pompy. Ponieważ linia znajduje się w całości w zacienionym obszarze, w eksperymencie można wykorzystać długość fali pompy i bifotonu.

Po określeniu długości fal sondy utwórz ostateczną konfigurację eksperymentu. Ma dwa przestrajalne źródła laserowe, po jednym dla każdej długości fali lasera pompy. Każde wyjście lasera trafia do oddzielnych kontrolerów polaryzacji.

Stamtąd dwa wyjścia laserowe są łączone w łączniku światłowodowym. Obok znajduje się szereg filtrów wycinających na bazie włókien. Filtry te umożliwiają przepływ długości fal pompy, ale osiągają około 120 decybeli tłumienia długości fali bifotonu.

Wyjście tego filtra trafia do chipa fotonicznego. Na każdym wyjściu, za chipem, znajduje się szereg filtrów pasmowo-przepustowych. Filtry te tłumią długości fal pompy o około 150 decybeli, ale przepuszczają długości fal bifotonowych.

Odrzucone fotony z każdego zestawu filtrów są przesyłane do dedykowanego miernika mocy. Wyjście z każdego z filtrów światłowodowych trafia do dedykowanego detektora pojedynczych fotonów. Każdy z detektorów pojedynczych fotonów dostarcza dane wejściowe do korelatora koincydencji.

Przesuwnik fazowy dla interferometru Mach-Zehnder jest grzałką rezystancyjną na chipie. Podłącz sterowany komputerowo sterownik prądu do pól stykowych chipa, aby generować ciepło po ustawieniu napięcia. W przypadku dwóch pomiarów interferencji fotonów należy rozpocząć od laserów pompujących na wybranych długościach fal.

Monitoruj mierniki mocy, aby upewnić się, że każdy laser jest dostrojony do swojego rezonansu, a moc jest zmaksymalizowana. Następnie monitoruj zliczenia koincydencji w korelatorze. Jak pokazano na tym rysunku, znajdź szczyt danych i zintegruj go w około 220-sekundowym oknie, wyśrodkowanym na nim.

Śledź liczbę zbiegów okoliczności, aż będzie ich co najmniej 100. Oznacza to, że minął wystarczający czas integracji. Teraz włącz komputer, aby ustawić kontrolę napięcia dla przesuwnika fazowego na zero woltów.

Po ustawieniu przesunięcia fazowego przejdź do jednego z przestrajalnych laserów i skanuj w całym zakresie długości fali. Użyj mierników mocy dla odrzuconych fotonów pompy, aby zidentyfikować lokalizację wcześniej wybranych rezonansów, które mogły dryfować. Ustaw lasery pompujące tak, aby pasowały do wcześniej wybranych rezonansów.

Ważne jest, aby podążać za wybranymi rezonansami w czasie, a nie długościami fal. jest podgrzewany, pierścień jest również podgrzewany, ale znacznie mniej wydajnie. Powoduje to przesunięcie rezonansów na dłuższe fale.

Zbierz dane wynikowe z korelatora czasu, korzystając z wcześniej wybranego czasu integracji. Obejmuje to liczbę fotonów zliczonych przez każdy detektor w liczbie koincydencji. Po zebraniu danych wyreguluj sterowanie napięciem przesuwnika fazowego i zwiększ je o pięć miliwoltów.

Powtarzaj skanowanie lasera i zbieranie danych zliczania, aż do pokrycia żądanego zakresu napięć. Te klasyczne wzorce interferencji światła uzyskano przy użyciu zestawu testowego poprzez zbieranie liczby pojedynczych fotonów w funkcji względnej fazy między dwiema ścieżkami. Oprócz danych mierzonych, reprezentowanych przez okręgi i romby, linie ciągłe są dopasowane do danych.

Liczby reprezentują obliczoną widoczność. Pomiary korelacji koincydencji pokazują interferencję kwantową splątanych fotonów. Zauważ, że oscylacja jest dwukrotnie większa niż częstotliwość klasycznego wzorca.

Pomarańczowa krzywa pochodzi z testu pochodzenia fotonów, który wymaga, aby splątane fotony były generowane na długości fali, która nie jest obsługiwana przez pierścień. Pokazuje to, że koincydencje pochodzą od fotonów generowanych w pierścieniu. Dane te pochodzą z sześciu eksperymentów, w których pary rezonansowe są symetryczne pod względem częstotliwości, mniej więcej w oczekiwanym miejscu zamieszkania bifotonu.

Każdy zestaw danych pokazuje okres o połowę krótszy niż okres fazy względnej. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu 10 do 15 godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Całkowity czas jest przede wszystkim określany przez rozdzielczość przyrostu napięcia przesuwnika fazowego i związany z nim czas całkowania każdego pomiaru koincydencji bifotonów.

Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby nie spieszyć się z optymalizacją sprzężeń chipa. Jeśli nie zostanie to wykonane prawidłowo, włókna mogą nie być stabilne podczas pomiarów. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przygotować i przetestować zintegrowane źródła fotonów fotonicznych.