Name: Pomiar interferencji kwantowej w źródle fotonów rezonatora z pierścieniem krzemowym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T10:30:00.000+00:00
Duration: 12 min 19 s
Description: Poznaj metodę pomiaru interferencji kwantowej w źródłach par fotonów na chipach krzemowych. Technika ta umożliwia charakteryzację źródeł skorelowanych fotonów i integrację z obwodami fotonicznymi.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca została częściowo wykonana w Cornell University NanoScale Science and Technology Facility, członku National Nanotechnology Infrastructure Network, który jest wspierany przez National Science Foundation (Grant ECCS-1542081). Dziękujemy za wsparcie dla tej pracy ze strony Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych (AFRL). Niniejszy materiał opiera się na pracach częściowo wspieranych przez National Science Foundation w ramach nagrody nr. ECCS14052481.

UWAGA: Niniejszy protokół zakłada, że chip fotoniczny został już wykonany. Chip opisany w tym dokumencie (pokazany na Rysunku 1A) został wykonany w Cornell University NanoScale Science &amp; Technology Facility przy użyciu standardowych technik przetwarzania urządzeń fotonicznych z krzemu1. Obejmują one wykorzystanie wafli krzem-na-izolatorze (składających się z warstwy krzemu o grubości 20 nm, warstwy dwutlenku krzemu o grubości 3 µm i podłoża krzemowego o grubości 525 µm), litografii wiązką elektronów do definiowania falowodów paskowych (o szerokości 50 nm) oraz osadzania chemicznego z fazy gazowej wspomaganego plazmą dla powłoki z dwutlenku krzemu (o grubości ~3 µm). Mikropierścieniowe rezonatory zostały zaprojektowane z promieniem wewnętrznym 18,5 µm i przerwą między falowodem a pierścieniem wynoszącą 150 nm. Parametry oceny tego urządzenia obejmują straty, dobroć, wolny zakres widmowy oraz dyspersję.
1. Przygotowanie chipu fotonicznego
<ol>
	<li>Nanieś niewielką ilość wosku na uchwyt polerski do cięcia poprzecznego i podgrzej go do ~130 °C. 
	UWAGA: Ilość używanego wosku zależy od rozmiaru montowanej próbki. Wosku musi być wystarczająco dużo, aby chip pozostał nieruchomy, natomiast nadmiar spowoduje osadzanie się wosku na czołach chipu.</li>
	<li>Umieść chip fotoniczny na części uchwytu polerskiego z woskiem. Upewnij się, że wosk całkowicie się stopił, tak aby chip przylegał płasko do uchwytu. Podczas przenoszenia chipu używaj plastikowej pęsety, aby uniknąć uszkodzenia czoł.</li>
	<li>Pozostaw uchwyt do ochłonięcia w powietrzu otoczenia, aż wosk zastygnie. Szybsze chłodzenie może spowodować uszkodzenie chipu.</li>
	<li>Polerowanie czoł chipu. 
	UWAGA: Ważne jest wybranie odpowiedniej podkładki szlifierskiej, ponieważ rozpoczęcie procesu od podkładki zbyt agresywnej może doprowadzić do usunięcia większej części chipu niż zamierzono.
	<ol>
		<li>Zamocuj uchwyt polerski w polerce i poleruj przez zaledwie kilka sekund. Podkładka o chropowatości 3-µm okazała się dobrym punktem wyjścia dla chipów krzemowych o długości czoła ~1 cm.</li>
		<li>Zdejmij uchwyt polerski i obejrzyj czoło chipu, aby określić, jak równo zamontowano chip. 
		UWAGA: Mikroskop jest przydatny do pomiaru odległości między końcami falowodów a czołem chipu. Pomiary te pozwalają wyznaczyć kąt między czołem a falowodem.</li>
		<li>Wprowadź niezbędne korekty w mikrometrach polerki, aby poprawić wypoziomowanie chipu.</li>
		<li>Powtarzaj kroki 1.4.1-1.4.3, aż czoło chipu i falowody będą prostopadłe względem siebie z dokładnością do 0,15°.</li>
		<li>Poleruj chip w krokach o wielkości ~50 µm, sprawdzając chip po każdym kroku w celu monitorowania pozostałej odległości, aż do momentu, gdy do wypolerowania pozostanie ~10 µm. Jeśli w którymkolwiek momencie pojawi się oznaka delaminacji powłoki z powierzchni, upewnij się, że podkładka obraca się w taki sposób, aby polerowanie przebiegało od góry dołu chipu. 
		UWAGA: Pomocne może być również zastosowanie środka smarnego do polerowania zamiast wody. Delaminacja ta jest wynikiem naprężeń w powłoce i wskazuje na konieczność optymalizacji procesu wytwarzania.</li>
		<li>Zmień podkładkę szlifierską na 1-µm i poleruj, aż pozostanie ~20 µm.</li>
		<li>Zmień podkładkę na 0,5-µm i kontynuuj polerowanie przez kolejne 15 µm.</li>
		<li>Użyj podkładki 0,1-µm dla ostatnich 5 µm, aby zapewnić gładkość czoła. Obrazy mikroskopowe czoła krzemowego chipu fotonicznego przed i po polerowaniu przedstawiono na Rysunku 2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Podgrzej uchwyt z zamocowanym chipem do ~130 °C, aby wosk się stopił.</li>
	<li>Gdy wosk całkowicie się stopi, wyjmij chip z uchwytu i pozwól mu powoli ostygnąć.</li>
	<li>Oczyść chip z pozostałości wosku, używając acetonu, izopropanolu i wody.</li>
</ol>
2. Przygotowanie końcówek światłowodowych (fiber pigtails)
<ol>
	<li>Usuń izolację (bufor) lub powłokę z końca pigtaila włókna jednomodowego (SMF) oraz z jednego końca włókna o ultra-wysokiej aperturze numerycznej (UHNA).</li>
	<li>Oczyść odsłonięte końce włókien mieszaniną acetonu i metanolu.</li>
	<li>Przetnij odsłonięte końce obu włókien za pomocą komercyjnego przecinarki do włókien.</li>
	<li>Wykonaj spawanie termiczne (fuzję) przeciętych końców włókien. Parametry spawania włókna SMF z włóknem UHNA przedstawiono w Tabeli 1.</li>
	<li>Nasuń ochronną tulejkę na miejsce spoiny i umieść ją w piecu do tulejek, aby trwale przymocować ją do włókna.</li>
	<li>Powtórz kroki 2.1-2.5, aby przygotować łącznie trzy włókna.</li>
</ol>
3. Konfiguracja układu pomiarowego
UWAGA: Schemat układu pomiarowego przedstawiono w Rysunek 1BUchwyt chipu stanowi miedziany postument stykający się z chłodnicą termoelektryczną (TEC). Do obserwacji chipu fotonicznego wykorzystywany jest mikroskop wyposażony w kamery widzialnego i podczerwonego (IR) zakresu światła.
<ol>
	<li>Nanieś niewielką ilość wosku na uchwyt chipa i przyłóż napięcie do elementu TEC, aby roztopić wosk.</li>
	<li>Umieść chip na roztopionym wosku, upewniając się, że przylega on płasko do uchwytu.</li>
	<li>Odłącz napięcie od TEC i pozwól uchwytowi oraz chipowi powoli ostygnąć.</li>
	<li>Przymocuj każde ze złączonych włókien do uchwytu v-groove za pomocą taśmy polimidowej, a następnie zamontuj pojedynczy uchwyt v-groove do każdego z translatorów 3-osiowych, używając elementów montażowych dostarczonych przez producenta.</li>
	<li>Sprzęganie krawędziowe włókna.
	<ol>
		<li>Podłącz trzy włókna do ich odpowiednich komponentów: jedno do wyjścia optycznego lasera, a pozostałe dwa do mierników mocy optycznej.</li>
		<li>Ustaw mikroskop tak, aby obraz był ostry w miejscu chipu, w którym falowody dochodzą do krawędzi.</li>
		<li>Ustawić włókna blisko krawędzi chipu, tak aby znajdowały się w polu widzenia kamery widzialnej, a następnie wyregulować ich wysokość tak, aby rdzeń każdego włókna znajdował się w ognisku.</li>
		<li>Dostosuj poziome ułożenie włókien za pomocą mikrometrów stolika tak, aby znajdowały się w jednej linii z falowodami.</li>
		<li>Włącz wyjście optyczne lasera i reguluj poziome oraz pionowe położenie mikrometrów włókna wejściowego, aż do momentu sprzężenia światła z falowodem. Na obrazie z kamery IR przejawi się to jako rozproszenie wzdłuż falowodu wejściowego.</li>
		<li>Dostrój długość fali lasera do punktu, w którym mikroprzesuwnik pierścieniowy (micro-ring resonator) zostanie podświetlony w obrazie z kamery. Wskazuje to na spełnienie warunku rezonansu oraz na to, że światło dociera do falowodów wyjściowych.</li>
		<li>Dostrój poziome i pionowe położenia mikrometrów włókien wyjściowych, aż do momentu, gdy z falowodów do watomierzy zacznie docierać mierzalna ilość światła.</li>
		<li>Zmaksymalizuj moc docierającą do obu detektorów poprzez manipulację poziomą i pionową pozycją mikrometrów trzech włókien.</li>
		<li>Dalszo zmaksymalizuj moc docierającą do detektorów, dokonując precyzyjnych regulacji pozycji włókna w płaszczyźnie poziomej i pionowej za pomocą kontrolerów piezoelektrycznych.</li>
		<li>Używając kontrolerów piezoelektrycznych, przesuń włókna nieco bliżej chipa. Upewnij się, że nie używasz mikrometrów do dociskania włókien do chipa, ponieważ takie działanie prawdopodobnie uszkodzi ścięte końce włókien.</li>
		<li>Powtarzać kroki 3.5.9 i 3.5.10 do momentu, aż włókna zostaną mocno dociśnięte do ścianek chipu. 
		UWAGA: Nadmierne rozproszenie światła z falowodów w połączeniu ze słabą transmisją falowodową może wskazywać na defekty falowodów. Mogą one obejmować, między innymi, miejsca wad materiałowych, granice łączenia (stitching boundaries) oraz nadmierną chropowatość falowodów.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść światłowodowy kontroler polaryzacji pomiędzy laserem a chipem. Pozwala to na kontrolę stanu polaryzacji docierającej do chipu. Falowody, będąc szerszymi niż wyższymi, pomagają zminimalizować jakąkolwiek rotację polaryzacji na chipie.</li>
	<li>Charakterystyka dyspersji.
	<ol>
		<li>Dostrój polaryzację wiązki laserowej, aby zmaksymalizować sprzężenie z układem na chipie. Urządzenie to zostało zaprojektowane dla polaryzacji elektrycznej poprzecznej (TE), w związku z czym polaryzacja magnetyczna poprzeczna (TM) wiąże się z znacznie większymi stratami.</li>
		<li>Przeprowadź skanowanie lasera strojonego w interesującym zakresie długości fal (w tym przypadku od 1510 nm do 160 nm) i monitoruj pomiary mocy. Wszelkie artefakty w widmach transmisyjnych wynikają prawdopodobnie z kombinacji składowej TM polaryzacji oraz efektów etalonowych na styku włókna i chipa.</li>
		<li>Należy wyznaczyć długości fal rezonansowych w widmie oraz wyznaczyć szerokość pasma każdego rezonansu. W przypadku tego konkretnego chipa szerokości pasma wynosiły nawet 65 pm, co przekłada się na dobrocie (Q) sięgające 23 0.</li>
		<li>Wyznacz wolny zakres widmowy (FSR), czyli odstęp między rezonansami, dla każdej sąsiedniej pary rezonansów. W przypadku tego konkretnego urządzenia FSR wynosił ~5 nm.</li>
		<li>Oblicz wskaźnik grupowy (n_g)g) modu guided dla każdej wartości FSR, korzystając z następującego równania: 
		<img alt="Wzór na efektywny współczynnik załamania, \( n_g = \frac{\lambda^2}{FSR \times 2\pi \times r} \), analiza optyczna." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> 
		gdzie λ jest długością fali, a r promieniem mikrorezonatora pierścieniowego. Powyższe równanie stanowi przybliżenie pierwszego rzędu indeksu grupowego.</li>
		<li>Wykorzystaj szerokość pasma każdego rezonansu do wyznaczenia szerokości (Δng) powiązane z każdą wartością indeksu grupy.</li>
		<li>Wybierz długości fal dla dwóch laserów pompujących w taki sposób, aby pokrywały się one z rezonansami w widmie i aby pomiędzy nimi znajdowała się nieparzysta liczba rezonansów (Rycina 1C).</li>
		<li>Wyznacz długość fali zdegenerowanych bifotonów, korzystając z poniższego równania: 
		<img alt="Równanie długości fali bifotonów, formuła λBi-Photons do badań fotonicznych, analiza teoretyczna." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 6"> 
		gdzie λPompa 1 oraz λPompa 2 Są to długości fal fotonów pompy.</li>
		<li>Dodaj na wykresie współczynnika załamania grupowej względem długości fali linię poziomą, która rozciąga się pomiędzy dwiema długościami fal pompowania (Rysunek 3). Jeśli istnieje możliwość, aby linia znajdowała się w obrębie ng ± Δng warunek dopasowania fazowego jest spełniony dla wszystkich trzech interesujących nas długości fal jednocześnie, a fotony mogą być generowane poprzez proces SFWM. Jeśli nie jest to możliwe, należy spróbować dobrać długości fal pompy, które są bliższe sobie, a następnie ponownie przeprowadzić weryfikację.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Do układu należy dodać drugie przestrajalne źródło laserowe oraz kontroler polaryzacji, a następnie połączyć wyjścia optyczne obu laserów za pomocą łącznika światłowodowego 1 x 2.</li>
	<li>Dodaj serię światłowodowych filtrów notch (wystarczającą liczbę, aby uzyskać tłumienie rzędu ~120 dB) bezpośrednio przed chipem. 
	UWAGA: Filtry przepuszczają obie długości fal pompy, ale blokują długość fali bifotonowej. Pomagają one usunąć nadmiar szumów (t. j. szerokopasmowego rozproszenia Ramanowskiego w światłowodzie optycznym) przed sprzęgnięciem z chipem. Widmo filtra przedstawiono na Rysunek 1B.</li>
	<li>Dodaj serię światłowodowych filtrów pasmowych (wystarczającą liczbę, aby uzyskać tłumienie rzędu ~150 dB) bezpośrednio za układem scalonym. 
	UWAGA: Filtry powinny być wystarczająco szerokie, aby umożliwić przejście bifotonów, ale wystarczająco wąskie, aby odrzucać fotony pompy. Potrzebne są dwa zestawy takich filtrów, po jednym dla każdego wyjścia. Widmo filtra przedstawiono na Rysunek 1B.</li>
	<li>Przesyłaj odrzucone fotony z każdego zestawu filtrów do oddzielnych mierników mocy. 
	UWAGA: Te mierniki mocy służą do monitorowania sprzężenia optycznego z chipem i mogą być również wykorzystywane do określenia, czy lasery pompujące pozostają w rezonansie.</li>
	<li>Podłącz poszczególne wyjścia optyczne z każdego zestawu filtrów światłowodowych do detektora pojedynczych fotonów (SPD), a oba wyjścia sygnałów elektrycznych z detektorów SPD podłącz do korelatora koincydencji.</li>
	<li>Skrzyżuj parę sond wolframowych i oprzyj ich końcówki na jednym z ramion spiralnych (~1 mm długości) interferometru Macha-Zehndera (MZI).</li>
	<li>Podłącz zasilacz do dwóch skrzyżowanych sond w taki sposób, aby generowały one ciepło po przyłożeniu napięcia. Będzie to pełnić funkcję przesuwacza fazy dla MZI. 
	UWAGA: Opis bardziej ustandaryzowanej metody termicznego strojenia urządzeń fotonicznych znajduje się w sekcji dyskusja.</li>
</ol>
4. Pomiar interferencji dwufotonowej
<ol>
	<li>Dostrój oba lasery pompujące do wybranych długości fal. Użyj mierników mocy monitorujących odrzucone fotony pompy, aby upewnić się, że oba lasery są dostrojone do rezonansów. Gdy lasery zostaną prawidłowo dostrojone do pożądanych rezonansów, sygnał odrzucony przez filtry osiągnie wartość maksymalną.</li>
	<li>Ustaw moc wyjściową optyczną każdego lasera na -3 dBm. 
	UWAGA: Doprowadzi to do &lt;100 µW na chipie. Ważne jest, aby utrzymać tak niską moc pompy w celu zminimalizowania strat (wynikających z absorpcji wielofotonowej i absorpcji przez swobodne nośniki) oraz zachowania stabilności (poprzez minimalizację termicznych przesunięć indukowanych światłem). Do usuwania nośników z falowodu można zastosować złącza PN, aby lepiej dostosować układ do wyższych mocy pompy.</li>
	<li>Monitoruj liczbę koincydencji (synchronicznych zdarzeń pojedynczych w dwóch portach), całkując sygnał w przedziale około 20 ps wokół szczytu danych. Czas całkowania uznaje się za wystarczający, gdy zostanie zebranych co najmniej 10 koincydencji. 
	Uwaga: Okno całkowania powinno być wystarczająco szerokie, aby uwzględnić jitter czasowy detektorów SPDs.</li>
	<li>Ustaw zasilacz przesuwacza fazowego na napięcie początkowe (np. 0 V).</li>
	<li>Przeprowadź skanowanie jednego z laserów strojonych w całym zakresie długości fali i wykorzystaj watomierze zbierające odrzucone fotony pompy, aby potwierdzić położenie interesujących nas rezonansów. Ustaw lasery pompowania na długości fal odpowiadające pożądanym rezonansom. 
	Uwaga: Ważne jest, aby powtarzać ten krok przy każdej zmianie napięcia przesuwnika fazowego, ponieważ strojenie termiczne może powodować niewielkie przesunięcia długości fal rezonansowych.</li>
	<li>Zbierz uzyskane dane (liczby pojedynczych fotonów oraz liczby koincydencji) z korelatora koincydencji dla wcześniej wybranego czasu całkowania. W tym przypadku wybrano czas całkowania wynoszący 90 s przy rozdzielczości czasowej 32 ps.</li>
	<li>Zwiększyć napięcie przyłożone do przesuwnika fazowego o 5 mV.</li>
	<li>Powtórz kroki 4.4-4.6, aż do momentu zebrania danych dla pożądanego zakresu napięć. 
	UWAGA: Maksymalne napięcie ograniczono do 2,4 V ze względu na szybką degradację sond powyżej tej wartości.</li>
	<li>Zintegruj piki koincydencji dla każdego napięcia zasilania w zakresie ~20 ps, aby wyznaczyć całkowitą liczbę koincydencji (Rysunek 4).</li>
	<li>Wykonaj całkowanie w zakresie powyżej 320 ns od szczytu koincydencji, aby wyznaczyć liczbę koincydencji przypadkowych. Wykorzystaj ten wynik do obliczenia liczby zdarzeń przypadkowych w szczycie koincydencji.</li>
	<li>Dopasuj liczbę zliczeń pojedynczych z każdego detektora za pomocą następującej zmodyfikowanej funkcji sinus: 
	<img alt="Wzór funkcji matematycznej: f(V)=A*sin(B*e^(C*V)+D)*(V+E)+F do analizy modelowania danych." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 7"> 
	gdzie A, B, C, D, E i F są parametrami dopasowania. Takie dopasowanie jest konieczne ze względu na nieliniową zależność między napięciem a indukowanym przesunięciem termicznym (fazą względną).</li>
	<li>Przelicz zmienną niezależną na fazę względną dla wszystkich trzech zestawów danych (liczbników pojedynczych z każdego detektora oraz liczników koincydencji), korzystając z następującego równania: 
	<img alt="Równanie potencjału błonowego, θ(V)=(B*e^(C*V)+D)*(V+E), istotne w elektrofizjologii." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 8"> 
	gdzie B, C, D i E są parametrami dopasowania z kroku 4.1. Konwersja ta jest możliwa dzięki dobrze znanej sinusoidalnej funkcji przekazania interferometru Macha-Zehndera (MZI)12.</li>
	<li>Dopasuj dane o koincydencji (przyjmując względną fazę jako zmienną niezależną) do następnej funkcji sinus: 
	<img alt="Funkcja trygonometryczna, \( f(\theta) = A \cdot \sin(2\theta) + B \), analiza wzoru matematycznego." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 9"> 
	gdzie A i B są parametrami dopasowania.</li>
	<li>Oblicz widoczność każdego wzoru interferencyjnego, korzystając z następującego równania: 
	<img alt="Równanie równowagi statycznej: wzór ν = (f(θ)max - f(θ)min) / (f(θ)max + f(θ)min)." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 10"> 
	gdzie ƒ(θ)maksymalny oraz ƒ(θ)min czy wartości maksymalne i minimalne funkcji ƒ(θ), odpowiednio. Widoczność równa 1 odpowiada idealnemu wzorowi interferencyjnemu.</li>
</ol>

<ol><li>Silverstone, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n2/full/nphoton.2013.339.html">On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources.</a> Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).</li>
<li>Harris, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.041047">Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems.</a> Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).</li>
<li>Grassani, D., et al. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-2-2-88">Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons.</a> Optica. 2 (2), 88(2015).</li>
<li>Najafi, F., et al. Scalable Integration of Single-Photon Detectors. Nat. Commun. 6, 1-8 (2015).</li>
<li>Dutt, A., et al. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.3.044005">On-Chip Optical Squeezing.</a> Phys. Rev. Appl. 3 (4), 1-7 (2015).</li>
<li>Azzini, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-low+power+generation+of+twin+photons+in+a+compact+silicon+ring+resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Ultra-low power generation of twin photons in a compact silicon ring resonator.</a> Opt. Express. 20 (21), 23100-23107 (2012).</li>
<li>Clemmen, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-17-19-16558">Continuous wave photon pair generation in silicon-on-insulator waveguides and ring resonators erratum.</a> Opt. Express. 17 (19), 16558(2009).</li>
<li>Engin, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photon+pair+generation+in+a+silicon+micro-ring+resonator+with+reverse+bias+enhancement%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Photon pair generation in a silicon micro-ring resonator with reverse bias enhancement.</a> Opt. Express. 21 (23), 27826-27834 (2013).</li>
<li>Steidle, J. a, et al. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2299737">High spectral purity silicon ring resonator photon-pair source.</a> Proc. of SPIE. 9500, 950015(2015).</li>
<li>Preble, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.4.021001">On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source.</a> Phys. Rev. Appl. 4, 021001(2015).</li>
<li>Cao, L., Aboketaf, A. A., Preble, S. F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030401813004604">CMOS compatible micro-oven heater for efficient thermal control of silicon photonic devices.</a> Opt. Commun. 305, 66-70 (2013).</li>
<li>Chrostowski, L., Hochberg, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChrostowski%2C+L+%22Silicon+Photonics+Design%22">Silicon Photonics Design</a>. , Cambridge University Press. Section 4.3 (2013).</li>
</ol>

Nie mamy nic do ujawnienia.

Dziedzina zintegrowanej fotoniki musi sprostać wielu wyzwaniom, aby możliwe było stworzenie złożonych i skalowalnych systemów urządzeń fotonicznych. Należą do nich między innymi: wąskie tolerancje produkcyjne, izolacja od niestabilności środowiska i minimalizacja wszelkich form strat. W powyższym protokole znajdują się krytyczne kroki, które pomagają zminimalizować straty urządzeń fotonicznych.
Jednym z najważniejszych wymagań w zakresie minimalizacji strat jest ścisłe dopasowanie modów optycz...

Krzem wykazuje ogromny potencjał jako platforma fotoniczna do przetwarzania informacji kwantowych1,2,3,4,5. Jednym z kluczowych komponentów kwantowych obwodów fotonicznych jest źródło fotonów. Źródła par fotonów opracowano w krzemie w formie mikro-rezonatorów pierścieniowych wykorzystujących nieliniowy proces trzeciego rzędu, czyli spontaniczne mieszanie czterofalowe (SFWM)6,7,8. Źródła te są zdolne do generowania par nieodróżnialnych fotonów, które są idealne do eksperymentów dotyczących splątania fotonów9.
Należy zauważyć, że źródła w postaci rezonatorów pierścieniowych mogą pracować z propagacją zgodnie i przeciwnie z ruchem wskazówek zegara, a te dwa kierunki propagacji są zazwyczaj od siebie niezależne. Pozwala to pojedynczemu pierścieniowi pełnić funkcję dwóch źródeł. Przy pompowaniu optycznym z obu kierunków źródła te generują następujący stan splątany:
<img alt="Równanie stanu kwantowego, diagram opisujący mody wnęki optycznej w rezonatorach pierścieniowych." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">
gdzie <img alt="Symbol operatora kwantowego â_cw†; reprezentacja w optyce; tekstowa koncepcja naukowa." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> i <img alt="Schemat symbolu operatora trybu przeciwnego do ruchu wskazówek zegara, Â†ccw, stosowanego w optyce kwantowej i fotonice." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> są odpowiednio niezależnymi operatorami kreacji dla bifotonów propagujących zgodnie i przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara. Jest to wysoce pożądana forma stanu splątanego, znana jako stan N0N (N=2)10.
Przepuszczenie tego stanu przez zintegrowany na chipie interferometr Macha-Zehndera (MZI) prowadzi do uzyskania stanu:
<img alt="Równanie optyki kwantowej; wzór na obliczanie stanu Ψ; reprezentacja matematyczna układów optycznych." src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4">
Stan ten oscyluje między maksymalną a zerową koincydencją z częstotliwością dwukrotnie wyższą niż w przypadku klasycznej interferencji w MZI, co w efekcie podwaja czułość interferometru10. Poniżej przedstawiamy procedurę wykorzystaną do przetestowania takiego zintegrowanego źródła fotonów oraz urządzenia MZI.

<table><tbody><tr><td>3-osiowy stopień NanoMax Flexure</td><td>Thorlabs</td><td>MAX312D</td><td>Precyzyjne stopnie 3-osiowe</td></tr><tr><td>Narzędzie do usuwania włókien z trzema otworami Narzędzie</td> do <td>usuwania</td><td>Thorlabs</td><td>FTS4</td></tr><tr><td>Trzykanałowy kontroler piezoelektryczny</td><td>Thorlabs</td><td>MDT693B</td><td>Kontrolery piezoelektryczne do stopni NanoMax</td></tr><tr><td>Kontroler polaryzacji światłowodów</td><td>Thorlabs</td><td>FPC562</td><td>3-łopatkowa polaryzacja oparta na włóknach kontroler</td></tr><tr><td>Obcinak do włókien</td><td>Thorlabs</td><td>XL411</td><td>Obcinak do włókien</td></tr><tr><td>Standardowy uchwyt na światłowód z rowkiem w kształcie litery V</td><td>Thorlabs</td><td>HFV001</td><td>standardowe mocowanie z rowkiem w kształcie litery</td></tr><tr><td>V Stożkowy uchwyt na światłowód z rowkiem w kształcie</td> litery V <td>Thorlabs</td><td>HFV002</td><td>Stożkowy montaż z rowkiem w kształcie litery V</td></tr><tr><td>Kątowa płyta kątowa do etapu NanoMax</td><td>Wspornik kątowy</td><td>Thorlabs</td><td>AMA011</td></tr><tr><td>50:50 Światłowód Łącznik</td><td>Thorlabs</td><td>TW1550R5F1</td><td>Sumator 50/50</td></tr><tr><td>Spawarka światłowodowa</td><td>Fujikura</td><td>FSM-40S</td><td>Spawarka fuzyjna</td></tr><tr><td>System polerowania MultiPrep - 8"</td> <td>Polerka wiórowa</td> <td>Allied High Tech</td><td>15-2100</td></tr><tr><td>GreenLube</td><td>Allied High Tech</td><td>90-209010</td><td>Łopatka do polerowania smaru</td></tr><tr><td>o przekroju poprzecznym z krawędzią odniesienia</td><td>Allied High Tech</td><td>15-1010-RE</td><td>Uchwyt do polerowania</td></tr><tr><td>System pomiaru fal świetlnych</td><td>Keysight</td><td>8164B</td><td>Mainframe do przestrajalnego lasera</td></tr><tr><td>Przestrajalne źródło lasera</td><td>Keysight</td><td>81606A</td><td>Przestrajalny</td></tr><tr><td>laserowy czujnik mocy optycznej</td><td>Keysight</td><td>81634B</td><td>Miernik mocy</td></tr><tr><td>NIR Detektor pojedynczych fotonów</td><td>ID Quantique</td><td>ID210</td><td>Detektory pojedynczych fotonów</td></tr><tr><td>Detektor pojedynczych fotonów NIR</td><td>ID Quantique</td><td>ID230</td><td>Niskoszumowe, swobodnie pracujące detektory pojedynczych fotonów</td></tr><tr><td>PicoHarp</td><td>PicoQuant</td><td>PicoHarp 300</td><td>Skorelowane czasowo zliczanie pojedynczych fotonów</td></tr><tr><td>Kamera WiDy SWIR InGaAs Kamera</td><td>NIT</td><td>640U-S</td><td>IR</td></tr><tr><td>Filtr pasmowo-przepustowy WDM</td><td>JDS Uniphase</td><td>30055053-368-2.2</td><td>Filtry czyszczące pompę</td></tr><tr><td>Filtr</td> <td>pasmowo-przepustowy WDMFiltry</td><td>odrzucające pompę</td>JDS Uniphase <td>1011787-012</td></tr><tr><td>Włókno o ultra-wysokiej aperturze numerycznej Włókno</td> o <td>wysokim indeksie</td><td>Nufern</td><td>UHNA-7</td></tr><tr><td>Ultra optyczne światłowód jednomodowy Corning</td><td></td><td>SMF-28</td><td>standardowe światłowód jednomodowy</td></tr></tbody></table>

pomiar interferencji kwantowej w źródle fotonów rezonatora z pierścieniem krzemowym

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Krzemowe układy fotoniczne mają potencjał do realizacji złożonych zintegrowanych obwodów przetwarzania informacji kwantowej, w tym źródeł fotonów, manipulacji kubitami i zintegrowanych detektorów pojedynczych fotonów. W tym miejscu przedstawiamy kluczowe aspekty przygotowania i testowania krzemowego fotonicznego układu kwantowego ze zintegrowanym źródłem fotonów i interferometrem dwufotonowym. Najważniejszym aspektem zintegrowanego obwodu kwantowego jest minimalizacja strat, tak aby wszystkie generowane fotony były wykrywane z najwyższą możliwą wiernością. Tutaj opisujemy, jak wykonać sprzężenie krawędziowe o niskiej stratności przy użyciu światłowodu o ultra wysokiej aperturze numerycznej, aby ściśle dopasować się do trybu falowodów krzemowych. Dzięki zastosowaniu zoptymalizowanej receptury łączenia zgrzewniczego, światłowód UHNA jest bezproblemowo połączony ze standardowym światłowodem jednomodowym. To niskostratne sprzężenie umożliwia pomiar produkcji fotonów o wysokiej wierności w zintegrowanym rezonatorze z pierścieniem krzemowym, a następnie interferencję dwóch fotonów wytworzonych fotonów w ściśle zintegrowanym interferometrze Macha-Zehndera. W artykule opisano podstawowe procedury przygotowania i charakterystyki wysokowydajnych i skalowalnych krzemowych kwantowych obwodów fotonicznych.

Indywidualne zliczenia fotonów z każdego detektora, a także zliczenia koincydencji, gromadzono podczas strojenia względnej fazy między dwiema drogami. Zliczenia indywidualne (Rysunek 5A) wykazują klasyczny wzór interferencyjny z MZI z widocznością na poziomie 94.5 ± 1.6% i 94.9 ± 0.9%. Pomiary koincydencji (Rysunek 5B) wykazują interferencję kwantową stanu splątanego, o czym świadczą oscylacje o częstotliwości dwukrotnie większej niż w przypadku klasyczne...

Krzemowe układy fotoniczne mają potencjał do realizacji złożonych zintegrowanych systemów kwantowych. Przedstawiono metodę przygotowania i testowania krzemowego układu fotonicznego do pomiarów kwantowych.

Pomiar interferencji kwantowej w źródle fotonów rezonatora z pierścieniem krzemowym

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

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

measurement-quantum-interference-silicon-ring-resonator-photon

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy zastosowanie techniki przetapiania laserem dwutlenku węgla do wytwarzania krzemionkowych wnęk rezonansowych, w tym wolnostojących mikrosfer oraz mikrotoroidów na chipie. Metoda przetapiania usuwa niedoskonałości powierzchni, co pozwala na uzyskanie długiego czasu życia fotonów w obu typach urządzeń. Powstałe urządzenia charakteryzują się ultrawysokimi dobrociami, co umożliwia ich zastosowanie w szerokim zakresie, od telekomunikacji po biodetekcję.

Wytwarzanie krzemionkowych mikrorozwiązujących o ultrawysokim czynniku dobroci

Przedstawiono dostosowane techniki opracowane w naszym laboratorium do budowy mikrofalowych systemów fotonicznych opartych na rezonatorach o ultra-wysokim Q w trybie galerii szeptów. Protokoły uzyskiwania i charakteryzowania tych rezonatorów są szczegółowo opisane i podano wyjaśnienie niektórych z ich zastosowań w fotonice mikrofalowej.

Mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów

Referencyjna technika interferometryczna, która ma na celu usuwanie niepożądanych zakłóceń laserowych dla nanodetekcji, jest wykorzystywana do sondowania mikrownęk czynnikowych o ultra wysokiej jakości. Instrukcje dotyczące montażu, konfiguracji i pozyskiwania danych są dostarczane wraz z procesem pomiaru w celu określenia współczynnika jakości gniazda.

Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Opisujemy niezawodne generowanie niegaussowskich stanów podróżujących pól optycznych, w tym stanów pojedynczych fotonów i superpozycji stanów koherentnych, przy użyciu metody warunkowego przygotowania działającej na nieklasycznym świetle emitowanym przez optyczne oscylatory parametryczne. Rozważane są oscylatory typu I i typu II z dopasowaniem fazowym i szczegółowo opisano typowe procedury, takie jak wymagane filtrowanie częstotliwości lub charakterystyka stanu kwantowego o wysokiej wydajności...

Inżynieria stanu kwantowego światła za pomocą optycznych oscylatorów parametrycznych o fali ciągłej

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Omówiono proces produkcji i eksperymentalne techniki charakterystyki pomp jednoelektronowych opartych na kropkach kwantowych krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowych.

Kropki kwantowe krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowe do pompowania pojedynczych elektronów

Manuskrypt opisuje metodę quasi-rezonansowej spektroskopii fluorescencyjnej wspomaganej fononem, która obejmuje zarówno spektroskopię o ograniczonej rozdzielczości laserowej, jak i spektroskopię fotoluminescencji (PL). Metoda ta wykorzystuje fonony optyczne do zapewnienia widm o ograniczonej szerokości linii struktur półprzewodnikowych podobnych do atomów w domenie energetycznej. Metodę tę można również łatwo zrealizować za pomocą pojedynczej konfiguracji spektrometru spektroskopii optycznej.

Spektroskopia fluorescencyjna quasi-rezonansowa wspomagana fononami o wysokiej rozdzielczości

Nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe są interesujące dla wykrywania światła, zastosowań obliczeń kwantowych i charakteryzacji materiałów. W pracy przedstawiono szczegółową procedurę wytwarzania i charakterystyki parametrów rozpraszania nadprzewodzącego rezonatora mikrofalowego.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów nadprzewodzących

Przedstawiono protokół do praktycznego generowania i spójnego manipulowania wysokowymiarowymi splątanymi stanami fotonów w bin częstotliwości przy użyciu zintegrowanych mikrownęk i standardowych komponentów telekomunikacyjnych.

Generowanie i koherentne sterowanie pulsacyjnymi kwantowymi grzebieniami częstotliwości

Tutaj prezentujemy protokół generowania kryształów solitonu w mikro-pierścieniowym rezonatorze z motylkami przy użyciu metody dostrojonej termicznie. Ponadto fluktuacje szybkości powtarzania kryształu solitonu z pojedynczym wakatem są mierzone za pomocą metody opóźnionej autoheterodyny.

Szybki pomiar fluktuacji szybkości powtarzania kryształów solitonu w mikrorezonatorze

W tym artykule prześledzono cykl życia rezonatora membranowego z azotku krzemu, od projektu, przez produkcję, aż po charakterystykę.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów membranowych z azotku krzemu o wysokiej zawartości Q

Poznaj metodę pomiaru interferencji kwantowej w źródłach par fotonów na chipach krzemowych. Technika ta umożliwia charakteryzację źródeł skorelowanych fotonów i integrację z obwodami fotonicznymi.

Pomiar interferencji kwantowej w źródle fotonów rezonatora z pierścieniem krzemowym

Przeglądaj więcej filmów