Medição de Interferência Quântica em uma fonte de silício anel ressonador Photon

Resumo

Silicon chips fotônicos têm o potencial para realizar complexos sistemas quânticos integrados. Apresentada aqui é um método para preparar e testar um chip de silício fotónica para medições quânticas.

Resumo

Silicon chips fotônicos têm o potencial para realizar circuitos quânticos integrados complexos de processamento de informações, incluindo fontes de fótons, manipulação qubit, e detectores de fóton único integrados. Aqui, apresentamos os principais aspectos da preparar e testar um chip quântico fotônico de silício com uma fonte de fótons integrada e interferômetro de dois fótons. O aspecto mais importante de um circuito integrado quântica é minimizar a perda de modo a que todos os fotões gerados são detectados com a maior fidelidade possível. Aqui, nós descrevemos como realizar o acoplamento extremidade de baixa perda, utilizando uma fibra de ultra-elevada abertura numérica para combinar de perto o modo das guias de ondas de silício. Ao utilizar uma receita de emenda de fusão optimizado, a fibra é perfeitamente Uhna em interface com uma fibra de modo único padrão. Este acoplamento de baixa perda permite a medição de produção de fotões de alta fidelidade num ressoador de silício anel integrado e a subsequente interferência de dois fotões do p produzidohotons em um interferômetro de Mach-Zehnder estreitamente integradas. Este artigo descreve os procedimentos essenciais para a preparação e caracterização de alto desempenho e quânticos silício circuitos fotónicas escaláveis.

Introdução

Silicon está mostrando uma grande promessa como uma plataforma de fotônica para o processamento de informação quântica ^{1, 2, 3, 4, 5.} Um dos componentes vitais de circuitos fotônicos quântica é a fonte de fótons. Fontes de fotões de par têm sido desenvolvidos a partir de silício sob a forma de ressoadores de micro-anel feito através de um processo não-linear de terceira ordem, espontânea de mistura de quatro ondas (SFWM) ^{6, 7, 8.} Essas fontes são capazes de produzir pares de fotões indistinguíveis, que são ideais para experiências que envolvem fotão emaranhamento ^9.

É importante notar que o anel de fontes ressonador pode operar com tanto no sentido horário e anti-horário de propagação, e as duas direcções de propagação diferentes são genereunir independentes um do outro. Isto permite um único anel de funcionar como duas fontes. Quando bombeamento óptico de ambas as direções, estas fontes gerar o seguinte estado emaranhado:

Onde e são os operadores de criação independentes para bi-fótons clockwise- e anti-propagação, respectivamente. Esta é uma forma muito conveniente de estado entrelaçado conhecido como um estado N00N (N = 2) ^10.

Passando este estado através de um interferómetro no chip de Mach-Zehnder (MZI) resulta no estado:

Este estado oscila entre máxima coincidência e de zero a duas vezes coincidênciaa frequência de interferência clássica num MZI, dobrando a sensibilidade do interferómetro ^10. Aqui, apresentamos o procedimento utilizado para testar uma fonte de fótons integrado tal e dispositivo MZI.

Protocolo

NOTA: Este protocolo assume que o chip fotônico já foi fabricado. O chip descrito aqui (mostrados na Figura 1A) foi fabricado nas instalações de Cornell University nanoescala Science & Technology utilizando técnicas de processamento de silício padrão para dispositivos fotónicas ^11. Estes incluem a utilização de bolachas de silício sobre isolante (composto por uma camada de silício de 220 nm de espessura, uma camada de 3? M de dióxido de silício, e um substrato de silício de 525 um de espessura), a litografia por feixe de electrões para definir as guias de ondas de tira (500 nm de largura-), e a deposição de vapor químico melhorado por plasma do revestimento de dióxido de silício (~ 3 m de espessura). Os ressonadores de micro-anel foram concebidos com um raio interno de 18,5 um e uma diferença de guia de onda-a-anel de 150 nm. Figuras de mérito para este dispositivo incluem a perda, o factor de qualidade, faixa espectral livre, e de dispersão.

1. Photonic Chip Preparação

1. Coloque uma pequena amount de cera em uma montagem de polimento transversal de seccionamento e aquecê-lo até ~ 130 ° C.
   NOTA: A quantidade de cera a ser utilizada depende do tamanho da amostra a ser montado. Deve haver suficiente cera para manter o chip imóvel, enquanto muito vai resultar em cera sobre as facetas de chips.
2. Colocar o chip fotónica na porção do polimento de montagem com a cera. Certifique-se de que a cera é derretida completamente para que o chip é plana contra o monte. Utilizar uma pinça de plástico durante o manuseamento do chip para evitar danificar as facetas.
3. Permitir que a montagem se arrefecer no ar ambiente de modo que as solidifica cera. Arrefecimento mais rápido do que isso pode resultar em danos para o chip.
4. Polir as facetas de chips.
   NOTA: É importante escolher o bloco de lapidação correta, começando com uma almofada que é muito agressivo pode resultar em polimento afastado mais do chip do que o desejado.
   1. Fixe o suporte de polimento para o polidor e polonês por apenas alguns segundos. Uma almofada com uma rugosidade de 3 mícrons tem mostrado serum bom ponto de partida para chips de silício com comprimentos faceta de ~ 1 cm.
   2. Remova a montagem polimento e inspecionar a faceta chip para determinar como o nível do chip está montado.
      NOTA: Um microscópio é útil para medir a distância entre as extremidades das guias de ondas e a faceta do chip. Estas medidas permitem que seja o ângulo entre a faceta e a guia de onda para ser determinada.
   3. Fazer os ajustes necessários para os micrômetros sobre o polidor, a fim de melhorar o nivelamento do chip.
   4. Repetir os passos 1.4.1-1.4.3 até a faceta do chip e os guias de ondas estão dentro de 0,15 ° de ser ortogonais entre si.
   5. Polonês o chip em passos de ~ 50? M, inspeccionar o chip entre cada passo de controlar a distância restante, até que haja ~ 100? M esquerda para polir. Se em qualquer ponto do revestimento parece ser delaminação da superfície, garantir que o bloco está a rodar, de modo a polonês a partir do topo do chip para o fundo.
      NOTA: Pode também ajudar a usar um lubrificante de polimento em vez de água. Este delaminação é um resultado de stress no revestimento e é uma indicação de que o processo de fabricação tem de ser optimizada.
   6. Mudar a uma almofada de polimento 1-m e polonês até que haja ~ 20 um remanescente.
   7. Mudar para um bloco de 0,5 mícrons e continuar polimento durante mais 15? M.
   8. Utilizar uma almofada de 0,1 mícrons para o final 5? M para assegurar uma faceta suave. Imagens do microscópio da faceta de um chip de silício fotónica antes e após o polimento são mostrados na Figura 2.
5. Aquece-se a montagem com o chip ligado a ~ 130 ° C, para permitir que a cera derreter.
6. Uma vez que a cera está completamente fundido, remover o chip do monte e deixá-lo arrefecer lentamente.
7. Limpar qualquer da cera remanescente a partir do chip usando acetona, isopropanol, e água.

2. Preparação de fibra Cachos

1. Tira qualquer tampão ou revestimento from a extremidade de uma fibra monomodo (SMF) e rabo de porco a partir de uma extremidade de uma fibra ultra-elevada abertura numérica (Uhna).
2. Limpar as extremidades nuas das fibras com uma mistura de acetona e metanol.
3. Clivar as extremidades nuas de ambas as fibras com um cutelo de fibra comercial.
4. Fusão splice final clivado das fibras. Uma receita para o splicing SMF para fibra Uhna é mostrada na Tabela 1.
5. Deslize uma luva protetora sobre a emenda e colocá-lo no forno manga para anexá-lo permanentemente para a fibra.
6. Repita os passos de 2,1-2,5 para preparar um total de três fibras.

3. Configuração do Setup Testing

NOTA: Um diagrama da configuração de teste é mostrado na Figura 1B. A montagem para o chip é um pedestal de cobre que se encontra em contacto com um refrigerador de termo-eléctrico (TCE). Há um microscópio equipado com ambos os (IR) câmaras visíveis e de infravermelhos para a visualização do chip fotónica.

1. Lugar, colocaruma pequena quantidade de cera sobre o chip de montar e aplicar tensão ao TCE para fundir a cera.
2. Coloque o chip na cera derretida, garantindo que ele está sentado plana no monte.
3. Remover a tensão da TEC e permitir a montagem e chip para esfriar lentamente.
4. Anexar cada uma das fibras de splicing para uma fibra de v-ranhura com fita de poliimida e montar um único v-ranhura para cada uma das fases de 3 eixos utilizando o equipamento de montagem fornecido pelo fabricante.
5. acoplamento extremidade de fibra.
   1. Ligar os três fibras para os seus respectivos componentes: um para a saída óptica do laser e os outros dois para medidores de energia óptica.
   2. Ajuste o microscópio para que ele está focado no chip, onde as guias de onda alcançar a borda.
   3. Posicionar as fibras perto da borda chip de modo a que eles estão na visão da câmara visível e ajustar as suas alturas de modo a que o núcleo de cada fibra está em foco.
   4. Ajustar a posição horizontal das fibras com o micromete fasers para que sejam alinhados com as guias de onda.
   5. Ligar a saída óptica do laser e ajustar as posições horizontais e verticais micrómetro da fibra de entrada até que a luz é acoplamento na guia de onda. Isso irá aparecer na câmara de infravermelhos como dispersão ao longo do guia de onda de entrada.
   6. Ajustar o comprimento de onda do laser para um ponto em que o ressonador micro-anel é iluminada na câmara. Isto indica que a condição de ressonância está sendo satisfeita e que a luz está atingindo as guias de onda de saída.
   7. Ajustar as posições horizontais e verticais micrómetro das fibras de saída até que haja uma quantidade mensurável de luz que se estende desde os guias de ondas para os contadores de energia.
   8. Maximizar a energia para ambos os detectores, manipulando as posições micrómetro horizontais e verticais das três fibras.
   9. Além disso maximizar a energia para os detectores, fazendo ajustes finos para as posições horizontais e verticais de fibra usando o controll piezoers.
   10. Com os controladores piezo para mover as fibras ligeiramente mais estreitas para o chip. Certifique-se não usar os micrômetros para empurrar as fibras no chip, pois isso provavelmente irá danificar as extremidades clivados das fibras.
   11. Repita os passos 3.5.9 e 3.5.10 até que as fibras estejam firmemente pressionado contra os lados do chip.
       NOTA: luz dispersa em excesso a partir das guias de onda, juntamente com a guia de onda de transmissão pobre, pode ser uma indicação de defeitos de guia de onda. Estes podem incluir, mas não estão limitados a, locais de defeitos de material fronteiras, costura, e rugosidade da guia de onda excessiva.
6. Colocar um controlador de polarização à base de fibras entre o laser e o chip. Isso permite um controle do estado de polarização que o torna ao chip. Os guias de onda, sendo mais larga do que eles são altos, ajuda a minimizar qualquer rotação de polarização on-chip.
7. Caracterização dispersão.
   1. Sintonize a polarização da saída do laser para maximizar o acoplamento o chip. Este dispositivo foi concebido para-eléctrica transversal (TE) de polarização e, como tal, o (TM) de polarização transversal-magnético tem uma perda muito maior.
   2. Digitalizar um laser sintonizável através da gama de comprimentos de onda de interesse (1.510 nm a 1600 nm, neste caso) e monitorizar os medidores de energia. Quaisquer sinais espúrios na espectros de transmissão são provavelmente devido a uma combinação do componente de TM dos efeitos de polarização e etalon de interface fibra-chip.
   3. Localize os comprimentos de onda de ressonância no espectro e também extrair a largura de banda de cada ressonância. Este chip especial, teve larguras de banda tão pequenas quanto 65 horas, o que se traduz em fatores de qualidade (Q) de até 23.000.
   4. Determinar a gama espectral livre (FSR), a separação entre ressonâncias, para cada par adjacente de ressonâncias. Este dispositivo em particular tinha uma FSR de ~ 5 nm.
   5. Calcular o índice do grupo (n _g) do modo guiado para cada valor da FSR usando a seguinte equação:
      n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
      onde λ é o comprimento de onda e o símbolo r representa o raio do dispositivo de ressonância de micro-anel. A equação acima é uma aproximação de primeira ordem do índice do grupo.
   6. Usar a largura de banda de cada ressonância para determinar uma largura (? N _g) associado com cada valor do índice do grupo.
   7. Escolha os comprimentos de onda para os dois lasers de bomba tais que coincidam com ressonâncias no espectro e têm um número ímpar de ressonâncias entre eles (Figura 1C).
   8. Determinar o comprimento de onda dos bi-fotões degenerados usando a seguinte equação:
      
      onde λ _{bomba 1} e λ _{bomba 2} são os comprimentos de onda dos fotões da bomba.
   9. Adicionar uma linha horizontal na trama de índice do grupo contra comprimento de onda que se estende entre os dois comprimentos de onda de bomba (figura 3). Se é possível para a line de se sentar no interior n _g ± Δ n _g em todos os três comprimentos de onda de interesse, simultaneamente, a condição de correspondência de fase é satisfeito e fotões pode ser gerado através SFWM. Se não for possível, tente escolher comprimentos de onda de bombas que estão mais próximos juntos e verifique novamente.
8. Adicionar uma segunda fonte de laser sintonizável e controlador de polarização para a configuração e combinar as saídas ópticas de ambos os lasers com um combinador de fibra 1 x 2.
9. Adicionar uma série de filtros de entalhe de fibra óptica (suficiente deles atingir ~ 120 dB de atenuação) imediatamente antes de o chip.
   NOTA: Os filtros permitem que ambos os comprimentos de onda da bomba para passar, mas rejeitam o comprimento de onda bi-fóton. Eles ajudam a remover o excesso de ruído (isto é, de banda larga de difusão Raman na fibra óptica) antes do acoplamento ao chip. O espectro de filtro é mostrada na Figura 1B.
10. Adicionar uma série de filtros de banda-base de fibras (um número suficiente para atingir ~ 150 dB de atenuação)imediatamente após o chip.
    NOTA: Os filtros devem ser grande o suficiente para permitir que os bi-fótons para passar, mas estreito o suficiente para rejeitar os fótons da bomba. Dois conjuntos de estes são necessários, um conjunto para cada saída. O espectro de filtro é mostrada na Figura 1B.
11. Enviar os fótons rejeitados de cada conjunto de filtros para separar medidores de energia.
    NOTA: Estes medidores de energia são usados ​​para monitorar o acoplamento óptico para o chip e também pode ser usado para determinar se os lasers da bomba são remanescentes na ressonância.
12. Ligue a saída óptico individual a partir de cada conjunto de filtros a partir de fibras para um único detector de fotões (SPD) e ligue as duas saídas de sinais eléctricos a partir dos DUP para um dispositivo de correlação coincidência.
13. Atravessar um par de sondas de tungsténio e definir as pontas para baixo sobre uma das pernas em espiral (~ 1 mm de comprimento) do MZI.
14. Ligar uma fonte de alimentação para as duas sondas cruzadas de tal modo que geram calor quando a tensão é aplicada. Isto irá actuar como fase-shifter para tele MZI.
    NOTA: Veja a discussão para uma descrição do método mais padronizado para a sintonia térmica de dispositivos fotônicos.

4. Medição de dois fótons Interferência

1. Tune ambos os lasers bomba para os comprimentos de onda escolhidos. Use os medidores de energia que estão monitorando os fótons bomba rejeitados para garantir que ambos os lasers são ajustados para as ressonâncias. Quando os lasers são devidamente sintonizado para as ressonâncias desejados, o sinal de rejeitado a partir do filtro pode ser maximizada.
2. Definir a potência óptica de cada laser para -3 dBm.
   NOTA: Isto irá resultar em <100 mW no chip. É importante manter a potência da bomba esta baixa, a fim de minimizar a perda de (a partir de absorção de multi-fotão e isento de transportador de absorção) e manter a estabilidade (por minimizar mudanças térmicas induzidas pela luz). junções PN pode ser usado para remover os transportadores de guia de onda para melhor acomodar potências mais altas de bomba.
3. Monitorar as contagens de coincidência (Sincronizaçãonous individuais através de duas portas) por integração ao longo de ~ 220 ps sobre o pico dos dados. Um tempo de integração suficientes quando passou um mínimo de 100 contagens de coincidência foram recolhidos.
   Nota: A janela de integração deve ser grande o suficiente para dar conta da oscilação temporal dos DOCUP.
4. Definir a fonte de alimentação para a fase-shifter para a tensão inicial (por exemplo, 0 V).
5. Digitalizar um dos lasers ajustáveis ​​em toda a faixa de comprimento de onda e usar os medidores de energia que estão coletando os fótons bomba rejeitados para confirmar a localização das ressonâncias de interesse. Definir os lasers de bomba para os comprimentos de onda correspondentes às ressonâncias desejados.
   Nota: É importante para completar este passo a cada vez que a tensão shifter fase é alterado conforme a sintonia térmica pode resultar em pequenas mudanças nos comprimentos de onda ressonante.
6. Recolher os dados resultantes (contagem de fot ico, bem como as contagens de coincidência) a partir do dispositivo de correlação para a coincidência previamente escolhidotempo de integração. Aqui, um tempo de integração de 90 s foi escolhido com uma resolução de temporização de 32 ps.
7. Aumentar a tensão aplicada à fase-shifter por 5 mV.
8. Repita os passos 4,4-4,6 até que os dados foram recolhidos para a gama desejada de tensões.
   NOTA: A tensão máxima foi limitada a 2,4 V, devido à rápida degradação das sondas acima esta tensão.
9. Integrar os picos de coincidência para cada voltagem da fonte de alimentação ao longo de ~ 220 ps para determinar o número total de coincidências (Figura 4).
10. Integrar mais de 320 ns longe do pico de coincidência para se obter as coincidências acidentais. Use este resultado para calcular o número de acidentes no pico coincidência.
11. Coloque os solteiros contagens de cada detector com a seguinte função de seno modificada:
    
    onde A, B, C, D, E, e F são os parâmetros de ajuste. Este ajuste é necessário devido ao relationsh não-linearIP entre a tensão e a mudança térmica induzida (fase relativa).
12. Converter a variável independente a fase relativa para todos os três conjuntos de dados (as contagens individuais de cada detector e as contagens de coincidência) com a seguinte equação:
    
    em que B, C, D, e E são os parâmetros de ajuste do passo 4.11. Esta conversão é possível devido à função de transferência sinusoidal bem conhecido de um MZI ^12.
13. Ajustar os dados de coincidência (com a fase relativa como a variável independente) com a seguinte função de seno:
    
    em que A e B são os parâmetros de ajuste.
14. Calcular a visibilidade de cada padrão de interferência com a seguinte equação:
    
    onde ƒ (θ) _max e ƒ ( min são os valores máximos e mínimos de ƒ (θ), respectivamente. A visibilidade de 1 corresponde a um padrão de interferência perfeito.

Resultados

contagem de fotões individuais de cada detector, bem como as contagens de coincidência, foram recolhidos como a fase relativa entre os dois caminhos foi sintonizado. As contagens individuais (Figura 5a) mostram o padrão de interferência clássica a partir de um MZI com visibilidades de 94,5 ± 1,6% e 94,9 ± 0,9%. As medições de coincidência (Figura 5B) mostram a interferência quântica do estado entrelaçado, como é evidente pela oscilação com o dobro da fre...

Discussão

Há vários desafios para o campo da fotônica integrada para superar a fim de que sistemas complexos e escaláveis ​​de dispositivos fotônicos para ser viável. Estes incluem, mas não estão limitados a: tolerâncias apertadas de fabricação, o isolamento de instabilidades ambientais e minimização de todas as formas de perda. Não há passos críticos no protocolo anteriormente referido, que ajudam a minimizar a perda de dispositivos fotónicas.

Um dos requisitos mais importantes para minimizar a perda...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Estágio de flexão NanoMax de 3 eixos	Thorlabs	MAX312D	Precision Estágio de 3 eixos
Ferramenta de decapagem de fibra de três furos	Thorlabs	Ferramenta de decapagem de buffer	FTS4
Controlador Piezo de três canais	Thorlabs	MDT693B	Controladores piezoelétricos para estágios NanoMax
Controlador de polarização de fibra	Thorlabs	FPC562	Polarização baseada em fibra de 3 pás controlador
Cutelo de fibra	Thorlabs	XL411	Cutelo de fibra
Suporte de fibra padrão V-Groove	Thorlabs	HFV001	montagem padrão em v-groove
Suporte de fibra cônico V-Groove	Thorlabs	HFV002	montagem cônica em v-groove
Placa superior de ângulo reto para NanoMax Stage	Thorlabs	AMA011	suporte de ângulo reto
50:50 Fibra óptica Acoplador	Thorlabs	TW1550R5F1	50/50 combinador
Fusão de Fibra Óptica	Fujikura	FSM-40S	Sistema
de Polimento MultiPrep de Fusão - 8"	Polidor de Chips	Allied High Tech	15-2100
GreenLube	Allied High Tech	90-209010	Lubrificante de
Polimento Pá de Seção Transversal com Borda de Referência	Allied High Tech	15-1010-RE	Suporte de polimento
Sistema de medição Lightwave	Keysight	8164B	Mainframe para laser ajustável
Fonte de laser ajustável	Keysight	81606A	Laser ajustável
Sensor óptico de potência	Keysight	81634B	Medidor de potência
NIR Detector de fóton único	ID Quantique	ID210	Detectores de
fóton únicoDetector de fóton único NIR	ID Quantique	ID230	Detectores de fóton único de baixo ruído e funcionamento livre
PicoHarp	PicoQuant	PicoHarp 300	Contagem de fótons únicos correlacionados com o tempo
WiDy SWIR InGaAs Câmera	NIT	640U-S	IR
Filtro passa-banda WDM Filtros	limpeza de bomba	JDS Uniphase	30055053-368-2.2
Filtro	passa-banda WDMFiltros de	rejeição de bomba	1011787-012
Fibra de abertura numérica ultra-alta Fibra	alto índice	Nufern	UHNA-7
Fibra de modo único ultra óptica	Corning	SMF-28	fibra monomodo padrão