Name: Medição de Interferência Quântica em uma fonte de silício anel ressonador Photon (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T10:30:00.000+00:00
Duration: 12 min 19 s
Description: Aprenda a caracterizar fontes de pares de fótons em circuitos fotônicos integrados de silício através de medidas de interferência quântica. Este método avança a fotônica quântica em escala de chip.

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Este trabalho foi realizado em parte na Ciência e Tecnologia nanoescala Facility Universidade de Cornell, um membro da Infraestrutura de Rede Nacional de Nanotecnologia, que é apoiado pela National Science Foundation (Grant ECCS-1542081). Nós reconhecemos o apoio para este trabalho do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL). Este material é baseado em trabalho parcialmente financiado pela National Science Foundation sob Award No. ECCS14052481.

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 &amp; 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 <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Fazer os ajustes necessários para os micrômetros sobre o polidor, a fim de melhorar o nivelamento do chip. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Mudar a uma almofada de polimento 1-m e polonês até que haja ~ 20 um remanescente. </li><li> Mudar para um bloco de 0,5 mícrons e continuar polimento durante mais 15? M. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Aquece-se a montagem com o chip ligado a ~ 130 ° C, para permitir que a cera derreter. </li><li> Uma vez que a cera está completamente fundido, remover o chip do monte e deixá-lo arrefecer lentamente. </li><li> Limpar qualquer da cera remanescente a partir do chip usando acetona, isopropanol, e água. </li></ol> 2. Preparação de fibra Cachos <ol><li> 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). </li><li> Limpar as extremidades nuas das fibras com uma mistura de acetona e metanol. </li><li> Clivar as extremidades nuas de ambas as fibras com um cutelo de fibra comercial. </li><li> Fusão splice final clivado das fibras. Uma receita para o splicing SMF para fibra Uhna é mostrada na Tabela 1. </li><li> Deslize uma luva protetora sobre a emenda e colocá-lo no forno manga para anexá-lo permanentemente para a fibra. </li><li> Repita os passos de 2,1-2,5 para preparar um total de três fibras. </li></ol> 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. <ol><li> Lugar, colocaruma pequena quantidade de cera sobre o chip de montar e aplicar tensão ao TCE para fundir a cera. </li><li> Coloque o chip na cera derretida, garantindo que ele está sentado plana no monte. </li><li> Remover a tensão da TEC e permitir a montagem e chip para esfriar lentamente. </li><li> 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. </li><li> acoplamento extremidade de fibra. <ol><li> 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. </li><li> Ajuste o microscópio para que ele está focado no chip, onde as guias de onda alcançar a borda. </li><li> 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. </li><li> Ajustar a posição horizontal das fibras com o micromete fasers para que sejam alinhados com as guias de onda. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Maximizar a energia para ambos os detectores, manipulando as posições micrómetro horizontais e verticais das três fibras. </li><li> Além disso maximizar a energia para os detectores, fazendo ajustes finos para as posições horizontais e verticais de fibra usando o controll piezoers. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Caracterização dispersão. <ol><li> Sintonize a polarização da saída do laser para maximizar o acoplamento<html> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Calcular o índice do grupo (n g) do modo guiado para cada valor da FSR usando a seguinte equação: n 5&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; 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. </li><li> Usar a largura de banda de cada ressonância para determinar uma largura (? N g) associado com cada valor do índice do grupo. </li><li> 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). </li><li> Determinar o comprimento de onda dos bi-fotões degenerados usando a seguinte equação: <img alt="equação 6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> onde λ bomba 1 e λ bomba 2 são os comprimentos de onda dos fotões da bomba. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 4. Medição de dois fótons Interferência <ol><li> 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. </li><li> Definir a potência óptica de cada laser para -3 dBm. NOTA: Isto irá resultar em &lt;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. </li><li> 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. </li><li> Definir a fonte de alimentação para a fase-shifter para a tensão inicial (por exemplo, 0 V). </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Aumentar a tensão aplicada à fase-shifter por 5 mV. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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. </li><li> Coloque os solteiros contagens de cada detector com a seguinte função de seno modificada: <img alt="equação 7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> 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). </li><li> 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: <img alt="equação 8" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> 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. </li><li> Ajustar os dados de coincidência (com a fase relativa como a variável independente) com a seguinte função de seno: <img alt="equação 9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> em que A e B são os parâmetros de ajuste. </li><li> Calcular a visibilidade de cada padrão de interferência com a seguinte equação: <img alt="equação 10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> onde ƒ (θ) max e ƒ ( <em&gt; θ) min são os valores máximos e mínimos de ƒ (θ), respectivamente. A visibilidade de 1 corresponde a um padrão de interferência perfeito. </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>

Não temos nada a divulgar.

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...

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: <img alt="equação 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> Onde <img alt="equação 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> e <img alt="equação 3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> 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: <img alt="equação 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> 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.

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

medição de interferência quântica em uma fonte de silício anel ressonador photon

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

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.

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...

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.

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

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

O objetivo geral deste procedimento é caracterizar uma fonte de par de fótons fotônicos integrada por meio da medição da interferência quântica. Este método pode ajudar a responder a questões-chave relacionadas à fotônica quântica integrada, incluindo como realizar fontes de escala de chip de fótons correlacionados e integrá-los em circuitos fotônicos integrados quânticos. A principal vantagem dessa técnica é que ela pode ser aplicada a uma ampla variedade de circuitos fotônicos quânticos integrados.No centro do experimento está o chip fotônico. Este chip tem aproximadamente cinco milímetros de lado e é fabricado usando técnicas padrão. Esta imagem do chip revela seus componentes.Há um circuito de bomba, incluindo o guia de onda de entrada, um ressonador de anel, no qual os fótons se propagam no sentido horário e anti-horário, e um interferômetro Mach-Zehnder, que é seguido por guias de onda de saída. Os cabos de metal permitem o aquecimento no chip, resultando em uma mudança de fase no interferômetro. Para preparar o chip para uso no circuito, faça o polimento com um polidor de chips.Primeiro use o polidor para nivelar o chip e torne todas as facetas ortogonais. Polir o chip com uma almofada de lapidação de três mícrons, em etapas de cerca de 50 mícrons, até cerca de 100 mícrons do final das marcas de polimento. Após cada 50 mícrons, inspecione o chip para determinar a distância restante.Quando houver cerca de 100 mícrons restantes, mude para uma almofada de lapidação de um mícron. Continue a polir o chip e monitorar o progresso. Quando houver cerca de 20 mícrons restantes, mude para uma almofada de 0,5 mícron.Polir ainda mais o chip, até 15 mícrons do final das marcas de polimento. A 15 mícrons, troque a almofada de lapidação por uma com rugosidade de 0,1 mícron. Use esta almofada para polir o chip até que apenas 10 mícrons das marcas de polimento permaneçam.A última etapa de polimento, com uma almofada de lapidação de 0,1 mícron, garante uma faceta lisa. Remova o chip antes de limpá-lo e armazená-lo para uso posterior. Reúna o equipamento necessário para preparar as fibras ópticas.Isso inclui um removedor de fibra, um cutelo de fibra, um splicer de fusão e um forno de manga. Trabalhe com as três tranças de fibra monomodo e cerca de 20 a 30 centímetros de fibra de abertura numérica ultra-alta para cada uma. Para preparar um pigtail, use o decapador de fibras para remover qualquer buffer ou codificação de sua extremidade.Faça o mesmo com uma extremidade do comprimento da fibra de abertura numérica ultra-alta. Depois de limpar as fibras, use o cutelo de fibra para prepará-las para a emenda por fusão. Em seguida, mova as fibras para o splicer.Coloque as fibras na posição e alinhe adequadamente as extremidades clivadas. Insira os parâmetros apropriados e execute a emenda. Quando terminar, remova as fibras emendadas e inspecione-as.Se a emenda for aceitável, deslize uma luva protetora sobre o local da emenda. Em seguida, coloque a emenda coberta com manga no forno de manga para prendê-la permanentemente à fibra. Prossiga para produzir três fibras emendadas para uso no experimento.O experimento ocorre em uma bancada óptica. Na bancada estão três estágios de translação de três eixos com controladores piezoelétricos. Eles são posicionados para permitir o acesso às guias de onda do chip.Os estágios de tradução envolvem o chip óptico que já foi montado em um pedestal de cobre. O pedestal está em contato com o resfriador termoelétrico. Cada estágio de tradução tem uma das fibras preparadas em uma ranhura em V e presa com fita de poliimida.A região com o chip pode ser visualizada usando um microscópio, equipado com câmeras visíveis e infravermelhas. Neste ponto, as fibras podem ser conectadas aos instrumentos do experimento. Conecte a entrada do chip à saída óptica de uma fonte de laser ajustável por meio de um controlador de polarização.Conecte cada saída do chip a um medidor de potência óptica. Agora, ajuste a posição do microscópio para trabalhar com o chip. Focalize o microscópio onde as guias de onda alcançam a borda do chip e use os estágios de translação para posicionar as fibras perto da borda do chip.Traga as fibras à vista da câmera visível e ajuste suas alturas, para que o núcleo de cada fibra fique em foco. Antes de prosseguir, certifique-se de que a posição horizontal de cada fibra esteja alinhada com seu guia de onda. Ligue a saída óptica do laser e ajuste a posição da fibra de entrada até que a luz se acople ao guia de onda.Na câmera infravermelha, isso aparecerá como dispersão ao longo da guia de onda de entrada. Em seguida, ajuste o comprimento de onda do laser para que o ressonador de microanel fique aceso na câmera infravermelha. Isso indica que a condição de ressonância foi satisfeita.Continue manipulando as posições das fibras com os micrômetros, de modo a maximizar a potência de saída medida pelos medidores de potência. Ajuste as posições da fibra e mova cada fibra ligeiramente mais perto do chip, usando os controladores de estágio piezoelétrico. Itere entre ajustar todos os acoplamentos de fibra e mover todas as fibras para mais perto do chip.O objetivo é ter as fibras pressionadas firmemente contra as laterais do chip, com a potência medida maximizada. O próximo passo é caracterizar a dispersão. Comece a caracterização ajustando o controlador de polarização para maximizar a leitura de potência nos medidores de potência.Agora, escaneie o laser sintonizável na faixa de comprimento de onda de interesse para encontrar o espectro de transmissão. Extraia a largura de banda de cada ressonância e use as informações para encontrar os índices de grupo e as incertezas correspondentes. Em seguida, identifique os comprimentos de onda dos dois lasers de bomba encontrando duas ressonâncias que tenham um número ímpar de ressonâncias entre eles.Conhecer esses comprimentos de onda permite a determinação do comprimento de onda do bifóton. Para testar se esses três comprimentos de onda são consistentes com a mistura espontânea de quatro ondas, plote o índice de grupo versus o comprimento de onda. Nesse caso, os pontos azuis são os índices do grupo.O sombreamento vermelho corresponde à incerteza dos índices do grupo, como resultado da largura de banda de cada ressonância. A linha horizontal verde se estende entre os comprimentos de onda do laser da bomba candidata. Como a linha está inteiramente dentro da região sombreada, os comprimentos de onda da bomba e do bifóton podem ser usados para o experimento.Depois que os comprimentos de onda da sonda forem determinados, crie a configuração final do experimento. Este tem duas fontes de laser sintonizáveis, uma para cada um dos comprimentos de onda do laser da bomba. Cada saída de laser vai para controladores de polarização separados.A partir daí, as duas saídas de laser são combinadas em um combinador de fibra. Ao lado há uma série de filtros de entalhe à base de fibra. Esses filtros permitem a passagem dos comprimentos de onda da bomba, mas atingem aproximadamente 120 decibéis de atenuação do comprimento de onda do bifóton.A saída deste filtro vai para o chip fotônico. Em cada saída, após o chip, há uma série de filtros passa-banda. Esses filtros atenuam os comprimentos de onda da bomba em cerca de 150 decibéis, mas passam os comprimentos de onda dos bifótons.Os fótons rejeitados de cada conjunto de filtros são enviados para um medidor de potência dedicado. A saída de cada um dos filtros baseados em fibra vai para um detector de fóton único dedicado. Cada um dos detectores de fótons únicos fornece entrada para um correlacionador de coincidência.O deslocador de fase para o interferômetro Mach-Zehnder é um aquecedor resistivo no chip. Conecte um driver de corrente controlado por computador às almofadas de contato do chip para gerar calor quando a tensão for definida. Para duas medições de interferência de fótons, comece com os lasers da bomba nos comprimentos de onda escolhidos.Monitore os medidores de potência para garantir que cada laser esteja sintonizado em sua ressonância e que a potência seja maximizada. Em seguida, monitore as contagens de coincidência no correlador. Conforme indicado nesta figura, encontre o pico dos dados e integre em uma janela de aproximadamente 220 picossegundos, centralizada nele.Acompanhe as contagens de coincidências até que haja um total de pelo menos 100. Isso indica que um tempo de integração suficiente já passou. Agora, ligue para o computador para definir o controle de tensão para o deslocador de fase em zero volts.Depois que a mudança de fase for definida, vá para um dos lasers sintonizáveis e faça a varredura em toda a faixa de comprimento de onda. Use os medidores de potência para os fótons da bomba rejeitados para identificar a localização das ressonâncias selecionadas anteriormente que podem ter se desviado. Defina os lasers da bomba para corresponder às ressonâncias escolhidas anteriormente.É importante seguir as ressonâncias escolhidas ao longo do tempo, em vez dos comprimentos de onda. é aquecido, o anel também é aquecido, mas com muito menos eficiência. Isso muda as ressonâncias para comprimentos de onda mais longos.Colete os dados resultantes do correlacionador de tempo usando o tempo de integração escolhido anteriormente. Isso inclui o número de fótons contados por cada detector nas contagens de coincidência. Depois de coletar os dados, ajuste o controle de tensão do deslocador de fase e incremente-o em cinco milivolts.Repita a varredura do laser e colete os dados de contagem até que a faixa desejada de voltagens seja coberta. Esses padrões clássicos de interferência de luz foram obtidos usando a configuração de teste, coletando contagens de fótons individuais em função da fase relativa entre os dois caminhos. Além dos dados medidos, representados por círculos e losangos, as linhas sólidas são ajustadas aos dados.Os números representam a visibilidade calculada. As medições de correlação de coincidência mostram a interferência quântica dos fótons emaranhados. Observe que a oscilação é duas vezes a frequência do padrão clássico.A curva laranja é de um teste de origem de fótons que requer que fótons emaranhados sejam gerados em um comprimento de onda não suportado pelo anel. Isso demonstra que as coincidências são de fótons gerados no anel. Esses dados são de seis experimentos nos quais os pares de ressonância são simétricos em frequência, aproximadamente a residência desejada do bifóton.Cada conjunto de dados demonstra um período de metade do período da fase relativa. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em 10 a 15 horas, se for executada corretamente. O tempo total é determinado principalmente pela resolução do incremento de tensão do deslocador de fase e pelo tempo de integração associado de cada medição de coincidência de bifótons.Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de levar o seu tempo enquanto otimiza os acoplamentos do chip. Se não for feito corretamente, as fibras podem não ficar estáveis durante as medições. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como preparar e testar fontes de fótons fotônicos integrados.

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