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

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.