Измерение квантовой интерференции в источнике кремния Кольцо Резонатор Photon

Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы охарактеризовать источник интегрированной фотонной пары путем измерения квантовой интерференции. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы, связанные с интегрированной квантовой фотоникой, в том числе о том, как реализовать источники коррелированных фотонов в масштабе чипа и интегрировать их в квантовые интегральные фотонные схемы. Основное преимущество этого метода заключается в том, что его можно применять к широкому спектру интегральных квантовых фотонных схем

В основе эксперимента лежит фотонный чип. Этот чип имеет сторону примерно пять миллиметров и изготовлен с использованием стандартных технологий. На этом изображении чипа видны его компоненты.

Имеется схема накачки, включающая входной волновод, кольцевой резонатор, в котором фотоны будут распространяться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, и интерферометр Маха-Цендера, за которым следуют выходные волновода. Металлические выводы обеспечивают нагрев на кристалле, что приводит к фазовому сдвигу в интерферометре. Чтобы подготовить чип к использованию в цепи, отполируйте его с помощью полировщика для стружки.

Сначала с помощью полировщика выровняйте скол и сделайте все грани ортогональными. Отполируйте скол с помощью притирочной подушечки толщиной три микрона, с шагом около 50 микрон, пока от конца полировки не останется примерно 100 микрон. После каждых 50 мкм осматривайте чип, чтобы определить оставшееся расстояние.

Когда останется около 100 микрон, смените его на притирочную площадку толщиной в один микрон. Продолжайте полировать чип и следить за ходом работ. Когда останется около 20 микрон, смените на прокладку 0,5 микрона.

Отполируйте скол дальше, до тех пор, пока от конца полировки не останется 15 мкм. При длине 15 микрон замените притирочную накладку на накладку с шероховатостью 0,1 микрона. Используйте эту подушечку для полировки скола до тех пор, пока не останется всего 10 микрон следов полировки.

Последний этап полировки с помощью притирочной подушечки 0,1 микрона обеспечивает гладкую грань. Снимите скол перед его очисткой и хранением для последующего использования. Соберите необходимое оборудование для подготовки оптических волокон.

К ним относятся машина для снятия волокна, скалыватель волокна, сварочный аппарат для оптоволокна и рукавная печь. Работайте с тремя одномодовыми волоконными косичками и примерно от 20 до 30 сантиметров волокна со сверхвысокой числовой апертурой для каждого. Чтобы приготовить одну косичку, используйте стриппер для удаления волокна, чтобы удалить любой буфер или кодировку с его конца.

Проделайте то же самое с одним концом волокна со сверхвысокой числовой апертурой. После очистки волокон используйте скалыватель для их подготовки к сварке. Далее переместите волокна в сварочный аппарат.

Положите волокна на место, и правильно выровняйте отколовшиеся концы. Введите соответствующие параметры, и выполните сращивание. Когда все будет готово, удалите сращенные волокна и осмотрите его.

Если сращивание приемлемо, наденьте защитную втулку на место сращивания. Затем поместите покрытый рукавом сращивание в духовку, чтобы навсегда закрепить его на волокне. Затем изготовьте три сращенных волокна для использования в эксперименте.

Эксперимент проходит на оптической скамье. На стенде расположены три трехосевых этапа перевода с пьезоконтроллерами. Они расположены таким образом, чтобы обеспечить доступ к волноводам чипа.

Этапы трансляции окружают оптический чип, который уже установлен на медном пьедестале. Тумба контактирует с термоэлектрическим охладителем. Каждый этап трансляции имеет одно из подготовленных волокон в V-образной канавке, и прикреплено полиимидной лентой.

Область с чипом можно рассмотреть с помощью микроскопа, который оснащен как видимой, так и инфракрасной камерами. На этом этапе волокна могут быть подключены к приборам для эксперимента. Подключите вход микросхемы к оптическому выходу перестраиваемого лазерного источника с помощью контроллера поляризации.

Подключите каждый выход микросхемы к измерителю оптической мощности. Теперь отрегулируйте положение микроскопа для работы с чипом. Сфокусируйте микроскоп там, где волнововоды достигают края чипа, и используйте этапы трансляции, чтобы расположить волокна рядом с краем чипа.

Поместите волокна в поле зрения видимой камеры и отрегулируйте их высоту, чтобы ядро каждого волокна было в фокусе. Прежде чем продолжить, убедитесь, что горизонтальное положение каждого волокна совпадает с его волноводом. Включите оптический выход лазера и отрегулируйте положение входного волокна до тех пор, пока свет не соединится с волноводом.

На инфракрасной камере это будет выглядеть как рассеяние вдоль входного волновода. Далее настройте длину волны лазера так, чтобы микрокольцевой резонатор подсвечивался на инфракрасной камере. Это означает, что условие резонанса было выполнено.

Продолжайте манипулировать положением волокон с помощью микрометров, чтобы максимизировать выходную мощность, измеряемую измерителями мощности. Точно настройте положение волокон и переместите каждое волокно немного ближе к чипу с помощью контроллеров пьезокаскада. Выполняйте итерации между тонкой настройкой всех волоконных соединений и перемещением всех волокон ближе к микросхеме.

Цель состоит в том, чтобы волокна были плотно прижаты к боковым сторонам чипа с максимальной измеряемой мощностью. Следующим шагом является характеристика дисперсии. Начните определение характеристик с настройки контроллера поляризации, чтобы максимизировать показания мощности на измерителях мощности.

Теперь просканируйте перестраиваемый лазер в интересующем вас диапазоне длин волн, чтобы найти спектр пропускания. Извлеките ширину полосы пропускания каждого резонанса и используйте эту информацию для поиска индексов групп и соответствующих неопределенностей. Затем определите длины волн двух лазеров накачки, найдя два резонанса, которые имеют нечетное количество резонансов между ними.

Зная эти длины волн, можно определить длину волны бифотона. Чтобы проверить, согласуются ли эти три длины волн со спонтанным четырехволновым смешиванием, постройте график зависимости индекса группы от длины волны. В данном случае синие точки — это индексы группы.

Красная штриховка соответствует неопределенности групповых индексов, как результат ширины полосы каждого резонанса. Зеленая горизонтальная линия проходит между длинами волн лазера кандидата в накачку. Поскольку линия полностью находится в затененной области, для эксперимента можно использовать накачку и бифотонные длины волн.

После того, как длины волн зонда будут определены, создайте окончательную установку для эксперимента. Он имеет два перестраиваемых лазерных источника, по одному для каждой из длин волн лазера накачки. Каждый лазерный выход поступает на отдельные контроллеры поляризации.

Оттуда два лазерных выхода объединяются в оптоволоконный комбайнер. Рядом находится ряд режекторных фильтров на основе волокна. Эти фильтры позволяют пропускать длины волн накачки, но при этом они достигают затухания длины волны бифотона примерно на 120 децибел.

Выход этого фильтра идет в фотонный чип. На каждом выходе, после микросхемы, имеется ряд полосовых фильтров. Эти фильтры ослабляют длины волн накачки примерно на 150 децибел, но пропускают бифотонные длины волн.

Отбракованные фотоны из каждого набора фильтров отправляются на специальный измеритель мощности. Выходной сигнал от каждого из волоконных фильтров поступает на специальный однофотонный детектор. Каждый из одиночных фотонных детекторов обеспечивает вход в коррелятор совпадений.

Фазовращатель для интерферометра Маха-Цендера представляет собой интегрированный резистивный нагреватель. Подключите управляемый компьютером драйвер тока к контактным площадкам микросхемы для выработки тепла при установке напряжения. Для измерения двухфотонной интерференции начните с лазеров накачки на выбранных длинах волн.

Контролируйте измерители мощности, чтобы убедиться, что каждый лазер настроен на свой резонанс и максимальная мощность. Затем следите за количеством совпадений на корреляторе. Как показано на этом рисунке, найдите пик данных и интегрируйте его по окну примерно 220 пикосекунд, центрируясь по нему.

Отслеживайте количество совпадений, пока общее количество совпадений не составит не менее 100. Это говорит о том, что прошло достаточное время интеграции. Теперь обратитесь к компьютеру, чтобы установить регулятор напряжения для фазовращателя на ноль вольт.

После того, как фазовый сдвиг установлен, перейдите к одному из перестраиваемых лазеров и выполните сканирование во всем диапазоне длин волн. Используйте измерители мощности для отбракованных фотонов накачки, чтобы определить местоположение ранее выбранных резонансов, которые могли дрейфовать. Настройте лазеры накачки в соответствии с ранее выбранными резонансами.

Важно следить за выбранными резонансами во времени, а не за длинами волн. нагревается, кольцо также нагревается, но гораздо менее эффективно. Это смещает резонансы на более длинные волны.

Соберите полученные данные от коррелятора времени, используя ранее выбранное время интегрирования. Сюда входит количество фотонов, подсчитанных каждым детектором в подсчете совпадений. После сбора данных отрегулируйте регулятор напряжения фазовращателя и увеличьте его на пять милливольт.

Повторяйте сканирование лазера и сбор данных подсчета до тех пор, пока не будет охвачен желаемый диапазон напряжений. Эти классические картины световой интерференции были получены с помощью тестовой установки путем сбора количества отдельных фотонов в зависимости от относительной фазы между двумя путями. В дополнение к измеренным данным, представленным кругами и ромбами, сплошные линии подгоняются к данным.

Цифры представляют собой рассчитанную видимость. Измерения корреляции совпадений показывают квантовую интерференцию запутанных фотонов. Обратите внимание, что частота колебаний в два раза превышает частоту классической модели.

Оранжевая кривая получена в результате теста на происхождение фотонов, который требует, чтобы запутанные фотоны генерировались на длине волны, не поддерживаемой кольцом. Он демонстрирует, что совпадения происходят от фотонов, генерируемых в кольце. Эти данные получены из шести экспериментов, в которых резонансные пары симметричны по частоте, о желаемом бифотонном месте.

Каждый набор данных демонстрирует период в два раза меньше, чем относительная фаза. После освоения этой техники ее можно сделать за 10-15 часов, если она выполнена правильно. Общее время в первую очередь определяется разрешением приращения напряжения фазовращателя и связанным с ним временем интегрирования каждого измерения бифотонных совпадений.

Пытаясь выполнить эту процедуру, важно не торопиться с оптимизацией связей чипа. Если все сделано неправильно, волокна могут быть нестабильными во время измерений. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как готовить и тестировать интегрированные источники фотонных фотонов.