Summary
Silicon photonischer Chips haben das Potenzial, komplexe integrierte Quantensysteme zu realisieren. Vorgestellt ist hier ein Verfahren zur Herstellung und Prüfung eines Silizium-photonischen Chips für Quantenmessungen.
Abstract
Silicon photonischer Chips haben das Potenzial, komplexe integrierte Quanteninformationsverarbeitungsschaltungen zu realisieren, einschließlich Photonenquellen, Qubit Manipulation und integrierten Single-Photonen-Detektoren. Hier stellen wir die wichtigsten Aspekte der Herstellung und Testen eines photonischen Siliziumquanten Chip mit einer integrierten Photonenquelle und Zwei-Photonen-Interferometer. Der wichtigste Aspekt einer integrierten Quantenschaltung minimiert Verlust, so dass alle der erzeugten Photonen mit möglichst hohen Genauigkeit erfaßt werden. Hier beschreiben wir, wie verlustarme Rand Kopplung durchzuführen, indem eine ultrahohe numerische Apertur Faser unter Verwendung eng um den Modus des Siliziumwellenleiters übereinstimmen. Durch die Verwendung einer optimierten Fusionsspleißen Rezeptur wird die Faser Uhna nahtlos mit einer Standard-Einmoden-Faser angeschlossen. Das verlustarme Kopplung ermöglicht die Messung von High-Fidelity-Photonenproduktion in einem integrierten Silizium-Ringresonator und die anschließende Zweiphotonen-Interferenz des hergestellten photons in einem eng integrierten Mach-Zehnder-Interferometer. Dieser Beitrag beschreibt die wesentlichen Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von hochleistungsfähigen und skalierbaren Silizium-Quanten photonischer Schaltungen.
Introduction
Silizium ist vielversprechend als Photonik - Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung 1, 2, 3, 4, 5. Eine der wesentlichen Komponenten des Quanten photonischer Schaltungen ist die Photonenquelle. Photonenpaar - Quellen aus Silicium in Form von Mikroringresonator über einen dritte Ordnung nicht linearen Prozess, spontan Vierwellenmischung (SFWM) 6, 7, 8 entwickelt. Diese Quellen sind in der Lage Paare von Photonen ununterscheidbar produzieren, die für Experimente sind ideal die Photonen Verschränkung 9.
Wichtig ist, dass Ringresonator Quellen mit beiden Ausbreitungs im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn betrieben werden kann festzustellen, und die beiden unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen Genvoneinander unabhängige scharen. Dies ermöglicht es ein einzelner Ring als zwei Quellen zu funktionieren. Als optisch von beiden Richtungen gepumpt wird, erzeugen diese Quellen den folgenden verschränkten Zustand:
woher 
und 
ist der unabhängige Schöpfung Betreiber für clockwise- und bi-Photonen entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden, respectively. Dies ist eine sehr wünschenswerte Form von verschränkten Zustand bekannt als N00N Zustand (N = 2) 10.
Passing diesen Zustand durch einen On-Chip-Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) führt in dem Zustand:
Dieser Zustand oszilliert zwischen maximaler Koinzidenz und Null Zufall bei zweimaldie Frequenz der klassischen Interferenz in einer MZI, verdoppelt effektiv die Empfindlichkeit des Interferometers 10. Hier stellen wir das Verfahren verwendet, eine solche integrierte Photonenquelle und MZI Gerät zu testen.
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Protocol
HINWEIS: Dieses Protokoll geht davon aus, dass der photonischen Chip bereits hergestellt worden. Der Chip hier beschrieben (gezeigt in 1A) wurde 11 für Silizium photonische Bauelemente an der Cornell University Nanoscale Science & Technology Einrichtung unter Verwendung von Standard - Verarbeitungstechniken hergestellt ist . Diese umfassen die Verwendung von Silizium-auf-Isolator-Wafer (bestehend aus einer 220 nm dicken Siliziumschicht, eine 3-um-Schicht aus Siliziumdioxid, und einem 525 um dicken Siliziumsubstrat), Elektronenstrahllithographie den Streifenwellenleiter zu definieren, (500 nm breite), und die Plasma-enhanced chemical vapor deposition des Siliziumdioxids Mantels (~ 3 & mgr; m dick). Die Mikroringresonator wurden mit einem Innenradius von 18,5 & mgr; m und einem Wellenleiter-zu-Ring-Abstand von 150 nm ausgelegt. Maßzahlen für dieses Gerät sind Verlust, Qualitätsfaktor, freien Spektralbereich und Dispersion.
1. Photonic Chip Vorbereitung
- Legen Sie eine kleine amount von Wachs auf einer Querschnittpolier Halterung und erhitzen Sie es auf ~ 130 ° C.
HINWEIS: Die Menge des Wachses verwendet wird, hängt von der Größe der Probe angebracht ist. Es muss genügend Wachs sein, den Chip unbeweglich zu halten, während zu viel in Wachs auf dem Chip Facetten führen. - Platzieren Sie den photonischen Chip auf dem Teil der Polierhalterung mit dem Wachs. Stellen Sie sicher, dass das Wachs vollständig geschmolzen ist, so daß der Chip gegen die Halterung eben ist. Verwenden Sie Kunststoff-Pinzette, wenn der Chip Handhabung zu vermeiden, dass die Facetten zu beschädigen.
- Lassen Sie die Halterung in der Umgebungsluft kühlen, so dass das Wachs erstarrt. Kühl schneller als dies kann zu Schäden an den Chip zur Folge hat.
- Polieren der Chip Facetten.
HINWEIS: Es ist wichtig, den richtigen Läppen Pad als Ausgang mit einem Pad zu wählen, die zu aggressiv ist beim Polieren entfernt mehr des Chips führen kann, als gewünscht.- Bringen Sie montieren das Polieren der Poliermittel und Poliermittel für nur wenige Sekunden. Ein Polster mit einer 3-um-Rauhigkeit aufweist erwiesenein guter Ausgangspunkt für die Siliziumchips mit Facettenlängen von ca. 1 cm.
- Entfernen Sie die Polier Halterung und den Chip Facette untersuchen, um zu bestimmen, wie Ebene der Chip montiert ist.
HINWEIS: Ein Mikroskop ist nützlich, um den Abstand zwischen den Enden des Wellenleiters zu messen und der Facette des Chips. Diese Messungen erlauben die Winkel zwischen der Facette und dem Wellenleiter bestimmt werden. - Nehmen Sie die notwendigen Anpassungen der Mikrometern auf der Poliermaschine, um die Nivellierung des Chips zu verbessern.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.4.1-1.4.3, bis die Facette des Chips und der Wellenleiter ist innerhalb von 0,15 ° von senkrecht zueinander zu sein.
- Polish der Chip in Schritten von ~ 50 & mgr; m, um den Chips zwischen jedem Schritt Inspizieren der Entfernung zu überwachen verbleibenden, bis es ~ 100 & mgr; m ist links zu polieren. Wenn an irgendeinem Punkt des Mantel von der Oberfläche zu sein scheint Delaminieren, sicherzustellen, dass die Unterlage von der Oberseite des Chips nach unten, um zum Polieren rotiert.
Hinweis: Es kann auch anstelle von Wasser einen Polier Schmiermittel verwenden helfen. Diese Delamination ist eine Folge der Spannung in der Verkleidung und ist ein Hinweis darauf, dass der Herstellungsprozess optimiert werden muss. - Wechsel zu einem 1-um-Läpp-Pad und zu polieren, bis verbleibende ~ 20 & mgr; m.
- Wechsel zu einem 0,5-um-Block und weiterhin für weitere 15 & mgr; m poliert.
- Verwenden, um einen 0,1-um-Pad für die letzten 5 um eine glatte Facette zu gewährleisten. Mikroskopbilder der Facette eines Silizium - photonischen Chip vor und nach dem Polieren sind in Abbildung 2 dargestellt.
- Beheizen die Halterung mit dem daran befestigten Chip auf ~ 130 ° C das Wachs zu ermöglichen, zu schmelzen.
- Sobald das Wachs vollständig geschmolzen ist, Entfernen des Chips von der Halterung und erlauben es langsam abkühlen.
- Reinigen jeden des verbleibenden Wachses aus dem Chip unter Verwendung von Aceton, Isopropanol, und Wasser.
2. Herstellung von Faser-Pigtails
- Abzustreifen beliebige Puffer oder Beschichtung from das Ende eines Single-Mode-Faser (SMF) pigtail und von einem Ende einer ultra-hohe numerische Apertur (Uhna) Faser.
- Reinigung der blanken Enden der Fasern mit einem Gemisch aus Aceton und Methanol.
- Spalten die blanken Enden der beiden Fasern mit einer handelsüblichen Faser-Spalter.
- Schmelzspleiß das gespaltene Ende der Fasern. Ein Rezept für das Spleißen SMF Uhna Faser ist in Tabelle 1 gezeigt.
- Schieben eine Schutzhülse über den Spleiß und es in der Hülse Ofen, um es permanent auf die Faser zu befestigen.
- Wiederholen Sie die Schritte 2,1-2,5 insgesamt drei Fasern herzustellen.
3. Konfiguration des Test-Setup
HINWEIS: Ein Diagramm des Testaufbaus ist in 1B gezeigt. Die Halterung für den Chip ist ein Kupfersockel, der mit einem thermoelektrischen Kühler (TEC) in Kontakt ist. Es ist ein Mikroskop mit Einbau sichtbaren und Infrarot (IR) Kameras für den photonischen Chip sehen.
- Orteine kleine Menge an Wachs auf der Chiphalterung und Spannung an den TEC anzuwenden um das Wachs zu schmelzen.
- Platzieren des Chips auf dem geschmolzenen Wachs zu gewährleisten, dass er auf der Halterung flach sitzt.
- Entfernen Sie die Spannung von der TEC und lassen Sie die Halterung und Chip langsam abkühlen.
- Befestigen jeden der gespleißten Fasern zu einer Faser mit V-Nut mit Polyimidband und montieren einen einzelnen V-Nut zu jedem der 3-Achsen-Stufen der vom Hersteller gelieferten Montagehardware.
- Faserkantenkopplung.
- Verbinden die drei Fasern in ihre jeweiligen Komponenten: ein mit dem optischen Ausgang des Lasers und den beiden anderen optischen Leistungsmesser.
- Stellen Sie das Mikroskop, so dass es auf dem Chip ausgerichtet wird, wo der Wellenleiter den Rand erreichen.
- Positionieren der Fasern nahe an der Chipkante, so dass sie in der Ansicht der Kamera sichtbar sind, und stellen ihre Höhen, so dass der Kern jeder Faser im Fokus ist.
- Stellt die horizontale Positionierung der Fasern mit der Bühne micrometers, so dass sie mit den Wellenleitern aufgereiht.
- Schalten Sie den optischen Ausgang des Lasers und stimmen die horizontalen und vertikalen Positionen der Mikrometer-Eingangsfaser, bis das Licht in den Wellenleiter koppelt. Dies wird auf der IR-Kamera als Streu entlang des Eingangswellenleiters angezeigt.
- Abstimmung der Wellenlänge des Lasers bis zu einem Punkt, wo der Mikroringresonator ist auf der Kamera beleuchtet. Dies zeigt, dass die Resonanzbedingung erfüllt wird, und dass das Licht des Ausgangswellenleiter erreicht.
- Einstellen der horizontalen und vertikalen Positionen der Mikrometer-Ausgangsfasern, bis eine messbare Menge an Licht von dem Wellenleiter zu den Leistungsmessern erstrecken.
- Maximieren der Leistung an den beiden Detektoren durch die horizontalen und vertikalen Mikrometer Positionen der drei Fasern zu manipulieren.
- Maximierung des Weiteren die Leistung zu den Detektoren durch die Feineinstellung der horizontalen und vertikalen Positionen Faser Herstellung des piezo controll Verwendungers.
- Verwenden, um die piezo-Controller die Fasern etwas näher an den Chip zu bewegen. Achten Sie darauf, nicht den & mgr; m zu verwenden, um die Fasern auf den Chip zu schieben, da dies wird die gespaltenen Ende der Fasern wahrscheinlich beschädigen.
- Wiederholen Sie die Schritte 3.5.9 und 3.5.10, bis die Fasern fest gegen die Seiten des Chips gedrückt werden.
HINWEIS: Übermäßige gestreutes Licht von den Wellenleitern, gekoppelt mit einem schlechten Übertragungswellenleiter, kann ein Hinweis auf Wellenleiterdefekten sein. Diese können umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Material Defektstellen, Heften Grenzen, und eine übermäßige Rauhigkeit Wellenleiter.
- Legen Sie eine Faserbasis-Polarisationssteuerung zwischen dem Laser und dem Chip. Dies ermöglicht eine Steuerung des Polarisationszustands, die es mit dem Chip macht. Der Wellenleiter, breiter als sie hoch mit Hilfe bei der Minimierung jede On-Chip-Polarisationsdrehung.
- Dispersion Charakterisierung.
- Tune die Polarisation der Laserausgangsleistung zu maximieren, um die Kupplung zu der Chip. Diese Vorrichtung wurde für die Querelektrischen (TE) Polarisation entworfen und als solche die transversale magnetische (TM) Polarisation einen wesentlich höheren Verlust hat.
- Scannen einen abstimmbaren Laser über den Wellenlängenbereich von Interesse (1.510 nm bis 1.600 nm in diesem Fall) und das Leistungsmesser überwachen. Alle Artefakte in den Transmissionsspektren sind wahrscheinlich durch eine Kombination der TM-Komponente der Polarisation und die Etalon-Effekte aus dem Faser-Chip-Schnittstelle.
- Finde die Resonanzwellenlängen in dem Spektrum und extrahiert auch die Bandbreite jeder Resonanz. Dieser besondere Chip hatte Bandbreite so klein wie 65 Uhr, die Qualitätsfaktoren (Q) von bis zu 23.000 übersetzt.
- Bestimmt den freien Spektralbereich (FSR), die Trennung zwischen Resonanzen für jedes benachbartes Paar von Resonanzen. Das jeweilige Gerät hatte einen FSR von ~ 5 nm.
- Berechnen der Gruppenindex (n g) der geführten Mode für jeden Wert des FSR Verwendung der folgenden Gleichung:
n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
wobei λ die Wellenlänge ist und r der Radius des Mikroringresonators. Die obige Gleichung ist eine Näherung erster Ordnung der Gruppenindex. - Verwenden , um die Bandbreite jeder Resonanz eine Breite (& Delta; n g) mit jedem Wert des Gruppenindex zugeordnet ist, um zu bestimmen.
- Wählen , um die Wellenlängen für die beiden Pumplaser , so dass sie mit Resonanzen im Spektrum und eine ungerade Anzahl von Resonanzen zwischen ihnen (1C) zusammenfallen.
- Bestimmt die Wellenlänge der degenerierten bi-Photonen, die die folgende Gleichung verwendet wird:
wobei λ 1 Pumpe und λ Pumpe 2 sind die Wellenlängen der Pumpphotonen. - Fügen Sie eine horizontale Linie auf dem Diagramm des Gruppenindex als Funktion der Wellenlänge , die zwischen den beiden Pumpwellenlängen (3) erstreckt. Wenn es möglich ist, für die line in n g sitzen ± Δ n g bei allen drei Wellenlängen von Interesse gleichzeitig die Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist , und Photonen über SFWM erzeugt werden. Wenn es nicht möglich ist, versuchen Pumpwellenlängen wählen, die näher beieinander sind und erneut prüfen.
- Hinzufügen eine zweite abstimmbaren Laserquelle und Polarisationssteuerung zum Einrichten und verbinden die optischen Ausgänge von beiden Lasern mit einem 1 x 2-Faser-Kombinierer.
- Fügen Sie eine Reihe von faserbasierten Kerbfiltern (genug von ihnen erreichen ~ 120 dB Dämpfung) unmittelbar vor dem Chip.
HINWEIS: Die Filter erlauben beiden Pumpwellenlängen, die bi-Photonenwellenlänge passieren jedoch abzulehnen. Sie helfen überschüssige Rauschen (dh breitbandige Raman - Streuung in der optischen Faser) zu entfernen , bevor mit dem Chip - Kopplung. Das Filter - Spektrum ist in Abbildung 1B gezeigt. - In einer Reihe von faserbasierten Bandfilter (genug, um von ihnen zu erreichen ~ 150 dB Dämpfung)unmittelbar nach dem Chip.
HINWEIS: Die Filter sollten breit genug sein, die bi-Photonen passieren zu lassen, aber schmal genug, um die Pumpphotonen abzulehnen. Zwei Sätze von diesen benötigt werden, einen Satz für jeden Ausgang. Das Filter - Spektrum ist in Abbildung 1B gezeigt. - Senden Sie die abgelehnten Photonen aus jedem Satz von Filtern Stromzähler zu trennen.
ANMERKUNG: Dieses Leistungsmesser verwendet werden, um die optische Kopplung mit dem Chip zu überwachen und auch bei Resonanz verbleibt, wenn der Pumplaser zu bestimmen, verwendet werden kann. - Verbinden den einzelnen optischen Ausgang aus jedem Satz von faserbasierten Filter zu einem einzelnen Photonendetektor (SPD) und verbinden die beiden elektrischen Signalausgänge von den Ableitern zu einem Koinzidenz-Korrelator.
- Kreuz ein Paar von Wolfram-Sonden und setzen die Spitzen nach unten auf einer der Spiralschenkel (~ 1 mm in der Länge) des MZI.
- Verbinden einer Stromversorgung für die beiden sich kreuzenden Sonden derart, dass sie Wärme erzeugen, wenn Spannung angelegt wird. Diese fungiert als Phasenschieber für ter MZI.
HINWEIS: Siehe die Diskussion um eine Beschreibung des einheitlicheren Verfahrens zur thermischen Abstimmung von photonischen Bauelementen.
4. Messung Zwei-Photonen-Interferenz
- Tune sowohl der Pumplaser auf den ausgewählten Wellenlängen. Verwenden Sie die Stromzähler, die die beanstandete Pumpphotonen überwachen, um sicherzustellen, dass beide Laser auf die Resonanzen abgestimmt sind. Wenn der Laser richtig auf die gewünschten Resonanzen abgestimmt wird, wird das zurückgewiesene Signal von den Filtern maximiert werden.
- Stellen Sie die optische Leistung, die von jedem Laser dBm bis -3.
Hinweis: Dies wird dazu führen, <100 & mgr; W bei dem Chip. Es ist wichtig, die Pumpleistung dieses niedrig zu halten, um Verluste zu minimieren (von Multiphotonen-Absorption und Absorption freier Träger) und Stabilität aufrechterhalten (durch thermische Verschiebungen lichtinduzierten minimiert). PN-Übergänge können Träger verwendet werden, von dem Wellenleiter zu entfernen, um einen besseren höhere Pumpleistungen anzupassen. - Überwachen Sie die Koinzidenz Zählungen (Synchronous Singles über zwei Ports) durch Integration über ~ 220 ps über die Spitze der Daten. Eine ausreichende Integrationszeit verstrichen ist, wenn ein Minimum von 100 zufällig zählt gesammelt wurden.
Hinweis: Die Integration Fenster breit genug sein sollten für den Timing-Jitter des EPPD zu berücksichtigen. - Stellen Sie die Stromversorgung für die Phasenschieber in die Ausgangsspannung (beispielsweise 0 V).
- Scannen eines der abstimmbare Laser über den gesamten Wellenlängenbereich und mit den Stromzähler, der die zurückgewiesenen Pumpphotonen sammeln sich die Position der Resonanzen von Interesse zu bestätigen. Stellen Sie den Pumplaser für die Wellenlängen auf die gewünschten Resonanzen entsprechen.
Hinweis: Es ist wichtig, diesen Schritt zu vollenden, jedes Mal der Phasenschieber Spannung als die thermische Abstimmung geändert wird, kann in kleinen Verschiebungen der Resonanzwellenlängen führen. - Sammelt die erhaltenen Daten (Einzelphotonenzählungen sowie die Koinzidenz counts) von der Koinzidenz Korrelator für die zuvor gewähltenIntegrationszeit. Hier wird eine Integrationszeit von 90 s wurde mit einer Zeitauflösung von 32 ps gewählt.
- Erhöhen Sie die an den Phasenschieber von 5 mV angelegten Spannung.
- Wiederholen Sie die Schritte 4,4-4,6, bis Daten für den gewünschten Spannungsbereich gesammelt worden ist.
HINWEIS: Die maximale Spannung wurde über dieser Spannung auf 2,4 V aufgrund des schnellen Abbaus der Sonden begrenzt. - Integriert Die Koinzidenz Peaks für jede Energieversorgungsspannung über ~ 220 ps die Gesamtzahl der Übereinstimmungen (Figur 4) zu bestimmen.
- Integrieren über 320 ns vom Zufall Spitze der zufälligen Koinzidenzen zu erhalten. Verwenden Sie dieses Ergebnis die Anzahl der Versetzungszeichen in der Koinzidenz Spitze zu berechnen.
- Bringen Sie die Einzelzählungen von jedem Detektor mit der folgenden modifizierten Sinusfunktion:
wobei A, B, C, D, E und F sind die Anpassungsparameter. Dieser Sitz ist notwendig aufgrund der nichtlinearen Relationship zwischen der Spannung und der induzierten thermischen Verschiebung (relative Phase). - Wandelt die unabhängigen Variable der relative Phase für alle drei Gruppen von Daten (die Singles zählen von jedem Detektor und der Koinzidenz counts) mit der folgenden Gleichung:
wobei B, C, D und E sind die Anpassungsparameter von Schritt 4.11. Diese Umwandlung ist möglich aufgrund der bekannten sinusförmigen Übertragungsfunktion eines MZI 12. - Bringen Sie die Koinzidenzdaten (mit der relativen Phase als unabhängige Variable) mit der folgenden Sinusfunktion:
wobei A und B sind die Anpassungsparameter. - Berechnen Sie die Sichtbarkeit jedes Interferenzmuster mit der folgenden Gleichung:
wobei ƒ (θ) max und ƒ (
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Representative Results
Einzelne Photonenzählungen von jedem Detektor, sowie die Koinzidenz Zählungen wurden als die relative Phase zwischen den zwei Pfaden abgestimmt wurde gesammelt. Die einzelne Zählungen (5A) zeigen das klassische Interferenzmuster aus einer MZI mit visibilities von 94,5 ± 1,6% bzw. 94,9 ± 0,9%. Die Koinzidenz - Messungen (5B) , um die Quanten - Interferenz des verschränkten Zustand zeigen, wie sie durch die Schwingung mit der doppelten Frequenz des klassischen Interferenzmuster mit einer Sichtbarkeit von 93,3 ± 2,0% evident ist (96,0 ± 2,1% mit den Vorzeichen subtrahiert) . Um zu bestätigen, dass die Photonen werden in erster Linie in dem Ring erzeugt werden, wurden die Pumpen in zwei Resonanzen konfigurieren, dass die bi-Photonen erfordern würde bei einer Wellenlänge erzeugt wird, nicht von dem Ring unterstützt. Die orangefarbene Linie in 5B bestätigt , daß mit einer solchen Konfiguration gibt es keine signifikanten coincidenc es. Abbildung 6 zeigt die Koinzidenz Zählungen für die verfügbaren Resonanzpaaren , die symmetrisch in der Frequenz sind um die Resonanz auf die gewünschten Bi-Photonen entspricht. In allen Fällen ist die 2 θ Abhängigkeit der relativen Phase evident.
Abbildung 1: Experimentelle Testumgebung für den Silicon Wellenleiterschaltkreis. (A) Bild des Siliziumphotonischen Chip Quanten die Ausbreitungsrichtung der Photonen anzeigt. Der Einschub ist ein Energieerhaltungsdiagramm für den Vier-Wellen-Mischprozeß, der innerhalb des Rings auftritt. (B) Versuchsaufbau verwendet , um die Silizium - photonischen Schaltung zu testen. (C) Transmissionsspektrum des Mikro Ringkavität, mit Pfeilen , welche die Pumpkonfiguration sowie die Wellenlänge der erzeugten bi-Photonen.s / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg“target = "_ blank"> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: Facet Verbesserung von Polieren. Bilder der Facette eines Silizium photonischen Chip (a) nach der Herstellung , jedoch vor dem Polieren und (b) nach dem Polieren. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: Charakterisierung der Wellenleiterdispersion. Diagramm der Wellenlängenabhängigkeit des Gruppenindex. Der rot-schraffierte Bereich ist repräsentativ für die Bandbreite der Resonanzen und ermöglicht die einfache Auswertung der Phasen-matching Zustand. Die grüne gestrichelte Linie ist horizontal und liegt vollständig innerhalb der schattierten Region, was zeigt, dass die Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist. Die Tatsache, dass die Daten über den gesamten Bereich flach ist, ist eine Bestätigung für Null-Dispersion. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: Messung der Koinzident Photonen. Plot der Koinzidenz peak mit der zeit Korrelator mit einer Integrationszeit von 90 s und einer Zeitauflösung von 32 ps gemessen. Die roten gestrichelten Linien zeigen die Ränder des Koinzidenzfenster, in denen insgesamt 459 Koinzidenzen sind. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: Klassische und Quanteninterferenzmessungen. (A) Die klassische Licht der typischen Interferenzmuster aus einer MZI als die relativen Phase zwischen den beiden Wegen demonstriert wird variiert. (B) Koinzidenz Korrelationsmessungen , welche die 2 θ Abhängigkeit der relativen Phase. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6: Bi-Photon Sichtbarkeit für verschiedene Pumpwellenlängen Konfigurationen. Plots der Koinzidenzen Korrelationsmessungen und berechnet visibilities für die Pumpwellenlängen von (a (b) 1,518.2 nm und 1,586.9 nm, (c) 1,522.9 nm und 1,581.8 nm, (d) 1,527.7 nm und 1,576.7 nm, (e) 1,532.4 nm und 1,571.6 nm, und (f) 1,537.2 nm und 1,566.6 nm. In allen Fällen ist die 2 θ Abhängigkeit der relativen Phase evident. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| SMF Uhna Fiber Spleißparameter | |
| Richten: Kern | Fokus: Auto |
| ECF: Aus | Automatische Abschaltung |
| Cleave Grenze: 1 ° | Kernwinkelgrenze: 1 ° |
| Reinigung Arc: 150 ms | Gap: 15 & mgr; m |
| Gapset Position: Zentrum | Prefuse Leistung: 20 Bit |
| Prefuse Zeit: 180 ms | Overlap: 10 & mgr; m |
| Arc1 Leistung: 20 Bit | Arc1 Zeit: 18.000 ms |
| Arc2: Aus | Rearc Zeit: 800 ms |
| Taper Splice: Aus | |
Tabelle 1: Einstellungen für die Fusion Splicing SMF Uhna Fiber.
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Discussion
Es gibt mehr Herausforderungen für das Gebiet der integrierten Photonik, um für komplexe und skalierbare Systeme von photonischen Bauelementen zu überwinden machbar zu sein. Diese umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: enge Fertigungstoleranzen, die Isolierung von Umwelt Instabilitäten und Minimierung aller Formen von Verlust. Es gibt kritische Schritte in dem obigen Protokoll, das den Verlust von photonischen Bauelementen minimieren helfen.
Eine der wichtigsten Anforderungen in Verlust minimiert wird eng Anpassung der optischen Moden der Fasern und den Wellenleitern. Ein Teil der Schwierigkeit ergibt sich aus der großen Modenfelddurchmesser (MFD) von SMF (~ 10 & mgr; m). Auf der integrierten Schaltkreisseite gibt es einen 500 nm-breiten Silizium-Wellenleiter mit einem viel kleineren MFD (<1 um). Dieser Modus Übergang zwischen der Faser und dem Wellenleiter kann auf zwei Arten verbessern: die SMF auf eine Länge von Uhna Faser oder eine umgekehrte Verjüngung an den Rand des photonischen Chip platzieren. Die gespleißte Region between die SMF und Uhna Faser wirkt als Modenwandler, um die Größe des Modus auf ~ 3 & mgr; m verringert wird. Die inverse Konizität wird verwendet, durch die Verringerung der Breite des Wellenleiters um den Modus auf dem Chip zu erweitern, wie es die Facette annähert. Dieser Chip verwendet eine lineare Verjüngung von den Wellenleitern 500 nm bis 150 nm die Spitzen (an dem Chip Facetten), mit einer Übergangslänge von 300 & mgr; m. Die Verjüngung der Wellenleiterbreite an der Kante des Chips führt zu einer Abnahme des effektiven Brechungsindex des optischen Modus und wiederum dehnt sich die Betriebsart.
Das Polieren der Chipfacette ist auch sehr wichtig in optischen Verlust zu mindern. Zwei Anliegen, während das Polieren an der gewünschten Oberfläche zu stoppen und Delaminieren der oberen Mantelmaterial. Idealerweise würde die endgültige Position der Facette genau der Verjüngung am Ende sein. Dies ist jedoch ziemlich schwierig zu erreichen, und aus diesem Grunde ist die Spitze des Kegels wird mit 100 & mgr; m verlängert, so dass das Polieren kann einige Mikrometer, bevor die gestoppt werdenVerjüngung beginnt. Wird zu wenig Material entfernt wird, wird der Modus nicht so effizient durch die Verjüngung erfasst werden. Wenn zu viel Material entfernt wird, wird es eine größere Modenfehlanpassung an der Faser / Chip-Schnittstelle sein, und mehr Licht verloren. Die anderen Hauptanliegen sind die Ablösung des oberen Mantels. Wenn es Probleme mit der Herstellung (Sauberkeit oder übermäßiger Spannung in der Umhüllung) ist, kann der Mantel nicht an der Kante des Chips an den Substrat anhaften. Wenn Ablösung an einen des Wellenleiters auftreten geschieht, wird es in einem sehr schlechten Kopplungseffizienzen führen. Wenn es während des Polierens ein Polier Schmiermittel außer Wasser kann oft verbessern Ergebnisse bemerkt wird.
Es gibt Raum für Verbesserungen in dem obigen Protokoll. Die größte Verbesserung würde aus mit einer mehr Standardmethode zum thermischen das Gerät abgestimmt wird. Das hier verwendete Verfahren war ein Ergebnis eines vereinfachten Herstellungsprozesses, der keine Metallschichten enthalten war. Typischerweise a me, resistivtal Schicht für Heizelemente verwendet und eine hochleitfähige Metallschicht für die Kontaktflächen und Drähte von den Pads an die Heizelemente verwendet. Eine Stufe kann dann verwendet werden, um Sonden auf den Pads zu abgesetzt, so dass eine Spannung an die Heizelemente angelegt wird. Dies ermöglicht ein höheres Maß an Kontrolle und Stabilität. Ein Silizium-Photonik-Chip ähnlich dem, was hier wurde getestet, aber mit Metallheizungen wird im zugehörigen Video gezeigt.
Es gibt andere Methoden der Licht Kopplung an den photonischen Chip. Für diese Arbeit wurde Kantenkopplung verwendet. Andere übliche Methoden schließen Freiraum Kupplungs- und Gitterkopplung. Freie Raum Kopplung beruht auf bulk optische Elemente auszurichten und den Strahl in den Wellenleiter an der Kante des Chips zu konzentrieren. Der Nachteil bei Kopplung in dieser Weise ist, dass es sehr schwierig sein kann, um die Ausrichtung des Strahls zu optimieren, und es wird immer eine Reflexion an der Schnittstelle zu der Indexunterschied zurückzuführen sein. Gitterkoppler streut das Licht von dem WellenFührung vertikal, so dass das Ende einer Faser kann an der Oberfläche des Mantels zu koppeln an das Gerät gestellt werden. Diese haben auch einige Probleme, einschließlich schwierig Ausrichtung (die Faser oft in der Sichtlinie des Mikroskops) und höhere Verluste. Faserkantenkopplung ist nicht perfekt. Pressen der Fasern gegen den Chip können die Enden der Fasern beschädigt werden, und sowohl die Fasern und der Chipkante müssen häufig gereinigt werden. Der Vorteil der Faserkantenkopplung ist, dass die Ausrichtung viel einfacher als die beiden anderen Methoden ist, und fähig ist, niedrigere Verluste zu erzielen.
in einem integrierten System, ähnlich wie der Weg der elektronischen Technologie Da die Komplexität von optischen Systemen zunehmen, ist der einzig gangbare Weg für sie in eine stabile Plattform zu skalieren. Die Herausforderung ist, Zusammenführen der integrierten Photonics Plattform mit der Masse und faserbasierten optischen Systemen, die bereits im Einsatz sind. Mit der Nutzung von Photonen-basierten Quanteninformationssysteme, bei denen die informationen Raumskalen exponentiell (im Vergleich zu der linearen Skalierung der klassischen Systeme), Phasenstabilität und verlustarmen integrierten photonischen Technologien sind für den Erfolg von größter Bedeutung. Das Protokoll wir beschrieben haben, dient als ersten Weg sich darauf, diese neue Technologie für die Förderung.
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Disclosures
Wir haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde teilweise an der Cornell University Nanoscale Science and Technology Einrichtung, ein Mitglied des Nationalen Nanotechnologie-Infrastruktur-Netzwerkes durchgeführt, die von der National Science Foundation (Grant-ECCS-1542081) unterstützt wird. Wir danken für die Unterstützung für diese Arbeit von der Air Force Research Lab (AFRL). Dieses Material beruht auf Arbeit teilweise von der National Science Foundation unter Auszeichnung Nr ECCS14052481 unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Axis NanoMax Flexure Stage | Thorlabs | MAX312D | Precision 3-axis stages |
| Three-Hole Fiber Stripping Tool | Thorlabs | FTS4 | buffer stripping tool |
| Three Channel Piezo Controller | Thorlabs | MDT693B | Piezo controllers for NanoMax stages |
| Fiber Polarization Controller | Thorlabs | FPC562 | 3-Paddle fiber-based polarization controller |
| Fiber Cleaver | Thorlabs | XL411 | Fiber cleaver |
| Standard V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV001 | standard v-groove mount |
| Tapered V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV002 | tapered v-groove mount |
| Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage | Thorlabs | AMA011 | right-angle bracket |
| 50:50 Fiber Optic Coupler | Thorlabs | TW1550R5F1 | 50/50 combiner |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Fujikura | FSM-40S | Fusion splicer |
| MultiPrep Polishing System - 8" | Allied High Tech | 15-2100 | Chip polisher |
| GreenLube | Allied High Tech | 90-209010 | Polishing Lubricant |
| Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge | Allied High Tech | 15-1010-RE | Polishing mount |
| Lightwave Measurement System | Keysight | 8164B | Mainframe for tunable laser |
| Tunable Laser Source | Keysight | 81606A | Tunable laser |
| Optical Power Sensor | Keysight | 81634B | Power meter |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID210 | Single photon detectors |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID230 | Low noise, free-running single photon detectors |
| PicoHarp | PicoQuant | PicoHarp 300 | Time-correlated single photon counting |
| WiDy SWIR InGaAs Camera | NIT | 640U-S | IR Camera |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 30055053-368-2.2 | pump cleanup filters |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 1011787-012 | pump rejection filters |
| Ultra-High Numerical Aperture Fiber | Nufern | UHNA-7 | high index fiber |
| Ultra Optical Single Mode Fiber | Corning | SMF-28 | standard single mode fiber |
References
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