Misura di interferenza quantistica in una fonte di silicio Anello Resonator Photon

Riepilogo

Silicio chip fotonici hanno il potenziale di realizzare sistemi quantistici integrati complessi. Qui presentata è un metodo per preparare e testare un chip fotonico di silicio per misurazioni quantistiche.

Abstract

Silicio chip fotonici hanno il potenziale di realizzare complessi quantistica circuiti integrati di elaborazione dati, comprese le fonti di fotoni, manipolazione qubit, e rivelatori di singoli fotoni integrati. Qui, presentiamo gli aspetti chiave della preparazione e alla verifica un chip di silicio quantum fotonici con una sorgente di fotoni integrato e due fotoni interferometro. L'aspetto più importante di un circuito integrato quantistico è ridurre al minimo la perdita in modo che tutti i fotoni generati vengono rilevati con la massima fedeltà possibile. Qui, descriviamo come eseguire accoppiamento bordo bassa perdita utilizzando un ultra-alta fibra apertura numerica per adattarsi perfettamente alla modalità delle guide d'onda di silicio. Utilizzando una ricetta ottimizzata giunzione a fusione, la fibra Uhna è perfettamente interfacciato con una fibra monomodale standard. Questo accoppiamento a bassa perdita consente la misurazione della produzione di fotoni ad alta fedeltà in un risonatore anello silicio integrata e la successiva interferenza due fotoni del prodotto photons in un interferometro di Mach-Zehnder strettamente integrato. Questo documento descrive le procedure fondamentali per la preparazione e caratterizzazione di elevate prestazioni e circuiti fotonici quantistici silicio scalabili.

Introduzione

Silicio mostra grande promessa come piattaforma fotonica per elaborazione quantistica ^{1, 2, 3, 4, 5.} Uno dei componenti vitali di circuiti fotonici quantistica è la sorgente di fotoni. Fonti Photon-pair sono stati sviluppati dal silicio in forma di risonatori micro-anello realizzato tramite un processo non lineare del terzo ordine, spontaneo four-wave mixing (SFWM) ^{6, 7, 8.} Queste fonti sono capaci di produrre coppie di fotoni indistinguibili, ideali per esperimenti fotone entanglement ^9.

È importante notare che l'anello fonti risonatore possono operare sia in senso orario che antiorario di propagazione, e le due diverse direzioni di propagazione sono generadunare indipendenti l'uno dall'altro. Ciò consente a un singolo anello di funzionare come due fonti. Quando pompato otticamente da entrambe le direzioni, queste fonti generano il seguente stato entangled:

dove e sono gli operatori di creazione indipendenti per bi-fotoni clockwise- antiorario-moltiplicazione, rispettivamente. Questa è una forma molto desiderabile di stato di entanglement conosciuto come uno stato N00N (N = 2) ^10.

Passando questo stato attraverso un on-chip Mach-Zehnder (MZI) si traduce nella condizione:

Questo stato oscilla tra il massimo e lo zero coincidenza coincidenza al doppiola frequenza di interferenza classica in un MZI, raddoppiando la sensibilità dell'interferometro ^10. Qui, presentiamo la procedura utilizzata per verificare una tale fonte di fotoni integrato e dispositivo MZI.

Protocollo

NOTA: Questo protocollo presuppone che il chip fotonico è già stato fabbricato. Il chip qui descritto (Figura 1A) è stato fabbricato presso l'impianto di Cornell University NanoScale Science & Technology, utilizzando procedimenti standard per dispositivi fotonici al silicio ^11. Questi includono l'uso di wafer di silicio su isolante (composto da uno strato di silicio 220 nm di spessore, uno strato 3 um di biossido di silicio, e un substrato di silicio 525 um di spessore), litografia a fascio elettronico per definire le guide d'onda striscia (500 nm-wide), e la deposizione chimica da fase vapore al plasma-enhanced del rivestimento di biossido di silicio (~ 3 um di spessore). I risonatori micro-ring sono stati progettati con un raggio interno di 18,5 um e una guida d'onda gap-to-anello di 150 nm. Figure di merito per questo dispositivo includono perdita, fattore di qualità, gamma spettrale libero, e la dispersione.

1. Photonic Chip Preparazione

1. Mettere una piccola Amount di cera su un supporto di lucidatura cross-sezionamento e riscaldare a ~ 130 ° C.
   NOTA: La quantità di cera da utilizzare dipende dalla dimensione del campione è montato. Ci deve essere abbastanza cera per mantenere il chip immobile, mentre troppo si tradurrà in cera sui sfaccettature di chip.
2. Posizionare il chip fotonico sulla porzione di lucidatura montare con la cera. Assicurarsi che la cera si scioglie completamente in modo che il chip è piatta contro il monte. Utilizzare pinzette di plastica durante la manipolazione del chip per evitare di danneggiare le sfaccettature.
3. Lasciare la montatura raffreddare nell'aria ambiente che la cera si solidifica. Raffreddamento più veloce di questo può causare danni al chip.
4. Lucidare le sfaccettature di chip.
   NOTA: È importante scegliere il riquadro lappatura preciso iniziano con un pad che è troppo aggressivo può provocare lucidatura via più del chip di quanto desiderato.
   1. Fissare il supporto per lucidatura per la lucidatrice e lucidare solo per pochi secondi. Un pad con una rugosità 3 um ha dimostrato di essereun buon punto di partenza per i chip di silicio con lunghezze faccette di ~ 1 cm.
   2. Rimuovere il supporto di lucidatura e controllare la sfaccettatura chip per determinare come livello il chip è montato.
      NOTA: Un microscopio è utile per misurare la distanza tra le estremità delle guide d'onda e l'aspetto del chip. Tali misurazioni consentono l'angolo tra la faccetta e la guida d'onda da determinare.
   3. Apportare le necessarie modifiche ai micrometri sulla lucidatrice al fine di migliorare il livellamento del chip.
   4. Ripetere i passaggi 1.4.1-1.4.3 finché la sfaccettatura del chip e le guide d'onda sono a 0,15 ° di essere ortogonali tra loro.
   5. Lucidare il chip a passi di ~ 50 um, ispezionando il chip tra ogni passaggio per monitorare la distanza rimanente, fino a quando c'è ~ 100 micron lasciato per lucidare. Se in qualsiasi momento il rivestimento sembra essere delaminazione dalla superficie, assicurarsi che il pad è in rotazione in modo da lucidare dalla parte superiore della piastrina verso il basso.
      NOTA: Esso può anche aiutare ad utilizzare un lubrificante lucidatura al posto dell'acqua. Questo delaminazione è un risultato di stress nel rivestimento ed è un'indicazione che il processo di fabbricazione deve essere ottimizzato.
   6. Passare a un pad sciabordio 1 micron e lucidare finché c'è ~ 20 um rimanente.
   7. Cambiare a un pad di 0,5 micron e continuare lucidatura per un altro 15 micron.
   8. Utilizzare un tampone 0,1 um per la final 5 um a garantire un aspetto liscio. Immagini al microscopio della sfaccettatura di un chip di silicio fotonico prima e dopo la lucidatura sono mostrati nella Figura 2.
5. Riscaldare il supporto con il chip allegato a ~ 130 ° C per permettere la cera a sciogliersi.
6. Una volta che la cera è completamente sciolto, rimuovere il chip dal supporto e lasciarla raffreddare lentamente.
7. Pulire qualsiasi della cera rimanente dal chip con acetone, isopropanolo e acqua.

2. Preparazione di fibra Codini

1. Striscia qualsiasi tampone o rivestimento from fine di una fibra monomodale (SMF) codino e da un'estremità di una fibra ultra-alta apertura numerica (Uhna).
2. Pulire le estremità nude delle fibre con una miscela di acetone e metanolo.
3. Cleave le estremità nude dei due fibre con una mannaia fibra commerciale.
4. Giuntura di fusione fine spaccati delle fibre. Una ricetta per la giunzione di SMF alla fibra Uhna è mostrato in Tabella 1.
5. Scorrere un manicotto protettivo sulla giunzione e posizionarlo nel forno manicotto per fissare definitivamente alla fibra.
6. Ripetere i passaggi 2.1-2.5 per preparare un totale di tre fibre.

3. Configurazione del Setup Testing

NOTA: Un diagramma della configurazione di test è mostrato nella Figura 1B. La montatura per il chip è un piedistallo di rame che è in contatto con un dispositivo di raffreddamento termoelettrico (TEC). C'è un microscopio dotato di entrambe le telecamere visibile e dell'infrarosso (IR) per la visualizzazione del chip fotonico.

1. Postouna piccola quantità di cera sul chip montare e applicare tensione al TCE per sciogliere la cera.
2. Posizionare il chip sulla cera fusa, assicurando che è seduto piatta sul monte.
3. Rimuovere la tensione dal TCE e consentire il montaggio e il chip raffreddare lentamente.
4. Collegare ciascuna delle fibre giuntate per una fibra scanalatura a V con nastro poliimmide e montare una singola scanalatura a V per ciascuna delle fasi 3 assi usando il materiale di montaggio fornito dal produttore.
5. accoppiamento bordo fibra.
   1. Collegare i tre fibre ai rispettivi componenti: uno per l'uscita ottica del laser e gli altri due misuratori di potenza ottica.
   2. Regolare il microscopio in modo che esso si concentra sul chip in cui le guide d'onda raggiungono il bordo.
   3. Posizionare le fibre vicine al bordo chip in modo che siano in vista della telecamera visibile e regolare la loro altezza in modo che il nucleo di ciascuna fibra è a fuoco.
   4. Regolare il posizionamento orizzontale delle fibre con la fase micrometers in modo che siano allineati con le guide d'onda.
   5. Attivare l'uscita ottica del laser e ottimizzare le posizioni micrometro orizzontali e verticali della fibra d'ingresso finché la luce è l'impiego nella guida d'onda. Questo apparirà sulla telecamera a infrarossi come dispersione lungo la guida d'onda d'ingresso.
   6. Sintonizzare la lunghezza d'onda del laser ad un punto in cui il risonatore micro-ring è illuminato sulla fotocamera. Ciò indica che la condizione di risonanza sia soddisfatto e che la luce raggiunge le guide d'onda di uscita.
   7. Regolare le posizioni micrometro orizzontali e verticali delle fibre in uscita finché v'è una quantità misurabile di luce si estende dalle guide d'onda ai misuratori di potenza.
   8. Massimizzare la potenza di entrambi i rilevatori manipolando le posizioni micrometro orizzontali e verticali delle tre fibre.
   9. Ulteriormente massimizzare la potenza ai rivelatori da regolare in modo preciso la posizione fibre orizzontali e verticali usando l'controll piezoERS.
   10. Utilizzare i controllori piezoelettrici per spostare le fibre leggermente più vicino al chip. Assicurarsi di non utilizzare i micrometri per spingere le fibre sul chip, in quanto così facendo si rischia di danneggiare le estremità spaccati delle fibre.
   11. Ripetere i punti 3.5.9 e 3.5.10 finché le fibre siano saldamente premute contro i lati del chip.
       NOTA: luce diffusa eccessiva dalle guide d'onda, accoppiato con trasmissione a guida d'onda povero, può essere un'indicazione di difetti guida d'onda. Queste possono includere, ma non sono limitati a, i siti materiale difetto, i confini di cucitura, ed eccessiva rugosità guida d'onda.
6. Collocare un controllore di polarizzazione a base di fibre tra il laser e il chip. Ciò consente il controllo dello stato di polarizzazione che rende al chip. Le guide d'onda, essendo più larghi che alti, aiuti minimizzata ogni rotazione su chip polarizzazione.
7. Caratterizzazione dispersione.
   1. Sintonizzare la polarizzazione dell'uscita laser per massimizzare l'accoppiamento il chip. Questo dispositivo è stato progettato per trasversale-elettrico (TE) polarizzazione e, come tale, il (TM) polarizzazione trasversale magnetico ha una perdita molto superiore.
   2. Scansione di un laser sintonizzabile nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse (1.510 nm a 1.600 nm, in questo caso) e monitorare i misuratori di potenza. Eventuali artefatti nel spettri di trasmissione sono probabilmente dovuti ad una combinazione della componente TM della polarizzazione e etalon effetti dall'interfaccia fibra-chip.
   3. Individuare le lunghezze d'onda di risonanza nello spettro ed estrarre anche la larghezza di banda di ogni risonanza. Questo particolare chip ha larghezze di banda piccolo come 65 pm, che si traduce in fattori di qualità (Q) fino a 23.000.
   4. Determinare l'intervallo spettrale libera FSR (), la separazione tra risonanze, per ciascuna coppia adiacente di risonanze. Questo particolare dispositivo ha avuto un FSR di circa 5 nm.
   5. Calcolare l'indice del gruppo (n _g) del modo guidato per ogni valore del FSR utilizzando la seguente equazione:
      n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
      dove λ è la lunghezza d'onda ed r è il raggio del risonatore micro-ring. L'equazione di cui sopra è un'approssimazione del primo ordine dell'indice gruppo.
   6. Utilizzare la larghezza di banda di ciascun risonanza per determinare una larghezza (AN _g) associata a ciascun valore dell'indice gruppo.
   7. Scegliere le lunghezze d'onda dei due laser di pompa in modo tale da coincidere con risonanze nello spettro e hanno un numero dispari di risonanze tra loro (Figura 1C).
   8. Determinare la lunghezza d'onda dei fotoni degenerati bi-utilizzando la seguente equazione:
      
      dove λ _{pompa 1} e λ _{pompa 2} sono le lunghezze d'onda dei fotoni pompa.
   9. Aggiungere una linea orizzontale sul terreno di indice di gruppo rispetto a lunghezza d'onda che si estende tra le due lunghezze d'onda di pompa (Figura 3). Se è possibile per la line per facente n _g ± Δ n _g a tutti e tre lunghezze d'onda di interesse simultaneamente, la condizione di fase-matching è soddisfatto e fotoni può essere generato tramite SFWM. Se non è possibile, provare a scegliere le lunghezze d'onda di pompaggio che sono più vicini e prova di nuovo.
8. Aggiungere una seconda sorgente laser sintonizzabile e controllore di polarizzazione per la configurazione e combinare le uscite ottiche da entrambi i laser con una fibra combinatore 1 x 2.
9. Aggiungere una serie di filtri notch a base di fibre (abbastanza di loro raggiungere ~ 120 dB di attenuazione) immediatamente prima del chip.
   NOTA: I filtri permettono entrambe le lunghezze d'onda della pompa di passare, ma rifiutano la lunghezza d'onda bi-fotone. Essi contribuiscono a rimuovere l'eccesso di rumore (cioè, banda larga scattering Raman nella fibra ottica) prima dell'accoppiamento al chip. Lo spettro del filtro è mostrato nella Figura 1B.
10. Aggiungere una serie di filtri passa-banda a base di fibre (abbastanza di loro per ottenere ~ 150 dB di attenuazione)subito dopo il chip.
    NOTA: I filtri devono essere sufficientemente ampia per consentire ai bi-fotoni di passare, ma abbastanza stretto per respingere i fotoni della pompa. Sono necessarie due serie di questi, una serie per ogni uscita. Lo spettro del filtro è mostrato nella Figura 1B.
11. Invia i fotoni rifiutati da ogni set di filtri per separare misuratori di potenza.
    NOTA: Questi misuratori di potenza vengono utilizzati per monitorare l'accoppiamento ottico al chip e possono anche essere utilizzati per determinare se i laser di pompa sono rimasti in risonanza.
12. Collegare l'uscita ottica individuale per ciascun set di filtri in fibra per un singolo rilevatore di fotoni (SPD) e collegare entrambe le uscite elettriche dei segnali dai SPD ad un correlatore coincidenza.
13. Si attraversa una coppia di sonde di tungsteno e impostare le punte verso il basso su una delle gambe a spirale (~ 1 mm di lunghezza) della MZI.
14. Collegare un alimentatore a due sonde incrociate tale che generano calore quando viene applicata tensione. Questo fungerà sfasatore per donnaegli MZI.
    Nota: vedere la discussione per una descrizione del metodo più standardizzato per la messa a punto termica di dispositivi fotonici.

4. Misura a due fotoni Interferenza

1. Tune sia dei laser di pompa alle lunghezze d'onda scelte. Utilizzare i misuratori di potenza che controllano i fotoni pompa respinti per garantire che entrambi i laser sono sintonizzati per le risonanze. Quando i laser sono sintonizzata sulla risonanze desiderati, il segnale respinto dai filtri sarà massimizzata.
2. Impostare l'uscita di potenza ottica da ogni laser a -3 dBm.
   NOTA: Questo si tradurrà in <100 uW al chip. E 'importante mantenere la potenza della pompa questo basso per minimizzare la perdita (dall'assorbimento multi-photon e carrier-free assorbimento) e mantenere la stabilità (minimizzando derive termiche indotti dalla luce). giunzioni PN possono essere utilizzati per rimuovere i vettori dalla guida d'onda per accogliere meglio potenze superiori pompa.
3. Monitorare i conteggi di coincidenza (sincrosingoli nous attraverso due porte), integrando oltre ~ 220 ps circa il picco dei dati. Un tempo di integrazione sufficiente è passato, quando un minimo di 100 conteggi di coincidenza sono stati raccolti.
   Nota: La finestra di integrazione dovrebbe essere sufficientemente ampia per tenere conto del jitter tempistica degli SPD.
4. Impostare l'alimentazione per lo sfasatore alla tensione iniziale (ad esempio, 0 V).
5. Scandire uno dei laser sintonizzabili sull'intera gamma di lunghezze d'onda e utilizzare i misuratori di potenza che stanno raccogliendo i fotoni pompa respinti per confermare la posizione delle risonanze di interesse. Impostare i laser di pompa verso le lunghezze d'onda corrispondenti alle risonanze desiderati.
   Nota: E 'importante completare questo passaggio ogni volta che la tensione variatore di fase è cambiato come la messa a punto termica può portare a piccoli spostamenti nelle lunghezze d'onda di risonanza.
6. Raccogliere i dati risultanti (i conteggi singoli fotoni, nonché i conteggi coincidenza) dal correlatore coincidenza per l'precedentemente sceltotempo di integrazione. Qui, un tempo di integrazione di 90 s è stato scelto con una risoluzione temporale di 32 ps.
7. Aumentare la tensione applicata al sfasatore da 5 mV.
8. Ripetere i passaggi 4.4-4.6 finché i dati sono stati raccolti per l'intervallo desiderato di tensioni.
   NOTA: La tensione massima era limitata a 2,4 V a causa del rapido degrado delle sonde sopra questa tensione.
9. Integrare i picchi di coincidenza per ciascuna tensione di alimentazione su ~ 220 ps per determinare il numero totale di coincidenze (Figura 4).
10. Integrare oltre 320 ns lontano dal picco coincidenza per ottenere le coincidenze accidentali. Utilizzare questo risultato per calcolare il numero di accidenti nel picco coincidenza.
11. Montare le singole conteggi da ciascun rivelatore con la seguente funzione sinusoidale modificata:
    
    dove A, B, C, D, E, e F sono i parametri adatti. Questa forma è necessario a causa della RAPPORTI non lineareIP tra la tensione e lo spostamento termico indotto (fase relativa).
12. Convertire la variabile indipendente di fase relativa per tutti e tre serie di dati (singoli conta da ciascun rivelatore ei conteggi coincidenza) con la seguente equazione:
    
    dove B, C, D ed E sono i parametri adatti dal punto 4.11. Questa conversione è possibile grazie alla ben nota funzione di trasferimento sinusoidale di un MZI ^12.
13. Adattare i dati di coincidenza (con la fase relativa come variabile indipendente) con la seguente funzione seno:
    
    dove A e B sono i parametri in forma.
14. Calcolare la visibilità di ogni modello di interferenza con la seguente equazione:
    
    dove ƒ (θ) _max e ƒ ( θ) _min sono i valori massimi e minimi di ƒ (θ), rispettivamente. Una visibilità di 1 corrisponde ad un modello di interferenza perfetto.

Risultati

Conteggi individuali fotoni da ciascun rivelatore, nonché i conteggi coincidenza, sono stati raccolti come fase relativa tra i due percorsi era sintonizzata. I singoli conteggi (Figura 5A) mostrano la configurazione di interferenza classica da un MZI con visibilità di 94,5 ± 1,6% e 94,9 ± 0,9%. Le misurazioni coincidenza (Figura 5B) mostrano l'interferenza quantistica dello stato di entanglement, come è evidente dalla oscillazione a frequenza do...

Discussione

Esistono molteplici sfide per il campo della fotonica integrata da superare per sistemi complessi e scalabili di dispositivi fotonici essere fattibile. Questi includono, ma non sono limitati a: tolleranze di fabbricazione, stretto isolamento da instabilità ambientale e la minimizzazione di tutte le forme di perdita. Ci sono passaggi critici nel protocollo di cui sopra che aiutano a ridurre al minimo la perdita di dispositivi fotonici.

Uno dei requisiti più cruciale per minimizzare la perdi...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-Axis NanoMax Flexure Stage	Thorlabs	MAX312D	Precision 3-axis stages
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
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