Измерение квантовой интерференции в источнике кремния Кольцо Резонатор Photon

Резюме

Кремниевые фотонные чипы обладают потенциалом для реализации комплексных интегрированных квантовых систем. Представленные здесь способ получения и тестирование кремния фотонного чипа для квантовых измерений.

Аннотация

Кремниевые фотонные чипы обладают потенциалом для реализации сложных комплексных квантовых схем обработки информации, в том числе источников фотонов, манипуляции кубита и интегрированных детекторов одиночных фотонов. Здесь мы представляем основные аспекты подготовки и тестирования кремния фотонных квантовый чип с интегрированным источником фотонов и двухфотонного интерферометра. Наиболее важный аспект интегрированной квантовой схемы минимизация потерь, так что все сгенерированные фотоны обнаруживаются с максимально возможной точностью. Здесь мы опишем, как выполнять с малыми потерями края сцепление с помощью ультра-высокой числовой апертурой волокна тесно соответствует режиму кремниевых волноводов. С помощью оптимизированного слитого рецепт сплайсинга, то Уна волокно легко сопрягается со стандартным одномодовым волокном. Эта связь с низкими потерями позволяет измерять производство фотонов высокой точности в интегрированном кремнии кольцевого резонатора и последующую двухфотонной интерференцию, полученный рhotons в тесно интегрированной Маха-Цандера интерферометра. В настоящем документе описываются основные процедуры подготовки и характеристики высокопроизводительных и масштабируемых кремниевых квантовых фотонных схем.

Введение

Кремний показывает большие перспективы как фотоники платформа для обработки квантовой информации ^{1, 2, 3, 4, 5.} Одним из важных компонентов квантовых фотонных схем является источником фотонов. Источники Фотон-пара были разработаны на основе кремния в виде микро-кольцевых резонаторов осуществляется через нелинейный процесс третьего порядка, спонтанное четырехволновое смешение (SFWM) ^{6, 7, 8.} Эти источники способны производить пар неразличимых фотонов, которые идеально подходят для экспериментов с участием фотонов запутывания ^9.

Важно отметить, что кольцо резонатора источники могут работать как с по часовой стрелке и распространения против часовой стрелки, и два различного направления распространения является геномсплотиться независимо друг от друга. Это позволяет одно кольцо, чтобы функционировать в качестве двух источников. При оптической накачке с обеих сторон, эти источники генерируют следующий запутанное состояние:

где а также являются независимыми операторами рождения clockwise- и против часовой стрелки, распространяющихся Бифотонов, соответственно. Это очень желательно форма запутанного состояния , известного как состояние N00N (N = 2) ^10.

Проходя через это состояние на чипе Маха-Цендера (ИМЦ) приводит в состояние:

Это состояние колеблется между максимальным и нулевым совпадением совпадением в два разачастота классического вмешательства в ИМЦ, фактически удваивает чувствительность интерферометра ^10. Здесь мы представляем процедуру, используемую для тестирования такого комплексного источника фотонов и ИМЦ устройства.

протокол

Примечание: Этот протокол предполагает, что фотонный чип уже изготовлен. Чип , описанный здесь ( как показано на рисунке 1А) была изготовлена на установке Cornell University наноразмерной науки и технологии с использованием стандартных методов обработки для кремниевых фотонных устройств ^11. Они включают в себя использование кремния-на-изоляторе вафель (состоящее из 220 нм толщины слоя кремния, слой 3 мкм из диоксида кремния и подложки 525 мкм толщины кремния), электронно-лучевая литография для определения полосы волноводов (500 нм в ширину), и плазма с повышенной химического осаждения из паровой осаждения оболочки из диоксида кремния (~ 3 мкм толщиной). Микро-кольцевые резонаторы были разработаны с внутренним радиусом 18,5 мкм и зазор волноводно-к-кольца 150 нм. Фигуры достоинств для этого устройства включают в себя потерю, коэффициент качества, свободный спектральный диапазон, и дисперсию.

1. Фотонного Чип Приготовление

1. Поместите небольшой Amounт воска на поперечно-секционирования полировки крепления и нагреть его до ~ 130 ° C.
   Примечание: количество воска, которые будут использоваться, зависит от размера образца монтируется. Там должна быть достаточно, чтобы держать воска чипа неподвижны, в то время как слишком много приведет к воску на гранях чипа.
2. Поместите фотонный чип на участке полировки пятки с воском. Убедитесь, что воск плавится полностью, так что чип вплотную прилегает к горю. Использование пластикового пинцета при обращении с чипом, чтобы не повредить грани.
3. Разрешить крепление для охлаждения в окружающем воздухе, так что воск затвердевает. Охлаждение быстрее, чем это может привести к повреждению чипа.
4. Полирование грани чипа.
   Примечание: Важно, чтобы выбрать правильный притирки колодки, начиная с площадки, которая является слишком агрессивным, может привести к полировке прочь больше чипа, чем хотелось бы.
   1. Прикрепите полирование крепления к полировщику и полируют всего за несколько секунд. Коврик для с шероховатостью 3 мкм показало, чтохорошая отправная точка для кремниевых чипов с длинами фасеточного ~ 1 см.
   2. Снимите полировку крепление и проверить огранку чип, чтобы определить, насколько уровень установлен чип.
      Примечание: микроскоп используется для измерения расстояния между концами световодов и фаской чипа. Эти измерения позволяют угла между фаской и волновод, который будет определен.
   3. Внесите необходимые изменения в микрометры на полировщике, чтобы улучшить выравнивание чипа.
   4. Повторите шаги 1.4.1-1.4.3 до грани кристалла и волноводы находятся в пределах 0,15 °, чтобы быть ортогональным друг к другу.
   5. Польский чип с шагом 50 мкм ~, проверки чипа между каждым шагом, чтобы контролировать оставшееся расстояние, пока не будет ~ 100 мкм влево, чтобы полировать. Если в любой момент оболочка, как представляется, расслаивание от поверхности, убедитесь, что подушка вращается таким образом, чтобы полируют от верхней части чипа до дна.
      Примечание: Это также может помочь использовать полировальную смазку вместо воды. Это отслоение является результатом стресса в оболочке, и является показателем того, что необходимо оптимизировать процесс изготовления.
   6. Изменение в 1 мкм притирки колодки и полируют, пока не будет ~ 20 мкм остальные.
   7. Изменение к блокноту 0,5 мкм и продолжает полирование еще 15 мкм.
   8. С помощью клавиш на 0,1-мкм для Финал 5 мкм, чтобы обеспечить плавный фасет. Микроскоп изображение фасета чипа фотонного кремния до и после полировки показано на рисунке 2.
5. Нагреть крепление с присоединенным чипом до ~ 130 ° С, чтобы позволить воск плавиться.
6. После того, как воск полностью расплавится, снимите чип с крепления и дайте ему остыть медленно.
7. Очистить любого из оставшегося воска от чипа, используя ацетон, изопропиловый спирт и воду.

2. Получение волоконных пигтайлов

1. Полоса любого буфера или покрытия фраом конце одномодового волокна (SMF) и косу с одного конца ультра-высокой числовой апертурой (Уна) волокна.
2. Очистить оголенные концы волокон со смесью ацетона и метанола.
3. Сколите оголенные концы обоих волокон с коммерческим скалывателя волокна.
4. Fusion сращивания расщепляется конец волокон. Рецепт сращивания SMF к Уне волокну приведен в таблице 1.
5. Наденьте защитный кожух над сращиванием и поместить его в рукаве печи постоянно прикрепить его к волокну.
6. Повторите шаги 2.1-2.5 для подготовки в общей сложности три волокон.

3. Конфигурация установки для тестирования

Примечание: Схема установки тестирования показано на рисунке 1В. Крепление для чипа представляет собой медный постамент, который находится в контакте с термоэлектрическим охладителем (ТЭО). Существует микроскоп оснащен как видимом и инфракрасными (ИК) камерами для просмотра фотонного чипа.

1. Местонебольшое количество воска на чипе монтировать и подать напряжение на TEC, чтобы расплавить воск.
2. Поместите чип на расплавленный воск, гарантируя, что он сидит плоско на горе.
3. Снимите напряжение с КТР и позволяют монтировать и чип медленно остыть.
4. Приложить каждый из сращенных волокон к волоконно-у-паз с полиимидной лентой и смонтировать одну V-образную канавку на каждой из ступеней 3-оси с помощью производителя поставляемого монтажного оборудования.
5. Волокно край муфты.
   1. Подключите три волокна к соответствующим компонентам: один оптический выход лазера, а два других на оптических измерителей мощности.
   2. Отрегулируйте микроскоп так, что он ориентирован на чипе, где волноводы достигают края.
   3. Расположите волокна близко к краю чипа, так что они с точки зрения видимой камеры и отрегулировать их высоту так, чтобы ядро ​​каждого волокна находится в фокусе.
   4. Регулировка горизонтального положения волокон с этапом micrometeRS так, чтобы они выстроились в очередь с волноводами.
   5. Включите оптический выход лазера и настроить горизонтальную и вертикальный микрометр позицию входного волокна, пока свет не сшивающий в волновод. Это будет отображаться на ИК-камеры, как рассеяние вдоль входного волновода.
   6. Настройка длины волны лазера в точке, где микро-кольцевой резонатор горит на камере. Это указывает на то, что условие резонанса удовлетворяются, и свет достигает выходных волноводов.
   7. Регулировка горизонтального и вертикального положения микрометра выходных волокон до тех пор, пока не будет измеримое количество света, проходящего от волноводов к измерителей мощности.
   8. Максимизация питание обоих детекторов путем манипулирования горизонтальной и вертикальной позиции микрометра трех волокон.
   9. Кроме максимальной мощность к детекторам с помощью точной настройки горизонтальных и вертикальных позиций волокна с использованием пьезоэлектрического CONTROLLERS.
   10. С помощью контроллеров пьезо для перемещения волокна немного ближе к микросхеме. Убедитесь в том, чтобы не использовать микрометров раздвигать волокна на чип, так как это, скорее всего, повредить расщепленные концы волокон.
   11. Повторите шаги 3.5.9 и 3.5.10, пока волокна не будут плотно прижаты к бокам чипа.
       Примечание: Чрезмерный рассеянный свет от волноводов, в сочетании с плохой передачей волновода, может быть признаком волноводных дефектов. Они могут включать в себя, но не ограничиваются ими, материальных объектов дефектов, границ сшивания и чрезмерной шероховатости волновода.
6. Поместите волокна на основе контроллер поляризации между лазером и чипом. Это позволяет контролировать состояние поляризации, что делает его на чип. Волноводы, будучи шире, чем они высоки, помощь в минимизации любого поворота поляризации на чипе.
7. Дисперсия характеристика.
   1. Настройтесь поляризация выходной мощности лазера, чтобы максимизировать сцепление с чип. Это устройство было разработано для поперечной электрической (ТЕ) поляризации и, как таковой, поперечно-магнитных (ТМ) поляризации имеет гораздо более высокие потери.
   2. Сканирование перестраиваемого лазера в диапазоне длин волн, представляющего интерес (1510 нм до 1600 нм, в данном случае) и контролировать измерители мощности. Любые артефакты в спектрах пропускания, вероятно, из-за комбинации компоненты ТМА поляризации и эталонными эффекты от интерфейса волоконно-чипа.
   3. Расположить резонансные длины волн в спектре, а также извлекать пропускную способность каждого резонанса. Этот конкретный чип имел полосы размером до 65 мкм, который переводит на факторы качества (Q) до 23000.
   4. Определить свободный спектральный диапазон (FSR), расстояние между резонансами, для каждой смежной пары резонансов. Это конкретное устройство имело FSR ~ 5 нм.
   5. Вычислить индекс группы (п _г) волноводной моды для каждого значения FSR , используя следующее уравнение:
      п 5" SRC = "/ файлы / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
      где λ является длиной волны и г есть радиус микро-кольцевой резонатор. Выше уравнение представляет собой приближение первого порядка индекса группы.
   6. Использование полосы пропускания каждого резонанса , чтобы определить ширину (Ап _г) , связанную с каждым значением индекса группы.
   7. Выбор длины волн для двух лазеров накачки таких , что они совпадают с резонансами в спектре и имеют нечетное число резонансов между ними (рис 1C).
   8. Определить длину волны вырожденных би-фотонов, используя следующее уравнение:
      
      где λ _{насос 1} и λ _{2 Pump} длина волны фотонов накачки.
   9. Добавьте горизонтальную линию на графике индекса группы по сравнению с длиной волны , которая проходит между двумя длинами волн накачки (рисунок 3). Если это возможно для лине , чтобы сидеть в пределах п _г ± Δ п _г при всех трех длинах волн , представляющих интерес одновременно, условие синхронизма выполняется и фотоны могут быть получены с помощью SFWM. Если это невозможно, попробуйте выбрать длину волны накачки, которые ближе друг к другу и проверьте еще раз.
8. Добавление второго перестраиваемого лазерного источника и контроллер поляризации к установке и объединить оптические выходы из обоих лазеров с волоконно-объединителя 1 х 2.
9. Добавить серию волоконных режекторных фильтров (их достаточно достичь ~ 120 дБ ослабления) непосредственно перед чипом.
   Примечание: Фильтры позволяют обе длине волн накачки пройти, но отказаться от длины волны бифотона. Они помогают удалить избыточный шум (то есть, широкополосные комбинационное рассеяние света в оптическом волокне) перед соединением с чипом. Спектр фильтра показан на рисунке 1В.
10. Добавить серию волоконных полосовых фильтров (их в достаточном количестве, чтобы достичь ~ 150 дБ ослабления)сразу же после того, как чип.
    Примечание: Фильтры должны быть достаточно широкими, чтобы позволить Бифотоны пройти, но достаточно узким, чтобы отклонить фотоны накачки. Два комплекта они необходимы, один набор для каждого выхода. Спектр фильтра показан на рисунке 1В.
11. Отправить отклоненные фотоны из каждого набора фильтров для разделения счетчиков электроэнергии.
    Примечание: Эти измерители мощности используются для контроля оптической связи на чип, а также могут быть использованы, чтобы определить, лазеры накачки остаются на резонансе.
12. Подключите индивидуальный оптический выходной сигнал от каждого набора волоконных фильтров для одного детектора фотонов (SPD) и соединить оба электрических выходные сигналы от СОП до совпадения коррелятора.
13. Крест пару вольфрамовых зондов и установить кончики вниз на одной из спиральных ног (~ 1 мм в длину) ИМЦ.
14. Подключение источника питания к два скрещенных зондов таким образом, что они генерируют тепло при подаче напряжения. Это будет действовать в качестве фазовращателя для тон ИМЦ.
    Примечание: Смотрите обсуждение для описания более стандартизированного метода тепловой настройки фотонных устройств.

4. Измерение двухфотонных помех

1. Настройтесь оба насоса лазеров на выбранных длинах волн. Используйте измерители мощности, которые мониторинг отклоненных фотонов накачки для того, чтобы оба лазера настроен на резонансы. Когда лазеры правильно настроены на желаемые резонансы, отклоненный сигнал из фильтров будет максимальным.
2. Установите выходной оптической мощности от каждого лазера до -3 дБм.
   Примечание: Это приведет к <100 мкВт на чипе. Важно, чтобы сохранить мощность накачки на таком низком уровне, чтобы минимизировать потери (от поглощения многофотонное и свободных носителей поглощения) и поддержания стабильности (за счет минимизации Светоиндуцированный тепловых сдвигов). PN переходы могут быть использованы для удаления носителей из волновода, чтобы лучше приспособить более высокие мощности накачки.
3. Мониторинг счетчиков совпадений (синхропоиз одиночных через два порта) путем интегрирования по ~ 220 пса о пике данных. Достаточное время интегрирования прошло, когда было собрано менее 100 отсчетов совпадений.
   Примечание: Окно интеграции должно быть достаточно широким, чтобы учесть временное дрожание СОП.
4. Установите источник питания для фазовращателя в начальное напряжение (например, 0 В).
5. Сканирование одной из перестраиваемых лазеров во всем диапазоне длин волн и использовать измерители мощности, которые собирают бракованные фотоны накачки, чтобы подтвердить расположение резонансов, представляющих интерес. Установите насос лазеров на длинах волн, соответствующих желаемых резонансов.
   Примечание: Важно, чтобы завершить этот шаг каждый раз, когда рычаг переключения напряжения фазы изменяется в качестве тепловой настройки может привести к сдвигам в малых резонансных длинах волн.
6. Собрать полученные данные (число импульсов однофотонных, а также счетчик совпадений) от совпадения коррелятора для ранее выбрановремя интегрирования. Здесь, время интегрирования 90 сек было выбрано с временным разрешением 32 пса.
7. Увеличение напряжения, подаваемое на фазовращатель на 5 мВ.
8. Повторите шаги 4.4-4.6, пока данные не были собраны для требуемого диапазона напряжений.
   Примечание: Максимальное напряжение было ограничено до 2,4 В за счет быстрой деградации указанных выше этого напряжения зондов.
9. Интегрирование пиков совпадения для каждого напряжения источника питания в течение ~ 220 пс , чтобы определить общее количество совпадений (Рисунок 4).
10. Интегрировать более 320 нс от пика совпадений, чтобы получить случайные совпадения. Используйте этот результат для расчета числа случайных совпадений в пике совпадения.
11. Установите одиночные отсчеты из каждого детектора с помощью следующей модифицированной синусоидальной функции:
    
    где А, В, С, D, Е и F являются подходящими параметрами. Это подгонка необходима из-за нелинейный relationshвнутрибрюшинно между напряжением и наведенного теплового сдвига (относительная фаза).
12. Преобразование независимой переменной относительной фазы для всех трех наборов данных (одиночные отсчитывает от каждого детектора и подсчета совпадений) с помощью следующего уравнения:
    
    где В, С, D, и Е являются подходящие параметры из шага 4.11. Это преобразование возможно благодаря хорошо известной функции синусоидальной передаточной ИМЦ ^12.
13. Установить данные совпадения (с относительной фазой в качестве независимой переменной) со следующими синусоидальной функцией:
    
    где А и В являются подходящими параметрами.
14. Вычислить видимость каждого интерференционной картины со следующим уравнением:
    
    где ƒ (θ) _макс и ƒ ( θ) _мин являются максимальными и минимальными значениями ƒ (q), соответственно. Видимость 1 соответствует совершенной интерференционной картине.

Результаты

Индивидуальные счетчики фотонов от каждого детектора, а также подсчетов совпадений, были собраны, как относительная фаза между двумя путями была настроена. Отдельные счетчики (рис 5а) показывают классическую интерференционную картину от ИЦЕВ с 94,5 ограниченн...

Обсуждение

Есть несколько проблем для области интегрированных фотоников преодолеть для того, чтобы сложных и масштабируемых систем фотонных устройств нецелесообразны. Они включают, но не ограничиваются ими: допуски изготовления жесткого, изоляции от окружающей среды, а также неустойчивостей м?...

Материалы

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