Name: measurement of quantum interference in a silicon ring resonator photon source
Uploaded: 2017-04-04T10:30:00
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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.

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 &amp; 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, ...

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	<li>Silverstone, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+quantum+interference+between+silicon+photon-pair+sources.">On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources.</a> Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).</li><li>Harris, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+Source+of+Spectrally+Filtered+Correlated+Photons+for+Large-Scale+Quantum+Photonic+Systems.">Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems.</a> Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).</li><li>Grassani, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micrometer-scale+integrated+silicon+source+of+time-energy+entangled+photons.">Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons.</a> Optica. 2 (2), 88 (2015).</li><li>Najafi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+Integration+of+Single-Photon+Detectors.">Scalable Integration of Single-Photon Detectors.</a> Nat. Commun. 6, 1-8 (2015).</li><li>Dutt, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Optical+Squeezing.">On-Chip Optical Squeezing.</a> Phys. Rev. Appl. 3 (4), 1-7 (2015).</li><li>Azzini, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-low+power+generation+of+twin+photons+in+a+compact+silicon+ring+resonator.">Ultra-low power generation of twin photons in a compact silicon ring resonator.</a> Opt. Express. 20 (21), 23100-23107 (2012).</li><li>Clemmen, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+wave+photon+pair+generation+in+silicon-on-insulator+waveguides+and+ring+resonators+erratum.">Continuous wave photon pair generation in silicon-on-insulator waveguides and ring resonators erratum.</a> Opt. Express. 17 (19), 16558 (2009).</li><li>Engin, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+pair+generation+in+a+silicon+micro-ring+resonator+with+reverse+bias+enhancement.">Photon pair generation in a silicon micro-ring resonator with reverse bias enhancement.</a> Opt. Express. 21 (23), 27826-27834 (2013).</li><li>Steidle, J. a., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+spectral+purity+silicon+ring+resonator+photon-pair+source.">High spectral purity silicon ring resonator photon-pair source.</a> Proc. of SPIE. 9500, 950015 (2015).</li><li>Preble, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Quantum+Interference+from+a+Single+Silicon+Ring-Resonator+Source.">On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source.</a> Phys. Rev. Appl. 4, 021001 (2015).</li><li>Cao, L., Aboketaf, A. A., Preble, S. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CMOS+compatible+micro-oven+heater+for+efficient+thermal+control+of+silicon+photonic+devices.">CMOS compatible micro-oven heater for efficient thermal control of silicon photonic devices.</a> Opt. Commun. 305, 66-70 (2013).</li><li>Chrostowski, L., Hochberg, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Silicon Photonics Design. , (2013).</li></ol>

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 Verl...

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: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> woher <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> und <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> 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: <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="781">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">3-Axis NanoMax Flexure Stage</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">MAX312D</td>
			<td style="width:167px;">Precision 3-axis stages</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Three Channel Piezo Controller</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">MDT693B</td>
			<td>Piezo controllers for NanoMax stages</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Fiber Polarization Controller</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">FPC562</td>
			<td>3-Paddle fiber-based polarization controller</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Fiber Cleaver</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">XL411</td>
			<td>Fiber cleaver</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Standard V-Groove Fiber Holder</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">HFV001</td>
			<td>standard v-groove mount</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tapered V-Groove Fiber Holder</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">HFV002</td>
			<td>tapered v-groove mount</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">AMA011</td>
			<td>right-angle bracket</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">50:50 Fiber Optic Coupler</td>
			<td style="width:149px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:127px;">TW1550R5F1</td>
			<td>50/50 combiner</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Optical Fiber Fusion Splicer</td>
			<td style="width:149px;">Fujikura</td>
			<td style="width:127px;">FSM-40S</td>
			<td>Fusion splicer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">MultiPrep Polishing System - 8&#34;</td>
			<td style="width:149px;">Allied High Tech</td>
			<td style="width:127px;">15-2100</td>
			<td>Chip polisher</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge</td>
			<td style="width:149px;">Allied High Tech</td>
			<td style="width:127px;">15-1010-RE</td>
			<td>Polishing mount</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Lightwave Measurement System</td>
			<td style="width:149px;">Keysight</td>
			<td style="width:127px;">8164B</td>
			<td>Mainframe for tunable laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Tunable Laser Source</td>
			<td style="width:149px;">Keysight</td>
			<td style="width:127px;">81606A</td>
			<td>Tunable laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Optical Power Sensor</td>
			<td style="width:149px;">Keysight</td>
			<td style="width:127px;">81634B</td>
			<td>Power meter</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">NIR Single Photon Detector</td>
			<td style="width:149px;">ID Quantique</td>
			<td style="width:127px;">ID210</td>
			<td>Single photon detectors</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">NIR Single Photon Detector</td>
			<td style="width:149px;">ID Quantique</td>
			<td style="width:127px;">ID230</td>
			<td>Low noise, free-running single photon detectors</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">PicoHarp</td>
			<td style="width:149px;">PicoQuant</td>
			<td style="width:127px;">PicoHarp 300</td>
			<td>Time-correlated single photon counting</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">WiDy SWIR InGaAs Camera</td>
			<td style="width:149px;">NIT</td>
			<td style="width:127px;">640U-S</td>
			<td>IR Camera</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">WDM Bandpass Filter</td>
			<td style="width:149px;">JDS Uniphase</td>
			<td style="width:127px;">30055053-368-2.2</td>
			<td>pump cleanup filters</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">WDM Bandpass Filter</td>
			<td style="width:149px;">JDS Uniphase</td>
			<td style="width:127px;">1011787-012</td>
			<td>pump rejection filters</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Ultra-High Numerical Aperture Fiber</td>
			<td style="width:149px;">Nufern</td>
			<td style="width:127px;">UHNA-7</td>
			<td>high index fiber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:339px;">Ultra Optical Single Mode Fiber</td>
			<td style="width:149px;">Corning</td>
			<td style="width:127px;">SMF-28</td>
			<td>standard single mode fiber</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measurement of quantum interference in a silicon ring resonator photon source

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.

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 k...

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Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

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.

Die Messung der Quantum Interference in einem Silizium-Ring-Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Research

JoVE Journal

Engineering

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