Måling af Quantum Interference i en Silicon Ring resonator Photon Source

Summary

Silicon fotoniske chips har potentiale til at realisere komplekse integrerede kvantesystemer. Præsenteret her er en fremgangsmåde til fremstilling og afprøvning af en silicium fotoniske chip til kvantemålinger.

Abstract

Silicon fotoniske chips har potentiale til at realisere komplekse integrerede kvanteinformationsbehandling kredsløb, herunder fotonkilder, qubit manipulation og integrerede single-fotondetektorer. Her præsenteres de vigtigste aspekter af fremstilling og afprøvning af en silicium fotonisk kvante chip med integreret fotonkilde og to-foton interferometer. Det vigtigste aspekt af en integreret kvante kredsløb minimere tab, således at alle de frembragte fotoner detekteret med den højest mulige nøjagtighed. Her beskriver vi, hvordan man udfører lavt tab kant kobling ved hjælp af en ultra-høj numerisk apertur fiber tæt op tilstanden af ​​silicium bølgeledere. Ved at bruge en optimeret fusion splejsning opskrift, er UHNA fiber problemfrit sammenkoblet med en standard single-mode fiber. Denne lavt tab kobling muliggør målingen af ​​high-fidelity foton produktion i en integreret silicium ring resonator og den efterfølgende to-foton indblanding af det fremstillede photons i en tæt integreret Mach-Zehnder interferometer. Dette papir beskriver de væsentlige procedurer for udarbejdelse og karakterisering af højtydende og skalerbare silicium kvante fotoniske kredsløb.

Introduction

Silicium viser meget lovende som et fotonik platform for kvanteinformationsbehandling ^{1, 2, 3, 4, 5.} En af de vitale komponenter i kvante fotoniske kredsløb er foton kilde. Foton-pair kilder er blevet udviklet fra silicium i form af mikro-ringresonatorer foretaget via en tredje ordens ikke-lineær proces, spontan fire-bølge blanding (SFWM) ^{6, 7, 8.} Disse kilder kan producere par af skelnes fotoner, som er ideelle til forsøg med foton entanglement ^9.

Det er vigtigt at bemærke, at ring resonator kilder kan operere med både med uret og mod uret formering, og de to forskellige formering retninger er genrally uafhængige af hinanden. Dette giver en enkelt ring kan fungere som to kilder. Når optisk pumpet fra begge retninger, disse kilder generere følgende sammenfiltrede tilstand:

hvor og er de uafhængige skabelse operatører for clockwise- og mod uret-udbreder bi-fotoner, hhv. Dette er en meget ønskelig form for sammenfiltret tilstand kendt som en N00N tilstand (N = 2) ^10.

Passerer denne tilstand gennem en on-chip MachZehnder interferometer (MZI) resulterer i den tilstand:

Denne tilstand svinger mellem maksimal tilfældighed og nul tilfældigt på to gangehyppigheden af klassisk indblanding i en MZI og fordobler følsomheden af interferometeret ^10. Her præsenterer vi den anvendte procedure til at teste en sådan integreret fotonkilde og MZI enhed.

Protocol

BEMÆRK: Denne protokol forudsætter, at den fotoniske chip allerede er blevet fremstillet. Den her beskrevne chip (vist i figur 1A) blev fremstillet ved faciliteten Cornell University nanoskala Science & Technology ved anvendelse af standard behandlingsteknikker til silicium fotoniske indretninger ^11. Disse indbefatter anvendelsen af ​​silicium-på-isolator wafers (sammensat af en 220 nm tykt siliciumlag, en 3-gm lag af siliciumdioxid og en 525 um tyk siliciumsubstrat), elektron-litografi til at definere striben bølgeledere (500 nm-bred), og plasmaet-forbedret deponering af siliciumdioxid kappen (~ 3 um tykt) kemisk damp. Mikro-ringresonatorer blev udformet med en indre radius på 18,5 um og en bølgeleder-til-ringspalten på 150 nm. Tal af fortjeneste for denne enhed omfatte tab, kvalitetsfaktor, frie spektrale område, og dispersion.

1. Photonic Chip Fremstilling

1. Placer en lille amount af voks på tværs af sektionering polering mount og opvarme det til ~ 130 ° C.
   BEMÆRK: der skal anvendes mængde voks afhænger af størrelsen af ​​prøven er monteret. Der skal være nok voks til at holde chippen immobile, mens for meget vil resultere i voks på chip facetter.
2. Placer den fotoniske chip på den del af polering montering med voks. Sikre, at voksen smeltes helt, så at chippen er fladt mod holderen. Brug plastik pincet ved håndtering af chip til at undgå at beskadige facetter.
3. Tillad mount afkøle i luften, således at voks størkner. Køling hurtigere end dette kan resultere i skader på chippen.
4. Polering chip facetter.
   BEMÆRK: Det er vigtigt at vælge den rigtige skvulpen puden som starter med en pude, der er for aggressiv, kan resultere i polering væk mere af chippen end ønsket.
   1. Fastgør polering montere til poler og polish for kun et par sekunder. En pude med en 3-gm ruhed har vist sig at væreet godt udgangspunkt for siliciumchips med facet længder på ~ 1 cm.
   2. Fjern polering mount og inspicere chippen facet at bestemme, hvordan niveauet chippen er monteret.
      BEMÆRK: En mikroskop er nyttig til måling af afstanden mellem enderne af bølgeledere og facet af chippen. Disse målinger tillader vinklen mellem facet og bølgelederen skal bestemmes.
   3. Foretag de nødvendige justeringer af mikrometer på polermaskine med henblik på at forbedre nivellering af chippen.
   4. Gentag trin 1.4.1-1.4.3 indtil facet af chippen og bølgelederne er inden 0,15 ° for at være vinkelrette på hinanden.
   5. Polish chippen i trin på ~ 50 um, inspektion chippen mellem hvert trin at overvåge den resterende afstand, indtil der er ~ 100 um forlod at polere. Hvis kappen på noget tidspunkt synes at være delaminering fra overfladen, sikrer, at puden roterer således at polere fra toppen af ​​chippen til bunden.
      BEMÆRK: Det kan også hjælpe at bruge en polering smøremiddel i stedet for vand. Denne delaminering er et resultat af stress i kappen og er en indikation af, at fremstillingsprocessen skal optimeres.
   6. Skifte til en 1-um lapning pad og polish, indtil der er ~ 20 um resterende.
   7. Skift til en 0,5-um pad og fortsætte polering i yderligere 15 um.
   8. Brug en 0,1-um pad for de sidste 5 um til sikre en smidig facet. Mikroskop billeder af facet af en silicium fotoniske chip før og efter polering, er vist i figur 2.
5. Opvarme underlaget i vedlagte chip til ~ 130 ° C for at tillade voks til at smelte.
6. Når voksen er helt smeltet, fjern chippen fra monteringen og lad den afkøle langsomt.
7. Rens eventuelle rester af voks fra chippen under anvendelse af acetone, isopropanol og vand.

2. Fremstilling af Fiber Pigtails

1. Strippe enhver puffer eller coating from enden af ​​en single mode fiber (SMF) grisehale og fra den ene ende af en ultra-høj numerisk apertur (UHNA) fiber.
2. Rengør de nøgne ender af fibrene med en blanding af acetone og methanol.
3. Spalte de nøgne ender af begge fibre med en kommerciel fiber spaltekniven.
4. Fusion splice den spaltede ende af fibrene. En opskrift til splejsning SMF til UHNA fiber er vist i tabel 1.
5. Glide et beskyttende muffe over splejsningen og placere den i muffen ovnen til permanent fastgøre den til fiberen.
6. Gentage trin 2,1-2,5 til fremstilling af i alt tre fibre.

3. Konfiguration af Testing Setup

BEMÆRK: Et diagram over opsætningen test er vist i figur 1B. Holderen til chippen er en kobber sokkel, der er i kontakt med en termoelektrisk køler (TEC). Der er et mikroskop udstyret med både synlige og infrarøde (IR) kameraer til visning af fotoniske chip.

1. Placereen lille mængde voks på chippen montere og anvende spænding til TEF at smelte voksen.
2. Placer chip på den smeltede voks, der sikrer, at det sidder fladt på bjerget.
3. Fjern spændingen fra TEC og tillade holderen og chip til at køle langsomt.
4. Vedhæfte hver af de splejsede fibre til en fiber v-rille med polyimid tape og montere en enkelt v-rille til hver af de 3-aksede faser ved hjælp af fabrikanten leveret monteringsbeslag.
5. Fiber kant kobling.
   1. Forbinde de tre fibre til deres respektive komponenter: en til den optiske udgang af laseren og de to andre optiske el-målere.
   2. Juster mikroskop, så det er fokuseret på chippen, hvor bølgeledere når kanten.
   3. Placer fibrene tæt på chippen kant, således at de er i betragtning af den synlige kamera og justere deres højder, så at kernen i hver fiber er i fokus.
   4. Justere den vandrette positionering af fibrene med scenen micrometers så de er linet op med bølgeledere.
   5. Tænde den optiske udgang af laseren og tune den horisontale og vertikale mikrometer positioner inputfiberen indtil lyset kobler ind i bølgelederen. Dette vil vise sig på IR kameraet som spredning langs indgangsbølgeleder.
   6. Tune bølgelængden af ​​laseren til et punkt, hvor det mikro-ring resonator lyser på kameraet. Dette indikerer, at resonansbetingelsen bliver opfyldt, og at lyset nå udgangsbølgeledere.
   7. Justere de vandrette og lodrette mikrometer stillinger af output fibre indtil der er en målbar mængde lys, der strækker sig fra bølgelederne til el-målere.
   8. Maksimere kraften til begge detektorer ved at manipulere den vandrette og lodrette mikrometer positioner af de tre fibre.
   9. Yderligere maksimere kraften til detektorerne ved finjustering de horisontale og vertikale fiber positioner via piezo Controllers.
   10. Brug piezo controllere til at bevæge fibrene lidt tættere til chippen. Sørg for ikke at bruge mikrometer til at skubbe fibrene på chippen, da dette vil sandsynligvis skade spaltede ender af fibrene.
   11. Gentage trin 3.5.9 og 3.5.10 indtil fibrene er presset fast mod siderne af chippen.
       BEMÆRK: Overdreven spredt lys fra de bølgeledere, kombineret med dårlig waveguide transmission, kan være en indikation af waveguide defekter. Disse kan indbefatte, men er ikke begrænset til, materielle defektsteder, syning grænser, og overdreven bølgeleder ruhed.
6. Placer en fiberbaseret polariseringskontrolenhed mellem laseren og chippen. Dette giver mulighed for styring af polarisering tilstand, der gør det til chippen. Bølgelederne, er bredere end de er høje, støtte i minimere eventuelle on-chip polarisering rotation.
7. Dispersion karakterisering.
   1. Tune polariseringen af ​​laser output for at maksimere koblingen til chippen. Denne enhed er designet til tværgående elektriske (TE) polarisering og, som sådan, den tværgående magnetisk (TM) polarisering har en meget højere tab.
   2. Scanne en afstemmelig laser over bølgelængdeområdet af interesse (1.510 nm til 1.600 nm i dette tilfælde) og overvåge el-målere. Eventuelle artefakter i transmissionsspektraene skyldes sandsynligvis en kombination af TM komponent af polarisering og etalon effekter fra fiber-chip interface.
   3. Lokalisere resonante bølgelængder i spektret, og også udtrække båndbredden af ​​hver resonans. Denne særlige chip havde båndbredder så små som 65 pm, hvilket svarer til kvalitetsfaktorer (Q) på op til 23.000.
   4. Bestemme det frie spektrale område (FSR), adskillelsen mellem resonanser, for hvert tilstødende par af resonanser. Denne særlige enhed havde en FSR på ~ 5 nm.
   5. Beregn gruppen index (n _g) styrede mode for hver værdi af FSR anvendelse af følgende ligning:
      n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
      hvor λ er bølgelængden, og r er radius af den mikro-ring resonator. Ovenstående ligning er en første ordens tilnærmelse af gruppen indeks.
   6. Brug båndbredden af hver resonans for at bestemme en bredde (An _g) i forbindelse med hver værdi af gruppen indeks.
   7. Vælg bølgelængderne for de to pumpelasere sådanne, at de falder sammen med resonanser i spektret og har et ulige antal resonanser mellem dem (figur 1C).
   8. Bestemme bølgelængden af ​​de degenererede bi-fotoner ved hjælp af følgende ligning:
      
      hvor λ _{Pumpe 1} og λ _{Pumpe 2} er bølgelængderne af pumpens fotoner.
   9. Tilføje en vandret linie på plot af gruppeindekset versus bølgelængde, der strækker sig mellem de to pumpebølgelængder (figur 3). Hvis det er muligt for line til at sidde i n _g ± Δ n _g ved alle tre bølgelængder af interesse samtidigt, den fase-matching betingelse er opfyldt og fotoner kan genereres via SFWM. Hvis det ikke er muligt, så prøv at vælge pumpe bølgelængder, der er tættere på hinanden og check igen.
8. Tilføj en anden justerbar laser kilde og polarisering controlleren til opsætning og kombinere de optiske udgange fra begge lasere med en 1 x 2 fiber combiner.
9. Tilføje en række fiberbaserede notchfiltre (nok af dem opnå ~ 120 dB dæmpning) umiddelbart før chippen.
   BEMÆRK: Filtrene tillader både pumpe bølgelængder at passere, men afviser den bi-foton bølgelængde. De bidrager til at fjerne overskydende støj (dvs. bredbånd Raman-spredning i den optiske fiber) før kobling til chippen. Filteret spektret er vist i figur 1B.
10. Tilføje en række fiberbaserede båndpasfiltre (nok af dem til at opnå ~ 150 dB dæmpning)umiddelbart efter chippen.
    BEMÆRK: Filtrene skal være brede nok til at tillade de bi-fotoner til at passere, men smal nok til at afvise pumpen fotoner. To sæt disse er nødvendige, et sæt for hver udgang. Filteret spektret er vist i figur 1B.
11. Send de afviste fotoner fra hvert sæt filtre til at adskille el-målere.
    BEMÆRK: Disse el-målere anvendes til at overvåge den optiske kobling til chippen og kan også anvendes til at bestemme, om de pumpelasere er tilbage på-resonans.
12. Forbinde den enkelte optiske udgang fra hvert sæt af fiberbaserede filtre til en enkelt foton detektor (SPD) og forbinde de to elektriske udgangssignaler fra SPD til en tilfældighed korrelator.
13. Krydse en par wolfram prober og indstille spidserne ned på en af ​​de spiralformede ben (~ 1 mm i længden) af MZI.
14. Tilslut en strømforsyning til to krydsede prober således at de genererer varme, når spænding tilføres. Dette vil fungere som fasedrejer for than MZI.
    BEMÆRK: Se diskussionen om en beskrivelse af mere standardiseret metode til termisk tuning af fotoniske enheder.

4. Måling To-foton Interferens

1. Tune begge pumpe lasere til de valgte bølgelængder. Brug el-målere, der overvåger de afviste pumpe fotoner at sikre, at begge lasere er tunet til resonanser. Når laserne er korrekt afstemt til de ønskede resonanser, vil den afviste signal fra filtrene maksimeres.
2. Indstil den optiske effekt fra hver laser til -3 dBm.
   BEMÆRK: Dette vil resultere i <100 pW på chippen. Det er vigtigt at holde pumpeeffekten denne lave for at minimere tab (fra multi-foton absorption og fri-carrier absorption) og opretholde stabilitet (ved at minimere lysinducerede termiske skift). PN knudepunkter kan bruges til at fjerne luftfartsselskaber fra bølgelederen til bedre rumme højere pumpe magter.
3. Overvåg tilfældighed tæller (synkronous singler tværs to porte) ved at integrere løbet ~ 220 ps om toppen af ​​dataene. En tilstrækkelig integration tid der er gået, når mindst 100 tilfældighed tæller er blevet indsamlet.
   Bemærk: Vinduet integration bør være bred nok til at tage højde for timingen jitter af SPD.
4. Indstil strømforsyning til fasedrejer til den oprindelige spænding (for eksempel 0 V).
5. Scan en af ​​de afstemmelige lasere over hele bølgelængdeområdet og bruge el-målere, der indsamler de afviste pumpe fotoner for at bekræfte placeringen af ​​resonanser af interesse. Indstil pumpelasere til bølgelængderne svarende til de ønskede resonanser.
   Bemærk: Det er vigtigt at gennemføre dette trin, hver gang faseforskyderen spændingen ændres som den termiske tuning kan resultere i små forskydninger i de resonante bølgelængder.
6. Indsamle de resulterende data (single-fotontællinger samt sammenfaldsraterne tællinger) fra sammenfald korrelator til den tidligere valgteintegration tid. Her blev en integrationstid på 90 s vælges med en tidsopløsning på 32 ps.
7. Øge spændingen påføres fasedrejer med 5 mV.
8. Gentage trin 4,4-4,6 indtil data er blevet indsamlet for det ønskede område af spændinger.
   BEMÆRK: Den maksimale spænding var begrænset til 2,4 V på grund af hurtig nedbrydning af proberne over denne spænding.
9. Integrere sammenfaldsraterne toppe for hver strømforsyningsspænding løbet ~ 220 ps at bestemme det samlede antal sammenfaldende (figur 4).
10. Integrere over 320 ns væk fra toppunktet tilfældighed at opnå de utilsigtede tilfældigheder. Brug dette resultat til at beregne antallet af fortegn i peak tilfældighed.
11. Monter singler tæller fra hver detektor med følgende ændrede sinusfunktion:
    
    hvor A, B, C, D, E, og F er de fit parametre. Denne pasform er nødvendigt på grund af den ikke-lineære relationship mellem spændingen og den inducerede termisk ændring (relative fase).
12. Konvertere den uafhængige variabel til relative fase for alle tre sæt af data (singlerne tæller fra hver detektor og sammenfaldsraterne tæller) med den følgende ligning:
    
    hvor B, C, D og E er de fit parametre fra trin 4.11. Denne omdannelse er muligt på grund af velkendte sinusformet overføringsfunktion for en MZI ^12.
13. Passe sammenfaldsraterne data (med den relative fase som den uafhængige variabel) med følgende sinusfunktion:
    
    hvor A og B er de fit parametre.
14. Beregn synligheden af ​​hver interferensmønster med følgende ligning:
    
    hvor ƒ (θ) _max og ƒ ( min er de maksimale og minimale værdier af ƒ (θ), hhv. En synlighed på 1 svarer til en perfekt interferensmønster.

Representative Results

Individuelle fotontællinger fra hver detektor, samt sammenfaldsraterne tællinger, blev opsamlet som den relative fase mellem de to veje blev tunet. De individuelle tællinger (figur 5A) viser den klassiske interferensmønster fra en MZI med visibilities af 94,5 ± 1,6% og 94,9 ± 0,9%. Sammenfaldet målinger (figur 5B) viser kvanteinterferens af sammenfiltrede tilstand, som det fremgår af svingningen ved den dobbelte frekvens af den klassiske interferensmønster, med en synlighed på 93,3 ± 2,0% (96,0 ± 2,1% med fortegn fratrækkes) . At bekræfte, at fotoner primært genereres i ringen, blev pumperne udformet i to resonanser, som ville kræve de bi-fotoner, der skal genereres ved en bølgelængde ikke understøttes af ringen. Den orange linie i figur 5B bekræfter, at med en sådan konfiguration, er der ingen signifikant coincidenc es. Figur 6 viser sammenfaldsraterne tællinger for de tilgængelige resonans par, er symmetriske i frekvens omkring resonansen svarende til de ønskede bi-fotoner. I alle tilfælde kan 2 θ afhængighed af den relative fase er indlysende.

Figur 1: Eksperimentel Prøvestand til Silicon Waveguide Circuit. (A) Billede af silicium fotoniske quantum chip indikerer udbredelsesretningen af fotonerne. Indsættelsen er en energibesparelse diagram for de fire-bølge blanding proces, der forekommer inden i ringen. (B) Forsøgsopstillingen anvendt til at teste silicium fotoniske kredsløb. (C) Transmission spektrum af mikro-ring hulrum, med pile, der viser pumpningen konfiguration samt bølgelængden af de genererede bi-fotoner.s / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: Facet Forbedring fra Polering. Billeder af facet af en silicium fotonisk chip (a) efter fremstilling, men før polering og (b) efter polering. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: Karakterisering af bølgelederdispersion. Plot af bølgelængdeafhængigheden af ​​gruppen indeks. Den røde-skraverede område repræsenterer hele båndbredden af ​​resonanser og giver mulighed for let evaluering af fase-matching tilstand. Den grønne stiplede linje er vandret og ligger helt inden for det skraverede område, der viser, at den fase-matching betingelse er opfyldt. Det forhold, at dataene er flad over hele området er en bekræftelse på nul dispersion. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: Måling af Sammenfaldende Fotoner. Plot af toppen sammenfald målt med tiden-korrelator med en integrationstid på 90 s og en tidsopløsning på 32 ps. De røde stiplede linjer angiver kanterne af tilfældighed vindue, hvori der er i alt 459 tilfældigheder. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: Klassiske og Quantum Interference Measurements. (A) Klassisk lys viser den typiske interferensmønster fra en MZI som den relative fase mellem de to veje er varieret. (B) Tilfældighed sammenligningstabeller målinger viser 2 θ afhængighed af den relative fase. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6: Bi-Photon synlighed for forskellige pumpebølgelængde konfigurationer. Afbildninger af tilfældigheder sammenligningstabeller målinger og beregnede visibilities til pumpning bølgelængder af (a (b) 1,518.2 nm og 1.586,9 nm, (c) 1,522.9 nm og 1,581.8 nm, (d) 1,527.7 nm og 1,576.7 nm (e) 1,532.4 nm og 1,571.6 nm, og (f) 1,537.2 nm og 1,566.6 nm. I alle tilfælde kan 2 θ afhængighed af den relative fase er indlysende. Klik her for at se en større version af dette tal.

SMF til UHNA Fiber Splejsning Parametre
Juster: Core	Fokus: Automatisk
ECF: Off	Auto Power: Fra
Cleave Limit: 1 °	Core Angle Limit: 1 °
Rengøring Arc: 150 ms	Gap: 15 um
Gapset Stilling: Centre	Prefuse Power: 20 bit
Prefuse Tid: 180 ms	Overlap: 10 um
Arc1 Strøm: 20 bit	Arc1 Tid: 18.000 ms
Arc2: Off	Rearc Tid: 800 ms
Taper Splice: Off

Tabel 1: Indstillinger for Fusion Splejsning SMF til UHNA Fiber.

Discussion

Der er flere udfordringer for området for integrerede fotonik at overvinde, for at komplekse og skalerbare systemer af fotoniske enheder at være mulig. Disse omfatter, men er ikke begrænset til: stram fabrikation tolerancer, isolation fra miljømæssige ustabilitet, og minimering af alle former for tab. Der er kritiske trin i den ovennævnte protokol, der hjælper til at minimere tabet af fotoniske enheder.

En af de mest afgørende krav i at minimere tabet er nært matcher de optiske former for fibrene og bølgeledere. En del af vanskeligheden skyldes især den store modefeltdiameter (MFD) i SMF (~ 10 um). På den integrerede anordning side, er der en 500 nm-dækkende silicium bølgeleder med en meget mindre MFD (<1 um). Denne tilstand overgang mellem fiberen og bølgelederen kan forbedres på to måder: SMF til en længde på UHNA fiber eller placere en invers tilspidsning til kanten af ​​den fotoniske chip. Den splejsede region between SMF og UHNA fiber fungerer som en modeconverter, reducere størrelsen af ​​funktionen til ~ 3 um. Den inverse tilspidsning bruges til at udvide tilstand på chippen ved at reducere bredden af ​​bølgelederen når den nærmer sig facet. Denne chip anvender en lineær tilspidsning fra 500 nm bølgeledere til de 150 nm spidser (ved de chip facetter), med en overgang længde på 300 um. Tilspidsningen af ​​bølgelederen bredde til kanten af ​​chip resulterer i en reduktion i den effektive indeks af den optiske tilstand og til gengæld tilstanden ekspanderer.

Den polering af chip facet er også meget vigtigt at afbøde optisk tab. To bekymringer mens polering stopper ved den ønskede overflade og delaminering af øvre kappemateriale. Ideelt set ville den endelige position af facetten præcist i slutningen af ​​konus. Dette er imidlertid ret vanskeligt at opnå, og derfor er spidsen af ​​konus forlænget med 100 um, således at poleringen kan stoppes nogle få mikrometer førtaper starter. Hvis for lidt materiale er fjernet, vil tilstanden ikke fanget så effektivt ved konus. Hvis for meget materiale fjernes, vil der være en større tilstand mismatch på fiber / chip interface, og mere af det lys vil gå tabt. Den anden største bekymring er delaminering af den øverste beklædning. Hvis der er problemer med fabrikation (renlighed eller store påvirkninger på kappen) kan kappen ikke klæber til substratet ved kanten af ​​chippen. Når delaminering sker at ske på en af ​​de bølgeledere, vil det resultere i meget dårlige koblingsgrader. Hvis det er bemærket under polering, kan en anden end vand polering smøremiddel ofte forbedre resultaterne.

Der er plads til forbedringer i den ovennævnte protokol. Den største forbedring vil komme fra at bruge en mere standard metode til termisk tuning enheden. Den anvendte metode her var et resultat af en forenklet fremstillingsproces, der ikke indeholder nogen metallag. Typisk en resistiv migtal lag anvendes til varmeelementer, og et stærkt ledende metallag anvendes til kontaktpuder og ledninger fra puderne til varmelegemeelementerne. Et stadium kan derefter anvendes til at afsætte prober på puderne, så en spænding, der skal påføres på varmeapparater. Dette muliggør en større kontrol og stabilitet. En silicium fotoniske chip svarer til, hvad blev testet her, men med metal varmeapparater er vist i den ledsagende video.

Der er andre fremgangsmåder til kobling af lys til den fotoniske chip. For dette arbejde blev kant kobling brugt. Andre almindelige metoder omfatter ledig plads kobling og rist kobling. Ledig plads kobling er afhængig af bulk-optiske elementer at tilpasse og fokusere strålen ind i bølgelederen ved kanten af ​​chippen. Ulempen ved kobling på denne måde er, at det kan være meget vanskeligt at optimere opstillingen af ​​bjælken, og der vil altid være en afspejling ved grænsefladen på grund af indeksforskel. Rist koblere spreder lyset fra den bølgeguide vertikalt, således at enden af ​​en fiber kan anbringes på overfladen af ​​kappen til at koble til enheden. Disse har også nogle spørgsmål, herunder vanskelige tilpasning (fiberen er ofte i rækken af ​​synet af mikroskop) og større tab. Fiber kant kobling er ikke perfekt heller. Trykke fibrene mod chippen kan beskadige enderne af fibrene, og begge fibrene og chippen kant skal renses hyppigt. Fordelen ved fiber kant kobling er, at tilpasningen er langt lettere end de to andre metoder og er i stand til at opnå lavere tab.

Da kompleksiteten af ​​optiske systemer stiger, den eneste farbare vej for dem at skalere til en stabil platform er i et integreret system, ligesom stien af ​​elektronisk teknologi. Udfordringen er at fusionere den integrerede fotonik platform med bulk og fiberbaserede optiske systemer, der allerede indsat. Med udnyttelsen af ​​foton-baserede kvante informationssystemer, hvor information rummålestok eksponentielt (sammenlignet med den lineære skalering af klassiske systemer), fasestabilitet og lavt tab integrerede fotoniske teknologier er altafgørende for succes. Protokollen vi har beskrevet fungerer som en indledende vej fremad for at fremme denne nye teknologi.

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