Summary
실리콘 광자 칩은 복잡한 통합 양자 시스템을 실현할 수있는 잠재력을 가지고있다. 제조 양자 측정을위한 광 실리콘 칩을 테스트하기위한 방법에 여기에 제시 하였다.
Abstract
실리콘 광 칩은 광자 소스 큐빗 조작, 통합 단일 광자 검출기를 포함한 복잡한 통합 양자 정보 처리 회로를 실현할 수있는 가능성이있다. 여기서는 제조 및 집적 광자 소스 및 이광자 간섭계 실리콘 광자 양자 칩 테스트의 주요 양태를 제시한다. 생성 된 광자의 모든 가능한 최고의 정확도로 검출되도록 양자 집적 회로의 가장 중요한 특징은 손실을 최소화한다. 여기서는 밀접 실리콘 도파로의 모드와 일치하는 매우 높은 개구 섬유를 이용하여 저손실 에지 결합을 수행하는 방법을 설명한다. 최적의 융착 접속 제조법을 이용함으로써, 우이나 섬유는 원활 표준 단일 모드 광섬유와 인터페이스된다. 이 저손실 결합 집적 실리콘 링 공진기의 고성능 광자 생산의 측정 및 생성 된 P의 후속 이광자 간섭을 허용밀접하게 통합 된 마하 젠더 간섭계에서 hotons. 이 논문은 높은 성능과 확장 성 실리콘 양자 광자 회로의 준비 및 특성화를위한 필수 절차에 대해 설명합니다.
Introduction
실리콘 양자 정보 처리 1, 2, 3, 4, 5에 대한 포토닉스 플랫폼으로 큰 가능성을 보이고있다. 양자 광 회로의 중요한 구성 요소 중 하나는 광자 소스입니다. 광자 쌍의 소스는 3 차 비선형 공정을 통해 만든 마이크로 링 공진기의 형태로 실리콘에서 개발 된, 자연 4 광파 혼합 (SFWM) 6, 7, 8. 이러한 소스는 광자 얽힘 9 관련된 실험에 적합 구별 광자 쌍을 생성 할 수있다.
공진기 소스가 시계 방향과 반 시계 방향으로 전파 모두 작동 할 수 반지를주의하는 것이 중요하며, 두 개의 다른 전파 방향은 유전자있다서로 독립적 인 집회. 이것은 하나의 고리가 두 소스로 작동 할 수 있습니다. 광학적으로 양 방향에서 펌핑 할 때, 이러한 소스는 다음과 얽힌 상태를 생성합니다 :
어디에 
과 
clockwise- 반 시계 전파 바이 광자에 대한 생성 연산자 독립적 각각이다. 이것은 N00N 상태 (N = 2) (10)로 알려진 얽힌 상태의 매우 바람직한 형태이다.
온칩 마하 젠더 간섭계 (MZI)를 통해 상태를 전달하는 상태 결과 :
이 상태에서 회 최대 일치 제로 우연 사이 발진MZI 고전 간섭의 주파수를 효과적으로 간섭계 (10)의 감도를 두배. 여기서는 집적 광자 소스 및 MZI 장치를 검사하는 데 사용되는 방법을 제시한다.
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Protocol
참고 :이 프로토콜은 광자 칩이 이미 제작 된 것으로 가정합니다. (도 1a에 도시) 여기에 설명 된 실리콘 칩이 광 소자 (11)에 대한 표준 공정 기술을 사용하여 코넬 대학 나노 과학 및 기술 설비에서 제조 하였다. 이들은 (220 nm 두께의 실리콘 층으로 구성된, 이산화 규소의 3 ㎛의 층, 및 525 ㎛의 두께의 실리콘 기판), 실리콘 - 온 - 인슐레이터 웨이퍼를 사용하는 전자빔 리소그래피 스트립 도파관을 정의 포함 (500 nm의 폭), 및 이산화 규소 피복관 (~ 3 ㎛ 두께)의 플라즈마 강화 화학 기상 증착. 마이크로 링 공진기는 18.5 ㎛, 내경 150 nm의 도파로 간 갭 링 설계되었다. 이 장치의 장점의 수치 감소, 품질 계수 자유 스펙트럼 범위, 및 분산액을 포함한다.
1. 광자 칩 준비
- 작은 amoun 배치A-간 절편 연마 마운트 왁스 및 t는 ~ 130 ℃로 가열한다.
주 : 사용되는 왁스의 양은 시료의 크기가 장착되고 의존한다. 너무 많은 칩면에 왁스가 발생합니다 동안 움직이지 칩을 유지하기 위해 충분한 왁스가 있어야합니다. - 왁스 마운트 연마 부분의 광 칩을 놓는다. 칩 마운트에 평평하게되도록 왁스가 완전히 용융되어 있는지 확인. 패싯 손상을 방지하기 위해 칩을 처리 할 때 플라스틱 핀셋을 사용합니다.
- 왁스가 응고되도록 마운트 주위 공기를 냉각 시키. 이보다 빨리 냉각 칩 손상 될 수 있습니다.
- 칩의 측면을 연마.
주 : 원하는 칩보다 더 멀리 연마 될 수 너무 공격적 패드로 시작으로서의 정 랩핑 패드를 선택하는 것이 중요하다.- 연마가 단 몇 초 동안 폴리 셔 및 폴란드어로 마운트 연결합니다. 3 μm의 거칠기 패드는 것으로 나타났다~ 1cm의 패싯 길이의 실리콘 칩에 대한 좋은 출발점.
- 연마 산을 제거하고, 칩이 장착 방법 레벨 판별 칩면을 검사한다.
주 : 현미경 도파로의 단부와 칩의면 사이의 거리를 측정하는 데 유용하다. 이 측정은면하고 결정하는 도파관 사이의 각도 허용합니다. - 칩의 레벨링을 향상시키기 위해 폴리 셔에있는 마이크로 미터에 필요한 조정합니다.
- 칩의면까지 1.4.1-1.4.3 단계를 반복하여 도파로는 서로 직교 0.15 ° 내에있다.
- 폴란드어 ~있을 때까지 남은 거리를 모니터링하는 단계와, 각 칩을 검사 μm의 50 ~ 100 ㎛ 인 단계에서 칩 연마 떠났다. 어떤 시점에서, 클래딩의 표면으로부터 탈착하는 것으로 나타나는 경우, 패드가 바닥이 칩의 상부로부터 폴란드어하도록 회전되도록.
참고 : 또한 물 대신 연마 윤활제를 사용하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 라미네이션은 클래딩 스트레스의 결과이며, 제작 공정이 최적화 될 필요가있는 지표이다. - 이있을 때까지 남은 ~ 20 ㎛의 1 μm의 랩핑 패드와 연마 변경.
- 0.5 μm의 패드로 변경하고 다른 15 μm의 연마를 계속합니다.
- 평활면이되도록하여 파이널 5 μm의 대 0.1 ㎛의 패드를 사용한다. 연마 전후 실리콘 광자 칩의 일면의 현미경 이미지는도 2에 도시되어있다.
- ~ 130 ° C의 왁스를 용융 할 수 있도록하기 위해 장착 된 칩 마운트를 가열한다.
- 왁스가 완전히 용해되면, 마운트에서 칩을 제거하고 천천히 냉각 할 수 있습니다.
- 아세톤, 이소프로판올 및 물을 사용하여 상기 칩에 남아있는 왁스를 청소한다.
섬유 땋은 2. 준비
- 임의의 버퍼 또는 코팅 FR 스트립옴 단일 모드 광섬유 (SMF) 피그 테일 도관의 단부와 매우 높은 개구 (우이나) 광섬유의 일단으로부터.
- 아세톤 및 메탄올의 혼합물로 섬유의 노출 된 단부를 청소한다.
- 상업 섬유 칼과 두 섬유의 맨 끝을 쪼갠다.
- 융합 섬유의 절단 단부를 접합하기. 우이나 섬유에 접합 SMF위한 레시피를 표 1에 나타낸다.
- 스플 라이스 통해 보호 슬리브를 밀어 영구적으로 섬유에 첨부 슬리브 오븐에 넣습니다.
- 반복 세 섬유의 총을 준비하는 2.1-2.5 단계를 반복합니다.
테스팅 설정 3. 구성
참고 : 테스트 설정의 다이어그램은 그림 1B에 표시됩니다. 칩의 마운트는 열전기 냉각 (TEC)에 접촉 구리 받침대이다. 광자 칩 보는 가시 및 적외선 (IR) 모두 카메라가 장착 된 현미경이있다.
- 장소칩에 왁스를 소량의 장착 및 왁스를 용융하기 위해 TEC에 전압을인가한다.
- 이 마운트에 평평 앉아 있다는 보장 용융 왁스의 칩을 놓는다.
- 가 TEC에서 전압을 제거하고 천천히 냉각 마운트 칩을 할 수 있습니다.
- 폴리이 미드 테이프 섬유 V 홈에 접합 섬유를 각각 부착하고 제조업체에서 제공 장착 하드웨어를 사용하여 3 축 스테이지들의 각각에 하나의 V 홈을 탑재.
- 섬유 에지 커플.
- 레이저의 광 출력 한 광 파워 미터 다른 두 : 각 부품에 세 섬유를 연결한다.
- 이 도파관의 에지에 도달 칩에 집중되도록 현미경을 조정한다.
- 그들은 가시 카메라의 뷰에 있도록 칩 가장자리에 섬유를 배치하고, 각 광섬유의 코어에 초점되도록 그들의 높이를 조정한다.
- 스테이지 micromete와 섬유의 수평 위치를 조정그들은 도파로 줄 지어되도록 RS.
- 레이저 및 튜닝 광 도파로로 결합 될 때까지 상기 입력 광섬유의 수평 및 수직 위치의 마이크로 광 출력 켜기. 이 입력 도파로를 따라 산란과 IR 카메라에 표시됩니다.
- 조정 마이크로 링 공진기 카메라 조명되는 포인트에 대한 레이저의 파장. 이 공진 조건이 만족되는 것으로 상기 광이 출력 도파관에 도달하는 것을 나타낸다.
- 파워 미터 도파관으로부터 연장되는 측정 광의 양이 출력 될 때까지 섬유의 가로 세로 마이크로 미터 위치를 조정한다.
- 세 섬유의 가로 세로 마이크로 미터 위치를 조정함으로써 모두 검출기에 전력을 최대화.
- 또한 피에조 설정 제어를 사용하여 수평 및 수직 섬유 위치를 미세 조정하여 검출기에 전력을 최대화ERS.
- 칩에 조금 더 가까이 섬유를 이동 압전 컨트롤러를 사용합니다. 아마 섬유의 절단 끝을 손상시킬 이렇게 같이 칩에 섬유를 밀어 마이크로 미터를 사용하지 않도록하십시오.
- 섬유가 단단히 칩의 측면에 밀착 될 때까지 반복 3.5.9 및 3.5.10 단계를 반복합니다.
주 : 나쁨 도파관 송신 결합 도파로, 과도한 산란광은 결함 도파로의 표시 일 수있다. 이들은 다음을 포함 할 수 있지만, 재료 결함의 위치, 바느질 경계, 과도한 도파관 거칠기에 한정되는 것은 아니다.
- 상기 레이저 및 상기 칩 사이에 섬유 계 편광 제어기를 놓는다. 이 칩으로 만든다 편광 상태의 제어를 허용한다. 도파관, 그들 높이보다 더 넓고, 임의의 온 - 칩 편광 회전을 최소화하는데 도움.
- 분산 특성.
- 조정 레이저 출력의 편광은 커플 링을 극대화하기 위해 칩. 이 장치는 그와 같이, 횡 자기 (TM) 편광 더 높은 손실이 횡 전기 (TE) 편광을 위해 설계되었다.
- 관심있는 파장 범위에서 파장 가변 레이저 (이 경우 1,600 내지 1,510 nm이다)를 스캔하고 파워 미터를 모니터링. 송신 스펙트럼의 아티팩트 인해 섬유 칩 인터페이스로부터 편광 탈론 효과 TM 성분의 조합을 보인다.
- 스펙트럼의 공진 파장을 찾아서 각 공진의 대역폭을 추출한다. 이 특정 칩 최대 23,000의 품질 계수 (Q) (65)로 변환시, 한 작은 대역폭을 가지고 있었다.
- 공명의 각각의 인접한 쌍의 자유 스펙트럼 범위 (FSR) 사이의 공진 거리를 결정한다. 이 특별한 장치는 ~ 5 나노 미터의 FSR을했다.
- 다음 식을 사용하여 각각의 FSR의 값의 안내 모드의 그룹 인덱스 (n 개 g)을 계산한다 :
N 5 "SRC ="/ 파일 / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg "/>
여기서, λ는 파장이고, R은 마이크로 링 공진기의 반경이다. 상기 식 그룹 인덱스의 첫번째 순서 근사치이다. - 그룹 인덱스의 각각의 값과 관련된 폭 (ΔN의 g)을 결정하기 위해 각 공진의 대역폭을 사용한다.
- 그들은 공명 스펙트럼에 일치하고 이들 간의 공명 (도 1c)의 홀수가되도록 두 개의 펌프 레이저 용 파장을 선택한다.
- 다음 식을 이용하여 축퇴 바이 광자의 파장을 결정한다 :
λ는 펌프 (2)를 제 1 펌프 및 λ 여기서 펌프 광자의 파장이다. - 두 펌프 파장 (도 3) 사이에서 연장 대 파장 그룹 인덱스의 그래프에 수평 라인을 추가한다. 그것은 린 가능 경우즉 동시에 관심 파장에서 모든 세 Δ n 개의 g ± N의 g 내에 앉아, 위상 정합 조건을 만족하고 광자 SFWM 통해 생성 될 수있다. 그것이 불가능하다면, 더 가깝게하고 다시 확인 펌프 파장을 선택하십시오.
- 설정에 초 가변 파장 레이저 광원과 편광 제어기를 추가하고, 1 × 2 광 결합기와 양쪽에서 레이저 광 출력을 결합한다.
- 바로 칩 전에 섬유 기반 노치 필터 (그들 충분히 감쇠 ~ 120dB을 달성)의 시리즈를 추가합니다.
참고 : 필터는 모두 펌프 파장이 통과하지만, 바이 - 광자 파장을 거부 할 수있다. 그들은 칩에 결합하기 전에 (즉, 광섬유에 산란 광대역 라만)의 노이즈를 제거하는 데 도움이됩니다. 필터의 스펙트럼은도 1b에 도시된다. - 섬유 기반의 대역 통과 필터의 시리즈 (그들 충분히 감쇠 ~ 150dB를 달성하기 위해)를 추가이후 즉시 칩.
참고 : 필터는 넓은 충분해야한다 이중 광자가 통과하지만, 펌프 광자를 거부 할 정도로 좁은 할 수 있도록. 이러한 두 세트의 각 출력 한 세트가 필요합니다. 필터의 스펙트럼은도 1b에 도시된다. - 파워 미터를 분리하는 필터의 각 세트에서 거부 된 광자를 전송합니다.
주의 : 이러한 미터 칩의 광 결합을 모니터하기 위해 사용되며 또한 펌프 레이저의 공진, 나머지를 결정하는데 사용될 수있다. - 단일 광자 검출기 (SPD)에 광섬유 기반 필터들의 각 세트로부터의 각각의 광 출력을 연결하고, 일치 상관기에 SPD들 모두에서 전기 신호의 출력을 연결한다.
- 텅스텐 프로브 쌍을 건너 (~ 길이 1mm) 나선 다리 중 하나에 MZI의를 끝을 설정합니다.
- 전압을인가 할 때 열을 생성하는 두 교차 프로브 등으로 전원을 연결한다. 이것은 t의 위상 시프터 역할을합니다그는 MZI.
참고 : 광 소자의 열 조정을위한 더 표준화 된 방법에 대한 설명은 설명을 참조하십시오.
4. 두 광자 간섭 측정
- 조정 선택된 파장 펌프 레이저의 모두. 두 레이저가 공진으로 조정되도록 거부 펌프 광자를 모니터링하는 파워 미터를 사용합니다. 레이저가 적절히 소망의 공진에 튜닝되면, 필터로부터의 거절 신호가 최대화 될 것이다.
- -3을 dBm의 각 레이저로부터의 광 출력을 설정한다.
참고 :이 칩에서 <100 μW가 발생합니다. 또한 (다중 광자 흡수 및 자유 캐리어 흡수)에서의 손실을 최소화하고 (광 - 유도 열 이동을 최소화함으로써)의 안정성을 유지하기 위하여, 펌프 전력이 낮게 유지하는 것이 중요하다. PN 접합은 더 높은 펌프 능력을 수용하기 위해 도파관에서 캐리어를 제거하는 데 사용할 수 있습니다. - (싱크로 우연의 일치 수를 모니터데이터의 피크에 대해 ~ 220 ps의를 통해 통합함으로써 두 개의 포트에서 했겠지요 싱글). 100 우연의 일치 카운트의 최소 수집되었을 때 충분한 적분 시간이 지났습니다.
참고 : 통합 창은 서지의 타이밍 지터를 설명하기에 충분히 넓은해야한다. - 최초의 전압 (예컨대, 0 V)의 위상 시프터를위한 전원 공급 장치를 설정한다.
- 전체 파장 범위에서 튜너 블 레이저 중 하나를 스캔하고 관심있는 공명의 위치를 확인하기 위해 거부 펌프 광자를 수집하는 파워 미터를 사용합니다. 원하는 공진 파장에 대응하는 펌프 레이저를 설정한다.
주의 :이 단계는 위상 시프터 전압 공진 파장의 작은 변화 될 수있는 온도로 조정 변경 될 때마다 수행하는 것이 중요하다. - 이전 선택을 위해 일치 상관기로부터 얻어진 데이터 (단일 광자 카운트뿐만 아니라, 일치의 카운트)를 모아서통합 시간. 여기서, S (90)의 적분 시간은 32 PS의 타이밍 해상도로 선택되었다.
- 5 mV의하여 위상 시프터에인가 된 전압을 증가시킨다.
- 데이터 전압의 원하는 범위에 대해 수집 될 때까지 반복 4.4-4.6 단계.
주 : 최대 전압 때문에 전압이 상기 프로브의 급격한 저하를 2.4 V로 제한 하였다. - 우연의 총 수 (도 4) 판단하는 PS ~ 220 위에 각각 전원 전압에 대한 일치 피크를 통합.
- 우발적 우연을 구하는 거리 일치 피크 통해 320 ns의 통합. 우연의 일치 피크에 임시표의 수를 계산하기 위해이 결과를 사용합니다.
- 다음 수정 된 사인 함수와 각 검출기에서 싱글 수를 맞추기 :
A, B, C, D, E 및 F는 피팅 파라미터 어디. 이 끼워 맞춤으로 인해 비선형 relationsh 할 필요전압과 유도 열 이동 (상대 위상) 사이 ip가. - 하기 식으로 데이터의 세 개의 세트 (싱글 각 검출기와 일치 계수로부터 계산)에 대한 상대적인 위상을 독립 변수로 변환 :
B, C, D 및 E는 4.11 단계에서 적합 파라미터는 어디에. 이 변환 인해 MZI (12)의 공지 된 정현파 전달 함수를 할 수있다. - 다음의 사인 함수 (독립 변수로 상대 위상)와 합치 데이터 맞는 :
여기서, A와 B는 피팅 매개 변수이다. - 하기 식으로 각각의 간섭 무늬의 시인성을 계산한다 :
여기서 ƒ (θ) 최대 및 ƒ (
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Representative Results
두 경로들 사이의 상대적인 위상이 조정 된 각 검출기뿐만 아니라, 일치의 카운트에서 개별 포톤 카운트가 수집되었다. 각각의 계산 (도 5a)이 94.5 ± 1.6 %와 94.9 ± 0.9 %의 가시성을 갖는 MZI의 고전 간섭 패턴을 보여준다. 93.3 ± 2.0 %의 가시성에서 회 진동에 의해 고전적인 간섭 패턴의 주파수를 알 수있는 바와 같이 합치 측정 (도 5B)은 상기 얽힌 상태의 양자 간섭을 표시합니다 (임시표 96.0 ± 2.1 % 차감) . 광자 주로 링에서 발생되고 있는지 확인하기 위해, 펌프는 링에 의해 지원되지 않는 파장에서 발생되는 광자를 바이 요구 개의 공진으로 구성 하였다. 도 5b에 주황색 선은 이러한 구성으로 유의 coincidenc가없는 것을 확인 말이지. 도 6은 공진 원하는 이중 광자에 대응하는 주파수에 대해 대칭 가능한 공진 쌍 합치 수를 나타낸다. 모든 경우에, 상대 위상의 2 θ 의존은 분명하다.
그림 1 : 실리콘 도파관 회로에 대한 실험 테스트 베드. (a) 광자의 전파 방향을 나타내는 실리콘 광자 양자 칩의 이미지. 삽입 된 링에서 발생하는 사 광파 혼합 과정을위한 에너지 절약이다. (b) 실험 장치는 실리콘 광 회로를 테스트하기 위해 사용된다. 펌핑 구성뿐만 아니라 생성 된 양방향 광자의 파장을 나타내는 화살표 마이크로 링 공동의 (c) 전송 스펙트럼.S / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg "target ="_ blank "> 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 연마에서 패싯 개선. 제작 한 후, 실리콘 포토 닉 칩 (a)의면의 있지만 (b) 연마 후에 연마 전의 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3 : 도파관의 분산 특성. 그룹 인덱스의 파장 의존성의 플롯. 붉은 음영 지역은 공진의 대역폭의 대표 및 위상 엄마를 쉽게 평가 할 수 있습니다tching 조건. 녹색 점선은 수평 위상 정합 조건이 만족 된 것을 보여주는 음영 영역 내에 완전히있다. 데이터가 전체 범위에 걸쳐 평탄 사실은 영 분산의 확인이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 동행 광자의 측정. 90 개 (S)의 적분 시간을 32 PS의 타이밍 해상도 시간 - 상관 측정 합치 피크의 플롯. 빨간 점선은 459 우연의 총이되는 우연의 일치 윈도우의 가장자리를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5 : 고전 및 양자 간섭 측정. (a) 두 경로들 사이의 상대 위상과 같은 전형적인 MZI에서 간섭 패턴을 보여주는 고전 광이 변화된다. (b) 일치 상관 측정은 상대 위상의 2 θ 의존성을 도시. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6 : 각종 펌프 파장 구성에 대한 양성 광자 가시성. 펌프의 파장에 대해 우연 상관 측정 플롯 계산 가시성 (a (b) 1,518.2 nm 내지 1,586.9 내지 (c) 1,522.9 nm 내지 1,581.8 내지 (d) 1,527.7 nm 내지 1,576.7 내지 (E) 1,532.4 nm 내지 1,571.6 나노 미터, 및 (f) 1,537.2 1,566.6 nm의 나노. 모든 경우에, 상대 위상의 2 θ 의존은 분명하다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 우이나 섬유 접합 매개 변수에 SMF | |
| 정렬 : 코어 | 초점 : 자동 |
| ECF : 꺼짐 | 자동 종료 |
| 베기 제한 : 1 ° | 코어 각도 제한 : 1 ° |
| 청소 호 : 150 밀리 초 | 간격 : 15 μm의 |
| Gapset 위치 : 센터 | Prefuse 전원 : 20 비트 |
| Prefuse 시간 : 180 밀리 초 | 오버랩 : 10 μm의 |
| Arc1 전원 : 20 비트 | Arc1 시간 : 18,000 MS |
| Arc2 : 꺼짐 | Rearc 시간 : 800 밀리 초 |
| 테이퍼 스플 라이스 : 꺼짐 | |
표 1 : 우이나 섬유에 융합 접합 SMF에 대한 설정.
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Discussion
실현 가능한 광 소자의 복잡하고 확장 성있는 시스템을 위해서는 극복하기 위해 통합 포토닉스 분야의 여러 문제가있다. 이들은 포함 하나 이에 한정되지 않는다 : 꽉 제조 허용 오차, 환경 불안정성에서 격리 및 손실의 모든 형태의 최소화. 광 소자의 손실을 최소화하는 데 도움이 위의 프로토콜의 중요한 단계가 있습니다.
손실을 최소화하는데 가장 중요한 요건 중의 하나는 밀접 섬유 및 광 도파로의 모드와 일치한다. 어려움의 일부는 대형 모드 필드 직경 SMF의 (MFD) (~ 10 μm의)에서 유래한다. 내장형 장치 측에서, 더 작은 MFD (<1 ㎛)을 500 nm의 넓은 실리콘 도파관이 존재한다. 우이나 섬유의 길이와 SMF 또는 광자 칩의 가장자리 역 테이퍼 배치 : 섬유 및 도파로 간의 모드 전이는 두 가지 방식으로 향상시킬 수있다. 스플 라이스 지역 betw~ 3 ㎛으로 모드 크기를 감소시키는 모드 변환기와 같은 EEN 모드 광섬유와 우이나 섬유 작용. 역 테이퍼가면에 근접함에 도파로의 폭을 줄여 칩의 모드를 확장하는데 사용된다. 이 칩은 300 ㎛의 전이 길이 (칩의 측면에서)을 150 nm 팁 500 nm의 도파로에서 선형 테이퍼를 이용한다. 차례로 도파 광 모드의 효과적인 지수의 저하의 결과 칩의 가장자리의 폭과, 상기 테이퍼는, 모드는 확장된다.
칩면의 연마는, 광 손실을 완화하기에 매우 중요하다. 두 우려 원하는 표면에 정지하고 상기 상부 클래딩 물질을 얇은 막으로 분리되어 연마있다. 이상적으로,면의 최종 위치는 테이퍼의 끝에서 정밀하게 될 것이다. 그러나, 이것은 달성하기 매우 어렵고, 연마의 전에 몇 미크론을 중지 할 수 있도록 그 때문에, 테이퍼 팁 100 μm의 확장된다테이퍼가 시작됩니다. 너무 적은 물질이 제거되면 모드가 효율적으로 테이퍼에 의해 캡처되지 않습니다. 너무 많은 물질이 제거되는 경우,이 섬유 / 칩 계면에서 큰 모드가 일치 될 것이며, 광의 이상이 손실된다. 다른 주요 관심사는 상부 클래딩의 박리입니다. (클래드의 청결도 과도한 응력) 제조에 문제가있는 경우, 클래드는 칩의 에지에서 기판에 부착되지있다. 박리가 도파관 중 하나에서 발생하는 발생하면, 그것은 매우 가난 커플 링 효율을 발생합니다. 이 연마 중에 발견되는 경우, 물 이외의 연마 윤활제는 종종 결과를 향상시킬 수 있습니다.
위의 프로토콜에서 개선의 여지가있다. 가장 큰 개선은 열 장치를 조정하기위한보다 표준 방법을 사용에서 오는 것입니다. 여기서 사용되는 방법은 금속 물질 층을 포함하지 않는 단순화 된 제조 공정의 결과였다. 일반적으로,이 날 저항성탈 층 히터 요소를 사용하고, 전기 전도성이 우수한 금속 층은 상기 히터 부재의 패드의 접촉 패드와 와이어가 사용된다. 스테이지는 다음 전압을 히터에인가 할 수 있도록 패드에 프로브를 설정하는데 사용될 수있다. 이 제어 안정성의 높은 수준을 가능하게한다. 그러나 여기에 금속 히터 시험 하였다 것과 유사한 실리콘 광 칩은 첨부 영상에 나타낸다.
광자 칩에 광을 결합하는 다른 방법이있다. 이 작품의 경우, 에지 커플 링을 사용 하였다. 다른 일반적인 방법은 여유 공간이 커플 링 및 격자 커플 링을 포함한다. 자유 공간 결합 정렬하고 칩의 에지에서 도파로에 광을 집중하는 광학 소자 크기에 의존한다. 이와 같이, 결합의 단점은 빔의 정렬을 최적화하는 것이 매우 어려울 수 있으며, 항상 인해 인덱스 차이 계면에서 반사가있을 것이다. 격자 커플러는 물결에서 빛을 산란광섬유의 단부가 장치에 결합하도록 클래딩의 표면에 배치 될 수 있도록, 수직 안내. 이들은 또한 어려운 정렬 및 높은 손실 (섬유는 현미경의 시선에 자주)을 포함하여 몇 가지 문제를 가지고있다. 섬유 에지 커플 링 중 하나 완벽하지 않습니다. 칩에 대해 섬유를 누르면 섬유의 단부를 손상하고, 섬유, 칩 에지 모두 자주 세정 될 필요가있다. 섬유 에지 결합의 이점은 배향이 다른 두 가지 방법에 비해 훨씬 용이하고 낮은 손실을 달성 할 수 있다는 것이다.
광학 시스템의 복잡도가 증가 된 바와 같이, 그 안정적인 플랫폼으로 확장 할 수있는 유일한 방법은 가능한 많은 전자 기술의 경로 원한다면, 통합 시스템이다. 문제는 대부분 이미 배포 섬유 기반 광학 시스템과의 통합 포토닉스 플랫폼을 통합한다. 광자 기반 양자 정보 시스템의 활용의 INF로기하 급수적으로 (고전 시스템의 선형 스케일링을 비교), 상 안정성 및 낮은 손실 광 집적 기술 ormation 공간 스케일은 성공에 중요하다. 우리가 기술 한 프로토콜이 새로운 기술의 발전에 대한 초기 순방향 경로로서 기능한다.
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Disclosures
우리는 공개 할게 없다.
Acknowledgments
이 작품은 국립 과학 재단 (National Science Foundation 부여 ECCS-1542081)에서 지원하는 코넬 대학교 나노 과학 기술 시설, 국립 나노 기술 인프라 네트워크의 일원에서 부분적으로 수행되었다. 우리는 공군 연구소 (AFRL)에서이 작품에 대한 지원을 인정합니다. 이 물질은 부분적으로 상 호 ECCS14052481에서 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에 의해 지원 작업을 기반으로합니다.
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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