Summary
Silisium fotoniske chips har potensial til å realisere komplekse integrerte quantum systemer. Presenteres her er en metode for fremstilling og testing av en silisiumbrikke for fotoniske quantum målinger.
Abstract
Silisium fotoniske prosessorene har muligheten til å realisere komplekse integrerte kvante-informasjonsbehandlingskretser, blant annet fotonkilder, qubit manipulering og integrerte enkeltfotondetektorer. Her presenterer vi de viktigste aspektene ved fremstilling og testing av en silisium fotoniske kvante-brikken med en integrert fotonkilde og to-foton-interferometer. Det viktigste aspektet av en integrert quantum krets er å minimalisere tap, slik at alle de genererte fotoner blir detektert med høyest mulig nøyaktighet. Her beskriver vi hvordan man utfører lave tap kant kobling ved anvendelse av en ultra-høy numerisk apertur fiber blir så lik modus av silisiumbølgeledere. Ved anvendelse av en optimalisert smelteskjøting av oppskriften, blir UHNA fiberen sømløst grensesnitt med et standard enkeltmodusfiber. Dette lave tap kopling tillater måling av hi-fi-foton produksjon i en integrert silisium ring resonator og den etterfølgende to-foton innblanding av den produserte photons i en tett integrert Mach-Zehnder interferometer. Dette dokumentet beskriver de grunnleggende metoder for fremstilling og karakterisering av høy ytelse og skalerbare silisium kvante fotoniske kretser.
Introduction
Silisium viser store løftet som et fotonikk plattform for quantum informasjonsbehandling 1, 2, 3, 4, 5. En av de viktige komponentene i Quantum fotoniske kretser er fotonet kilden. Foton-pair kilder er blitt utviklet fra silisium i form av mikro-ring resonatorer gjøres via en tredje-ordens ikke-lineær prosess, spontan fire-bølgeblanding (SFWM) 6, 7, 8. Disse kildene er i stand til å produsere par av utvisket fotoner, som er ideelle for forsøk med fotonsammenfiltring 9.
Det er viktig å merke seg at ringresonator kilder kan operere med både medurs og forplantning mot urviseren, og de to forskjellige forplantningsretninger er genetrally uavhengig av hverandre. Dette gjør det mulig for en enkelt ring for å fungere som to kilder. Når optisk pumpet fra begge retninger, disse kildene genererer den følgende sammenfiltret tilstand:
hvor 
og 
er de uavhengige opprettelse operatorer for clockwise- og mot urviseren utbredende bi-fotoner, henholdsvis. Dette er en meget ønskelig form for sammenfiltret tilstand kjent som en N00N tilstand (n = 2) 10.
Passerer denne tilstand via en on-chip Mach-Zehnder interferometer (MZI) resulterer i den tilstand:
Denne tilstanden svinger mellom maksimal sammentreff og null sammentreff med dobbelthyppigheten av klassisk innblanding i en MZI, effektivt dobler følsomheten til interferometeret 10. Her presenterer vi prosedyren brukes til å teste en slik integrert fotonkilde og MZI enhet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
MERK: Denne protokollen forutsetter at fotoniske chip allerede er fabrikkert. Brikken som er beskrevet her (se figur 1A) ble fremstilt ved Cornell University nanoskala Science & Technology Facility ved bruk av standard behandlingsteknikker for silisium fotoniske enheter 11. Disse inkluderer bruk av silisium-på-isolator wafere (sammensatt av et 220 nm tykt silisiumlaget, en 3-um lag av silisiumdioksyd, og en 525 um tykk silisiumsubstrat), elektronstrålelitografi for å definere båndbølgeledere (500 nm-bred), og den plasmaforbedret kjemisk dampavsetning av silisiumdioksid kledning (~ 3 m tykt). De mikro-ring resonatorer er utformet med en indre radius på 18,5 mikrometer og en bølgeleder-til-ring gap på 150 nm. Figurer av fortjeneste for denne enheten inkluderer tap, kvalitetsfaktor, fritt spektralområde, og dispersjon.
1. Photonic Chip Preparat
- Plasser en liten amount av voks på en kryss seksjonering polering montere og å oppvarme det til ~ 130 ° C.
NB: Mengden av voks som skal brukes avhenger av størrelsen av prøven er montert. Det må være nok voks for å holde brikken immobile, mens for mye vil resultere i voks på chip fasetter. - Plasser den fotoniske chip på det parti av poleringsfestet med voks. Sikre at voksen er fullstendig smeltet, slik at brikken er flatt an mot sokkelen. Bruk av plast pinsett ved håndtering av brikken for å unngå skade på fasettene.
- Tillat festet for å avkjøle i omgivende luft, slik at voksen stivner. Kjøling raskere enn dette kan føre til skade på brikken.
- Polering chip fasetter.
MERK: Det er viktig å velge riktig lapping pad som starter med en pute som er for aggressiv kan føre til polering bort mer av chip enn ønskelig.- Fest polering montere til poleringsmaskin og polish for bare noen få sekunder. En pute med en 3-mikrometer ruhet har vist seg å væreet godt utgangspunkt for silisiumbrikker med fasett lengder på ~ 1 cm.
- Fjern polering montere og inspisere brikken fasett for å bestemme hvordan nivå brikken er montert på.
MERK: En mikroskop er anvendelig for måling av avstanden mellom endene av bølgelederne og den fasett av brikken. Disse målinger gir mulighet for vinkelen mellom fasett og bølgelederen som skal bestemmes. - Gjør de nødvendige justeringer av mikrometer på poleringsmaskin for å forbedre utjevning av chip.
- Gjenta trinnene 1.4.1-1.4.3 inntil fasett av brikken og bølgelederene er innenfor 0,15 ° av å være ortogonale i forhold til hverandre.
- Polsk brikken i trinn på ~ 50 pm, inspisere brikke mellom hvert trinn for å overvåke avstanden resterende, inntil det er ~ 100 um igjen å polere. Hvis på noe tidspunkt kledningen ser ut til å delaminere fra overflaten, at elektrodene er roterer slik at den lakk fra toppen av brikken til bunnen.
MERK: Det kan også hjelpe å bruke en polerings smøremiddel i stedet for vann. Denne delaminering er et resultat av stress i kledningen og er en indikasjon på at fremstillingsprosessen må optimaliseres. - Endres til en 1-um lapping pute og polish inntil det er ~ 20 um gjenstår.
- Endres til en 0,5-mikrometer pute og videre polering for en annen 15 um.
- Bruke en 0,1-mikrometer pute for den final 5 um for å sikre en jevn fasett. Mikroskop-bilder av den fasett av en silisiumbrikke fotoniske før og etter polering er vist i figur 2.
- Varm braketten med den vedlagte brikken til ~ 130 ° C for å tillate at voksen smelter.
- Når voksen er fullstendig smeltet, fjerne brikken fra stativet, og la den avkjøles langsomt.
- Rengjøre noen av de gjenværende voks fra brikken ved hjelp av aceton, isopropanol og vann.
2. Fremstilling av fibergrisehaler
- Strippe en hvilken som helst buffer eller belegg from enden av en enkelmodusfiber (SMF) grisehale, og fra den ene ende av en ultra-høy numerisk apertur (UHNA) fiber.
- Rens de nakne ender av fibrene med en blanding av aceton og metanol.
- Kløyve de nakne endene av begge fibre med en kommersiell fiber cleaver.
- Fusjon spleise den spaltede ende av fibrene. En oppskrift for skjøting av SMF til UHNA fiber er vist i tabell 1.
- Skyv en beskyttende hylse over skjøten og plassere den i hylsen ovnen til permanent å feste den til fiberen.
- Gjenta trinn 2,1 til 2,5 for å fremstille et totalt tre fibre.
3. Konfigurasjon av Testing installasjons
NB: Et diagram av testoppsettet er vist i Figur 1B. Holderen for brikken er en kobber pidestall som er i kontakt med en termo-elektrisk kjøler (TEC). Det er et mikroskop utstyrt med både synlige og infrarøde (IR) kameraer for visning av fotoniske chip.
- Plassen liten mengde voks på brikken montere og anvende spenning til TEC for å smelte voksen.
- Plasser chip på smeltet voks, slik at det sitter flatt på fjellet.
- Fjern spenningen fra TEC og la fjellet og chip avkjøles sakte.
- Feste hver av de skjøtede fibre til en fiber v-spor med polyimid bånd og montere et enkelt v-spor i hver av de tre-akse trinn ved bruk av produsenten leverte festeanordningene.
- Fiber kanten kobling.
- Koble de tre fibrene til deres respektive komponenter: en til den optiske utgang fra nevnte laser og de to andre til optiske strømmålere.
- Juster mikroskopet slik at det er fokusert på chip hvor bølgeledere når kanten.
- Plasser fibrene nær brikken kant, slik at de er i lys av det synlige kamera og justere sine høyder slik at kjernen av hver fiber er i fokus.
- Justere den horisontale posisjoneringen av fibrene med scenen micrometers slik at de er stilt opp med bølgeledere.
- Slå på den optiske utgang fra nevnte laser og innstille de horisontale og vertikale mikrometer posisjoner av inngangsfiber til lampen kopling inn i bølgelederen. Dette vil vises på den IR-kamera som spredte langs inngangsbølgelederen.
- Avstemme bølgelengden til laseren til et punkt hvor den mikromekanisk ringresonator lyser opp på kameraet. Dette indikerer at den resonansbetingelsen er tilfredsstilt, og at lys når utgangsbølgeledere.
- Juster de horisontale og vertikale mikrometer posisjoner av utgangsfibrene til det er en målbar mengde av lys som strekker seg fra bølgelederne til strømmålere.
- Maksimere kraften til begge detektorene ved å manipulere de horisontale og vertikale mikrometer posisjoner av de tre fibrer.
- Ytterligere maksimere kraften til detektorene ved å foreta tilpasninger av de horisontale og vertikale fiber stillinger ved hjelp av piezo kontrollerendeers.
- Bruk piezo spak fibrene litt nærmere brikken. Pass på å ikke bruke mikrometer å presse fibrene på brikken, som gjør dette vil trolig skade spaltede ender av fibrene.
- Gjenta trinn 3.5.9 og 3.5.10 inntil fibrene blir presset fast mot sidene av brikken.
NB: For mye spredt lys fra bølgelederne, kombinert med dårlig bølgeoverføring, kan være en indikasjon på bølgeleder defekter. Disse kan inkludere, men er ikke begrenset til, materialdefekt-plasser, søm grenser, og overdreven bølgeleder ruhet.
- Plassere et fiberbasert polarisasjonskontroller mellom laseren og brikken. Dette gir mulighet for kontroll av polarisasjonstilstanden som gjør det til brikken. Bølgelederne, er bredere enn de er høye, hjelpemiddel for å minimalisere enhver on-chip polarisasjonsrotasjon.
- Dispersion karakterisering.
- Tune polarisasjonen av laserutgangen for å maksimere koblingen til brikken. Denne enheten er designet for transversale elektriske (TE) polarisasjon og, som sådan, har den transversale magnetiske (TM) polarisasjonen et mye høyere tap.
- Skanne en avstembar laser over bølgelengdeområdet av interesse (1510 nm til 1600 nm i dette tilfellet) og overvåke strømmålere. Eventuelle gjenstander i transmisjonsspektrene er trolig på grunn av en kombinasjon av de TM-komponenten av polarisasjonstilstandene og Etalon effekter fra den fiber-spon.
- Lokalresonansbølgelengder i spekteret og også trekke båndbredden for hver resonans. Denne spesielle brikken hadde båndbredder så små som 65 pm, noe som betyr kvalitetsfaktorer (Q) på opp til 23.000.
- Bestemme det frie spektrale området (FSR), avstanden mellom resonanser, for hvert tilstøtende par av resonanser. Denne spesielle anordning hadde en FSR av ~ 5 nm.
- Beregn gruppeindeksen (n g) av den ledede modus for hver verdi av FSR ved hjelp av følgende ligning:
n 5" src = "/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg" />
hvor λ er bølgelengden og R er radien av den mikromekanisk ringresonator. Den ovennevnte ligning er en første ordens tilnærmelse til den register. - Bruk båndbredden til hver resonans for å bestemme en bredde (An g) knyttet til hver verdi av register.
- Velger bølgelengdene for de to pumpelasere som gjør at de faller sammen med resonanser i spekteret og har et ulikt antall av resonanser mellom dem (figur 1C).
- Bestemme bølgelengden av de degenererte bi-fotoner ved anvendelse av følgende ligning:
hvor λ Pumpe 1 og λ pumpe 2 er bølgelengdene for pumpe fotoner. - Legg til en horisontal linje på den diagram over gruppe-indeks i forhold til bølgelengde som strekker seg mellom de to pumpebølgelengder (figur 3). Hvis det er mulig for line for å sitte inne n g ± Δ n g ved alle tre bølgelengder av interesse samtidig, er den fasetilpasning betingelse oppfylt og fotoner kan genereres via SFWM. Hvis det ikke er mulig, prøv å velge pumpebølgelengder som er tettere sammen og sjekk igjen.
- Legg til en annen avstembar laserkilde og polarisasjonskontroller til oppsett og kombinerer de optiske utgangene fra begge lasere med en 1 x 2 fiber kombinator.
- Legg til en serie av fiberbaserte smalbåndfiltre (nok av dem å oppnå ~ 120 dB dempning) umiddelbart før brikken.
MERK: filtre kan både pumpebølgelengder for å passere, men avvise den bi-foton bølgelengde. De hjelper til å fjerne overskytende støy (dvs. bredbånds Raman spredning i den optiske fiber) før kobling til brikken. Filteret spektrum er vist i Figur 1B. - Legg til en serie av fiberbaserte båndpassfiltre (nok av dem for å oppnå ~ 150 dB dempning)umiddelbart etter at brikken.
MERK: Filtrene bør være bred nok til at bi-fotoner til å passere, men smal nok til å avvise pumpe fotoner. To sett med disse er nødvendig, ett sett for hver utgang. Filteret spektrum er vist i Figur 1B. - Send avvist fotoner fra hvert sett med filtre for å skille strømmålere.
MERK: Disse kraftmålere blir brukt til å overvåke den optiske kobling til brikken, og kan også brukes til å bestemme om pumpelasere som er igjen på-resonans. - Koble sammen de enkelte optiske utgangssignalet fra hvert sett av fiberbaserte filtre til en eneste fotondetektor (SPD) og kople begge elektriske utgangssignaler fra de SPDs med en koinsidens-korrelator.
- Krysse et par av wolfram prober og satt spissene ned på en av de spiralformede ben (~ 1 mm i lengde) av MZI.
- Koble en strømforsyning til to kryssende sonder slik at de genererer varme når spenning tilføres. Denne vil fungere som en faseforskyver for than MZI.
MERK: Se diskusjonen for en beskrivelse av mer standardisert metode for termisk tuning av fotoniske enheter.
4. Måle to-foton Interferens
- Tune begge pumpe lasere til de valgte bølgelengder. Bruk kraftmålere som overvåker de avviste pumpe fotoner for å sikre at begge lasere er avstemt til resonans. Når lasere er riktig avstemt til de ønskede resonanser, vil den forkastet signal fra filtrene maksimeres.
- Sett den optiske utgangseffekten fra hver laser til -3 dBm.
MERK: Dette vil resultere i <100 pW på brikken. Det er viktig å holde pumpeeffekten denne lav for å minimalisere tap (fra multi fotonabsorpsjon og fri-carrier absorpsjon) og opprettholde stabilitet (ved å minimalisere lys-induserte termiske skift). PN-overgangene kan brukes til å fjerne bære fra bølgelederen for å bedre tilpasse høyere pumpe krefter. - Overvåke tilfeldighet teller (synkronous single på tvers av to porter) ved integrasjon over ~ 220 ps om toppen av dataene. Et tilstrekkelig integrering tid har gått når minimum 100 tilfeldighet tellinger har blitt samlet inn.
Merk: Integreringen vinduet bør være bred nok til å ta hensyn til timing jitter av SPDs. - Sett strømforsyningen for faseforskyveren til utgangsspenningen (for eksempel, 0 V).
- Skanne en av de avstembare lasere over hele bølgelengdeområdet, og bruke strømmålere som samler inn de avviste pumpe fotoner for å bekrefte beliggenheten av resonansene av interesse. Sette driv lasere til bølgelengder som svarer til de ønskede resonanser.
Merk: Det er viktig å fullføre dette trinnet hver gang faseskifteren spenning er endret som den termiske tuning kan resultere i små endringer i resonant bølgelengder. - Samle de resulterende data (enkeltfotontellinger samt de sammentrefftelling) fra sammentreff korrelator for den tidligere valgteintegrasjonstiden. Her ble det en integrering på 90 s valgt med en timing oppløsning på 32 ps.
- Øke den spenning som tilføres faseforskyveren ved 5 mV.
- Gjenta trinn 4,4-4,6 inntil data har blitt samlet inn for det ønskede område av spenninger.
NB: Den maksimale spenning var begrenset til 2,4 V som følge av hurtig nedbrytning av sondene over denne spenning. - Integrere de sammentreff toppene for hver strømforsyningsspenningen i løpet av ~ 220 ps for å bestemme det totale antall av tilfeldigheter (figur 4).
- Integrere over 320 ns bort fra sammentreff topp for å oppnå de tilfeldige tilfeldigheter. Bruk dette resultatet til å beregne antall fortegn i tilfeldighet topp.
- Monter singler tellinger fra hver detektor med følgende modifisert sinusfunksjon:
hvor A, B, C, D, E og F er de passer parametere. Denne tilpasning er nødvendig på grunn av den ikke-lineære relationship mellom spenningen og den induserte termiske skift (relativ fase). - Omdanne den uavhengige variabelen i relativ fase for alle tre sett av data (sing teller fra hver detektor, og de sammentrefftelling) med den følgende ligning:
hvor B, C, D, og E er de passer parametere fra trinn 4.11. Denne omdannelse er mulig på grunn av den velkjente sinusformede overføringsfunksjon av et MZI 12. - Monter sammentreffdataene (med den relative fase som den uavhengige variabelen) med følgende sinusfunksjonen:
hvor A og B er de passer parametere. - Beregn synligheten for hver interferensmønster med den følgende ligning:
hvor ƒ (θ) max og ƒ (
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Enkeltfotontellinger fra hver detektor, så vel som sammentrefftallene, ble samlet som den relative fase mellom de to banene ble innstilt. De individuelle tellinger (figur 5A) viser den klassiske interferensmønsteret fra en MZI med visibilities på 94,5 ± 1,6% og 94,9 ± 0,9%. Koinsidens-målinger (figur 5B) viser quantum forstyrrelser av sammenfiltret tilstand, som er tydelig av den oscillasjon ved to ganger frekvensen av den klassiske interferensmønster, med en sikt på 93,3 ± 2,0% (96,0 ± 2,1% med fortegn subtrahert) . For å bekrefte at fotonene i hovedsak blir generert i ringen, ble pumpene utformet i to resonanser som ville kreve bi-fotoner som skal genereres ved en bølgelengde som ikke understøttes av ringen. Den oransje linje i figur 5B bekrefter at, med en slik konfigurasjon, er det ingen vesentlig coincidenc es. Figur 6 viser de sammentreff teller for de tilgjengelige resonans parene som er symmetriske i frekvens omkring resonans svarende til de ønskede bi-fotoner. I alle tilfeller, er det to θ avhengighet av den relative fase tydelig.
Figur 1: Eksperimentell Testbed for Silicon Waveguide Circuit. (A) Bilde av silikon fotoniske kvante brikke som indikerer forplantningsretningen til fotonene. Det innfelte er en energisparing diagram for den fire-bølgeblanding prosess som oppstår innenfor ringen. (B) Eksperimentell oppsettet som ble brukt til å teste silisium fotoniske kretsen. (C) Overføring spektrum av det mikro-ring kavitet, med piler som indikerer pumpekonfigurasjon, så vel som bølgelengden av de genererte bi-fotoner.s / ftp_upload / 55257 / 55257fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: fasett Forbedring fra polering. Bilder av den fasett av en silisiumbrikke fotoniske (a) etter fremstillingen, men før polering og (b) etter polering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Karakterisering av bølgelederspredning. Plot av bølgelengden avhengighet av register. Den rød-skraverte område representerer hele båndbredden av resonansene og gir en enkel evaluering av fase-matching tilstand. Den grønne stiplede linje er horisontal og ligger helt innenfor det skraverte område, som viser at fasetilpasningstilstand er oppfylt. Det faktum at dataene er flate over hele området er bekreftelse på null spredning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Måling av Sammenfallende fotoner. Plot av sammentreff peak målt med tids-korrelator med en integrasjonstid på 90 s og en tidsoppløsning på 32 ps. De røde stiplede linjer angir kantene av sammentreff-vinduet, hvor det er en total av 459 tilfeldigheter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Klassisk og Quantum Interference Målinger. (A) Classical lys viser det typiske interferensmønsteret fra en MZI som den relative fase mellom de to banene er variert. (B) Sammentreff korrelasjonsmålinger som viser to θ avhengighet av den relative fase. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: Bi-Photon synlighet for ulike Pump Wavelength konfigurasjoner. Plott av tilfeldigheter korrelasjonsmålinger og beregnede synligheter for pumpebølgelengder av (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 tilfeller, er det to θ avhengighet av den relative fase tydelig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| SMF til UHNA Fiber Skjøting Parametere | |
| Juster: Kjerne | Fokus: Auto |
| ECF: Off | Auto Power: Av |
| Spalter Grense: 1 ° | Kjerne Angle Limit: 1 ° |
| Rengjøring Arc: 150 ms | Gap: 15 um |
| Gapset Posisjon: | Prefuse Effekt: 20 bit |
| Prefuse Tid: 180 ms | Overlapping: 10 um |
| Arc1 Strøm: 20 bit | Arc1 Tidspunkt: 18.000 ms |
| Arc2: Off | Rearc Tid: 800 ms |
| Taper Splice: Off | |
Tabell 1: Innstillinger for Fusion skjøting SMF til UHNA Fiber.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det er flere utfordringer for fagområdet integrerte fotonikk å overvinne for at komplekse og skalerbare systemer av fotoniske enheter for å være gjennomførbart. Disse inkluderer, men er ikke begrenset til: stram fremstillingstoleransene, isolert fra miljømessige ustabiliteter, og minimalisering av alle former for tap. Det er kritiske trinn i den ovennevnte protokoll som bidrar til å minimere tapet av fotoniske enheter.
En av de mest avgjørende krav minimalisering av tap er nært samsvarende de optiske modi av fibrene og bølgelederne. En del av vanskeligheten stammer fra den store modusfelt diameter (MFD) av SMF (~ 10 nm). På den integrerte enheten side, det er et 500 nm-bred silisiumbølgeleder med et mye mindre MFD (<1 um). Denne modusen overgang mellom fiberen og bølgelederen kan forbedres på to måter: SMF til en lengde på UHNA fiber eller plassere en omvendt avsmalning til kanten av den fotoniske chip. Den spleiset region between SMF og UHNA fiber fungerer som en modusomformer, noe som reduserer størrelsen på modusen til ~ 3 um. Den inverse taper blir brukt for å utvide den modus på brikken ved å redusere bredden på bølgelederen som den nærmer seg fasett. Denne brikken benytter en lineær avsmalning fra 500 nm bølgelederne til 150 nm spisser (på stykke fasetter), med en overgang lengde på 300 pm. Avsmalningen av bølgelederen bredde til kanten av brikke resulterer i en reduksjon i den effektive indeksen for den optiske modusen og i sin tur ekspanderer modus.
Poleringen av brikken fasett er også meget viktig i å minske optisk tap. To bekymringer mens polerings stopper ved den ønskede overflate og delaminering av det øvre kledningsmateriale. Ideelt sett, ville den endelige stilling av den fasett være nettopp ved slutten av avsmalningen. Dette er imidlertid ganske vanskelig å oppnå, og av den grunn, er spissen av den koniske forlenget med 100 um, slik at poleringen kan stoppes noen få mikroner førtaper starter. Hvis for lite materiale er fjernet, vil modusen ikke fanges så effektivt ved taper. Dersom for mye materiale blir fjernet, vil det være en større modus mistilpasning ved fiber / spon, og mer av lyset vil gå tapt. Det andre hovedproblem er den delaminering av den øvre kledningen. Dersom det er problemer med fabrikasjon (renhet eller sterk belastning i kledningen), kan kledningen ikke fester seg til substratet ved kanten av brikken. Når delaminering skjer å skje på en av de bølgeledere, vil det resultere i svært dårlig koblings effektivitet. Hvis det er lagt merke til i løpet av poler, kan et polerings smøremiddel annet enn vann ofte bedre resultater.
Det er rom for forbedring i den ovennevnte protokoll. Den største forbedringen ville komme fra å bruke en mer standard metode for termisk å avstemme anordningen. Metoden anvendes her Metoden var et resultat av en forenklet fremstillingsprosess som ikke inkludere noen metallsjikt. Vanligvis en resistiv megtal lag benyttes for varmeelementene, og et høyt ledende metallag benyttes for kontaktstykker og ledninger fra elektrodene til varmeelementene. En scene kan så brukes til å sette ned sonder på elektrodene, slik at en spenning som skal påtrykkes på varmeelementene. Dette muliggjør en større grad av kontroll og stabilitet. En silisiumbrikke fotoniske i likhet med det som ble testet her, men med metall ovner er vist på den medfølgende video.
Det finnes andre metoder for kobling av lyset til den fotoniske chip. For dette arbeidet ble edge kopling brukes. Andre vanlige metoder omfatter ledig plass kopling og rist kopling. Ledig plass kopling er avhengig av masse optiske elementer for å justere og fokusere strålen inn i bølgelederen ved kanten av brikken. Ulempen med koplingen på denne måte er at det kan være svært vanskelig å optimalisere innretting av strålen, og det vil alltid være en refleksjon ved grenseflaten på grunn av den indeksforskjellen. Grating koblere spre lyset fra bølgelede vertikalt, slik at enden av en fiber kan plasseres ved overflaten av den optiske kappen til paret til enheten. Disse har også noen problemer, blant annet vanskelig innretting (fiber er ofte i siktelinjen av mikroskopet) og høyere tap. Fiber kanten kobling er ikke perfekt heller. Ved å trykke fibrene mot brikken kan skade fibrenes ende, og både fibrene og brikken kant må rengjøres ofte. Fordelen med fiber kant kopling er at justeringen er langt enklere enn de to andre metoder, og er i stand til å oppnå lavere tap.
Etter hvert som kompleksiteten av optiske systemer øker, den eneste mulige måten for dem å skalere opp en stabil plattform er i et integrert system, omtrent som banen av elektronisk teknologi. Utfordringen er å slå sammen den integrerte fotonikk plattform med hoveddelen og fiberbaserte optiske systemer som allerede er utplassert. Med utnyttelse av fotonbasert quantum informasjonssystemer, hvor informasjon plass skalaer eksponensielt (i forhold til den lineære skalering av klassiske systemer), fasestabilitet og lave tap integrert fotoniske teknologier er avgjørende for suksess. Protokollen har vi beskrevet tjener som en første bane fremover for å fremme denne nye teknologi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble utført delvis ved Cornell University nanoskala Science and Technology Facility, et medlem av National Nanoteknologi Infrastructure Network, som er støttet av National Science Foundation (Grant ECCS-1542081). Vi erkjenner støtte til dette arbeidet fra Air Force Research Lab (AFRL). Dette materialet er basert på arbeid delvis støttet av National Science Foundation i henhold Award nr ECCS14052481.
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
- Silverstone, J. W., et al. On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources. Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).
- Harris, N. C., et al. Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems. Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).
- Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
- Najafi, F., et al. Scalable Integration of Single-Photon Detectors. Nat. Commun. 6, 1-8 (2015).
- Dutt, A., et al. On-Chip Optical Squeezing. Phys. Rev. Appl. 3 (4), 1-7 (2015).
- Azzini, S., et al. Ultra-low power generation of twin photons in a compact silicon ring resonator. Opt. Express. 20 (21), 23100-23107 (2012).
- Clemmen, S., et al. Continuous wave photon pair generation in silicon-on-insulator waveguides and ring resonators erratum. Opt. Express. 17 (19), 16558 (2009).
- Engin, E., et al. Photon pair generation in a silicon micro-ring resonator with reverse bias enhancement. Opt. Express. 21 (23), 27826-27834 (2013).
- Steidle, J. a, et al. High spectral purity silicon ring resonator photon-pair source. Proc. of SPIE. 9500, 950015 (2015).
- Preble, S. F., et al. On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source. Phys. Rev. Appl. 4, 021001 (2015).
- Cao, L., Aboketaf, A. A., Preble, S. F. CMOS compatible micro-oven heater for efficient thermal control of silicon photonic devices. Opt. Commun. 305, 66-70 (2013).
- Chrostowski, L., Hochberg, M. Silicon Photonics Design. , Cambridge University Press. Section 4.3 (2013).
