Summary

Meting van Quantum Interference in een Silicon Ring Resonator Photon Source

Published: April 04, 2017
doi:

Summary

Silicon fotonische chips hebben het potentieel om complexe geïntegreerde quantum systemen te realiseren. Hier voorgesteld is een werkwijze voor het bereiden en testen van een silicium chip voor fotonische quantum metingen.

Abstract

Silicium fotonische chips hebben het potentieel om complexe geïntegreerde kwantuminformatieverwerking verwerkingsschakelingen, zoals fotonenbronnen, qubit manipulatie en geïntegreerde single-photon detectoren realiseren. Hier presenteren we de belangrijkste aspecten van het bereiden en testen van een silicium fotonische quantum chip met een geïntegreerde fotonbron en twee-foton interferometer. Het belangrijkste aspect van een kwantum geïntegreerde schakeling minimaliseert verliezen zodat alle gegenereerde fotonen gedetecteerd met de hoogst mogelijke betrouwbaarheid. We beschrijven hoe verliesarme edge koppeling uitvoeren met een ultra-hoge numerieke apertuur vezel nauw overeenkomt met de modus van de silicium golfgeleiders. Door een geoptimaliseerde smeltlassen recept wordt de UHNA vezel naadloos gekoppeld aan een standaard single-mode fiber. Dit verliesarme koppeling maakt de meting van high-fidelity fotonproductie een geïntegreerde silicium ring resonator en de daaropvolgende twee-foton interferentie van de geproduceerde photons in een nauw geïntegreerd Mach-Zehnder-interferometer. Dit document beschrijft de essentiële voorwaarden voor de bereiding en karakterisering van high-performance en schaalbare silicium quantum fotonische circuits.

Introduction

Silicium is veelbelovend als een platform voor fotonica quantum informatieverwerking 1, 2, 3, 4, 5. Een van de vitale onderdelen van de kwantum fotonische circuits is het foton bron. Foton-pair bronnen zijn ontwikkeld van silicium in de vorm van micro-ringresonatoren via een derde-orde niet-lineaire proces spontane four wave mixing (SFWM) 6, 7, 8. Deze bronnen zijn in staat om te onderscheiden paren fotonen, die ideaal zijn voor experimenten met foton verstrengeling 9 zijn.

Het is belangrijk op te merken dat ringresonator bronnen kan werken met zowel rechtsom als linksom voortplanting en de twee verschillende propagatie richtingen genrally onafhankelijk van elkaar. Hierdoor kan een enkele ring te functioneren als twee bronnen. Als optisch gepompt vanuit beide richtingen, deze bronnen genereren van de volgende verstrengeling:

vergelijking 1

waar vergelijking 2 en vergelijking 3 zijn de onafhankelijke schepping operators voor clockwise- en linksom voortplantende bi-fotonen, respectievelijk. Dit is een zeer wenselijke vorm van verstrengeling bekend als N00N toestand (N = 2) 10.

Passing deze toestand via een on-chip Mach-Zehnder-interferometer (MZI) resulteert in staat:

vergelijking 4

Deze toestand schommelt tussen maximum en nul toeval toeval tweemaalde frequentie van klassieke inmenging in een MZI verdubbelt de gevoeligheid van de interferometer 10. Hier presenteren we de procedure voor dergelijke geïntegreerde fotonbron en MZI apparaat testen.

Protocol

Opmerking: Dit protocol veronderstelt dat de fotonische chip reeds vervaardigd. De hier beschreven chip (figuur 1A) werd vervaardigd op de Cornell University Nanoscale Science & Technology Facility met behulp van standaard bewerkingstechnieken silicium fotonische inrichtingen 11. Deze omvatten het gebruik van silicium op isolator wafers (uit een 220 nm dikke siliciumlaag, een 3-um laag siliciumdioxide en een 525 urn dikke siliciumsubstraat), elektronenbundel lithografie op de…

Representative Results

Individuele fotontellingen van elke detector, en het samenvallen tellingen werden verzameld als de relatieve fase tussen de twee wegen is afgestemd. De afzonderlijke tellingen (Figuur 5A) tonen de klassieke interferentiepatroon van een MZI met zichtbaarheden 94,5 ± 1,6% en 94,9 ± 0,9%. Het samenvallen metingen (figuur 5B) tonen de quantuminterferentie van de verstrengeling, zoals blijkt uit de oscillatie op tweemaal de frequentie van de klassieke inter…

Discussion

Er zijn meerdere uitdagingen voor het gebied van geïntegreerde fotonica overwinnen om voor complexe en schaalbare systemen van fotonische devices haalbaar. Deze omvatten, maar zijn niet beperkt tot: nauwe toleranties fabricage, isolatie van milieu instabiliteiten, en minimalisering van alle vormen van verlies. Er zijn kritische stappen in het bovenstaande protocol die helpen om het verlies van fotonische devices te minimaliseren.

Een van de meest cruciale vereisten voor het minimaliseren va…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd uitgevoerd in een deel aan de Cornell University Nanoscale Science and Technology Facility, een lid van de National Nanotechnology Infrastructure Network, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation (Grant ECCS-1.542.081). Wij erkennen steun voor dit werk van de Air Force Research Lab (AFRL). Dit materiaal is gebaseerd op werk gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation Award onder No. ECCS14052481.

Materials

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

References

  1. Silverstone, J. W., et al. On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources. Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).
  2. 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).
  3. Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
  4. Najafi, F., et al. Scalable Integration of Single-Photon Detectors. Nat. Commun. 6, 1-8 (2015).
  5. Dutt, A., et al. On-Chip Optical Squeezing. Phys. Rev. Appl. 3 (4), 1-7 (2015).
  6. Azzini, S., et al. Ultra-low power generation of twin photons in a compact silicon ring resonator. Opt. Express. 20 (21), 23100-23107 (2012).
  7. Clemmen, S., et al. Continuous wave photon pair generation in silicon-on-insulator waveguides and ring resonators erratum. Opt. Express. 17 (19), 16558 (2009).
  8. Engin, E., et al. Photon pair generation in a silicon micro-ring resonator with reverse bias enhancement. Opt. Express. 21 (23), 27826-27834 (2013).
  9. Steidle, J. a., et al. High spectral purity silicon ring resonator photon-pair source. Proc. of SPIE. 9500, 950015 (2015).
  10. Preble, S. F., et al. On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source. Phys. Rev. Appl. 4, 021001 (2015).
  11. 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).
  12. Chrostowski, L., Hochberg, M. . Silicon Photonics Design. , (2013).

Play Video

Cite This Article
Steidle, J. A., Fanto, M. L., Preble, S. F., Tison, C. C., Howland, G. A., Wang, Z., Alsing, P. M. Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source. J. Vis. Exp. (122), e55257, doi:10.3791/55257 (2017).

View Video