Mesure de l'interférence quantique dans un anneau de silicium Résonateur Photon Source
Summary
Silicon puces photoniques ont le potentiel de réaliser des systèmes quantiques complexes intégrés. Présenté ici est un procédé pour préparer et tester une puce photonique de silicium pour la mesure quantique.
Abstract
Silicon puces photoniques ont le potentiel pour réaliser des circuits de traitement de l'information quantiques intégrés complexes, y compris des sources de photons, la manipulation de qubits, et des détecteurs de photon unique intégrée. Nous présentons ici les principaux aspects de la préparation et de tester une puce quantique photonique en silicium avec une source de photons intégré et interféromètre à deux photons. L'aspect le plus important d'un circuit quantique intégré minimise la perte de sorte que tous les photons générés sont détectés avec la plus grande fidélité possible. Ici, nous décrivons comment effectuer le couplage de bord à faible perte à l'aide d'une fibre à ouverture numérique ultra-haute pour correspondre étroitement au mode de guides d'ondes en silicium. En utilisant une recette de raccordement par fusion optimisée, la fibre de Uhna est parfaitement interfacé avec une fibre standard monomode. Ce couplage faible perte permet la mesure de la production de photons de haute fidélité dans un résonateur en anneau de silicium intégré et l'interférence à deux photons ultérieure du produit photons dans un interféromètre de Mach-Zehnder étroitement intégré. Cet article décrit les procédures essentielles pour la préparation et la caractérisation de haute performance et évolutives quantiques de silicium circuits photoniques.
Introduction
Le silicium est très prometteur en tant que plate – forme de la photonique pour le traitement de l' information quantique 1, 2, 3, 4, 5. L'un des éléments essentiels des circuits photoniques quantiques est la source de photons. Photon sources paires ont été développés à partir de silicium sous la forme de résonateurs micro-anneau fait par l' intermédiaire d' un troisième processus d'ordre non linéaire, mélange à quatre ondes spontanée (SFWM) 6, 7, 8. Ces sources sont capables de produire des paires de photons indiscernables, qui sont idéales pour des expériences impliquant l' enchevêtrement des photons 9.
Il est important de noter que les sources de résonateur annulaire peuvent fonctionner à la fois dans le sens horaire et la propagation dans le sens antihoraire, et les deux directions de propagation différentes sont gènerallier indépendants les uns des autres. Cela permet à un seul anneau de fonctionner comme deux sources. Lorsque pompé optiquement à partir des deux directions, ces sources génèrent l'état enchevêtré suivantes:
où 
et 
sont les opérateurs de création indépendants pour bi-photons clockwise- et anti-propagation, respectivement. Ceci est une forme très souhaitable d'état enchevêtré connu comme un état de N00N (N = 2) 10.
Passe cet état au moyen d'un interféromètre de Mach-Zehnder sur la puce (MZI) résulte en l'état:
Cet état oscille entre une coïncidence maximale et zéro coïncidence deux foisla fréquence d'interférence classique dans un MZI, doublant ainsi la sensibilité de l'interféromètre 10. Nous présentons ici la procédure utilisée pour tester une telle source de photons intégrée et le dispositif IMZ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il y a plusieurs défis pour le domaine de la photonique intégrée à surmonter pour des systèmes complexes et évolutifs des dispositifs photoniques réalisable. Ceux-ci comprennent, mais sans s'y limiter: les tolérances de fabrication serrées, l'isolement de l'environnement, et instabilités réduction de toutes les formes de perte. Il y a des étapes critiques dans le protocole ci-dessus qui aident à minimiser la perte de dispositifs photoniques.
L'une des exigences l…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été réalisé en partie au Fonds pour l'Université Cornell Nanoscale Science et technologie, membre du Réseau National Nanotechnology Infrastructure, qui est soutenu par la National Science Foundation (Grant ECCS-1542081). Nous reconnaissons le soutien pour ce travail du laboratoire de recherche Air Force (AFRL). Ce matériel est basé sur le travail partiellement soutenu par la National Science Foundation Award 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 |
Riferimenti
- 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).
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- 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).
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- Preble, S. F., et al. On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source. Phys. Rev. Appl. 4, 021001 (2015).
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- Chrostowski, L., Hochberg, M. . Silicon Photonics Design. , (2013).
