Измерение квантовой интерференции в источнике кремния Кольцо Резонатор Photon
Summary
Кремниевые фотонные чипы обладают потенциалом для реализации комплексных интегрированных квантовых систем. Представленные здесь способ получения и тестирование кремния фотонного чипа для квантовых измерений.
Abstract
Кремниевые фотонные чипы обладают потенциалом для реализации сложных комплексных квантовых схем обработки информации, в том числе источников фотонов, манипуляции кубита и интегрированных детекторов одиночных фотонов. Здесь мы представляем основные аспекты подготовки и тестирования кремния фотонных квантовый чип с интегрированным источником фотонов и двухфотонного интерферометра. Наиболее важный аспект интегрированной квантовой схемы минимизация потерь, так что все сгенерированные фотоны обнаруживаются с максимально возможной точностью. Здесь мы опишем, как выполнять с малыми потерями края сцепление с помощью ультра-высокой числовой апертурой волокна тесно соответствует режиму кремниевых волноводов. С помощью оптимизированного слитого рецепт сплайсинга, то Уна волокно легко сопрягается со стандартным одномодовым волокном. Эта связь с низкими потерями позволяет измерять производство фотонов высокой точности в интегрированном кремнии кольцевого резонатора и последующую двухфотонной интерференцию, полученный рhotons в тесно интегрированной Маха-Цандера интерферометра. В настоящем документе описываются основные процедуры подготовки и характеристики высокопроизводительных и масштабируемых кремниевых квантовых фотонных схем.
Introduction
Кремний показывает большие перспективы как фотоники платформа для обработки квантовой информации 1, 2, 3, 4, 5. Одним из важных компонентов квантовых фотонных схем является источником фотонов. Источники Фотон-пара были разработаны на основе кремния в виде микро-кольцевых резонаторов осуществляется через нелинейный процесс третьего порядка, спонтанное четырехволновое смешение (SFWM) 6, 7, 8. Эти источники способны производить пар неразличимых фотонов, которые идеально подходят для экспериментов с участием фотонов запутывания 9.
Важно отметить, что кольцо резонатора источники могут работать как с по часовой стрелке и распространения против часовой стрелки, и два различного направления распространения является геномсплотиться независимо друг от друга. Это позволяет одно кольцо, чтобы функционировать в качестве двух источников. При оптической накачке с обеих сторон, эти источники генерируют следующий запутанное состояние:
где 
а также 
являются независимыми операторами рождения clockwise- и против часовой стрелки, распространяющихся Бифотонов, соответственно. Это очень желательно форма запутанного состояния , известного как состояние N00N (N = 2) 10.
Проходя через это состояние на чипе Маха-Цендера (ИМЦ) приводит в состояние:
Это состояние колеблется между максимальным и нулевым совпадением совпадением в два разачастота классического вмешательства в ИМЦ, фактически удваивает чувствительность интерферометра 10. Здесь мы представляем процедуру, используемую для тестирования такого комплексного источника фотонов и ИМЦ устройства.
Protocol
Representative Results
Discussion
Есть несколько проблем для области интегрированных фотоников преодолеть для того, чтобы сложных и масштабируемых систем фотонных устройств нецелесообразны. Они включают, но не ограничиваются ими: допуски изготовления жесткого, изоляции от окружающей среды, а также неустойчивостей м?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была выполнена частично в Cornell University наноразмерной науки и техники фонда, член инфраструктуры Национальной сети нанотехнологий, которая при поддержке Национального научного фонда (грант САОР-1542081). Мы признаем поддержку этой работы из исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL). Этот материал основан на работе, частично при поддержке Национального научного фонда под решением № 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
- 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. , (2013).
