Måling af Quantum Interference i en Silicon Ring resonator Photon Source
Summary
Silicon fotoniske chips har potentiale til at realisere komplekse integrerede kvantesystemer. Præsenteret her er en fremgangsmåde til fremstilling og afprøvning af en silicium fotoniske chip til kvantemålinger.
Abstract
Silicon fotoniske chips har potentiale til at realisere komplekse integrerede kvanteinformationsbehandling kredsløb, herunder fotonkilder, qubit manipulation og integrerede single-fotondetektorer. Her præsenteres de vigtigste aspekter af fremstilling og afprøvning af en silicium fotonisk kvante chip med integreret fotonkilde og to-foton interferometer. Det vigtigste aspekt af en integreret kvante kredsløb minimere tab, således at alle de frembragte fotoner detekteret med den højest mulige nøjagtighed. Her beskriver vi, hvordan man udfører lavt tab kant kobling ved hjælp af en ultra-høj numerisk apertur fiber tæt op tilstanden af silicium bølgeledere. Ved at bruge en optimeret fusion splejsning opskrift, er UHNA fiber problemfrit sammenkoblet med en standard single-mode fiber. Denne lavt tab kobling muliggør målingen af high-fidelity foton produktion i en integreret silicium ring resonator og den efterfølgende to-foton indblanding af det fremstillede photons i en tæt integreret Mach-Zehnder interferometer. Dette papir beskriver de væsentlige procedurer for udarbejdelse og karakterisering af højtydende og skalerbare silicium kvante fotoniske kredsløb.
Introduction
Silicium viser meget lovende som et fotonik platform for kvanteinformationsbehandling 1, 2, 3, 4, 5. En af de vitale komponenter i kvante fotoniske kredsløb er foton kilde. Foton-pair kilder er blevet udviklet fra silicium i form af mikro-ringresonatorer foretaget via en tredje ordens ikke-lineær proces, spontan fire-bølge blanding (SFWM) 6, 7, 8. Disse kilder kan producere par af skelnes fotoner, som er ideelle til forsøg med foton entanglement 9.
Det er vigtigt at bemærke, at ring resonator kilder kan operere med både med uret og mod uret formering, og de to forskellige formering retninger er genrally uafhængige af hinanden. Dette giver en enkelt ring kan fungere som to kilder. Når optisk pumpet fra begge retninger, disse kilder generere følgende sammenfiltrede tilstand:
hvor 
og 
er de uafhængige skabelse operatører for clockwise- og mod uret-udbreder bi-fotoner, hhv. Dette er en meget ønskelig form for sammenfiltret tilstand kendt som en N00N tilstand (N = 2) 10.
Passerer denne tilstand gennem en on-chip MachZehnder interferometer (MZI) resulterer i den tilstand:
Denne tilstand svinger mellem maksimal tilfældighed og nul tilfældigt på to gangehyppigheden af klassisk indblanding i en MZI og fordobler følsomheden af interferometeret 10. Her præsenterer vi den anvendte procedure til at teste en sådan integreret fotonkilde og MZI enhed.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der er flere udfordringer for området for integrerede fotonik at overvinde, for at komplekse og skalerbare systemer af fotoniske enheder at være mulig. Disse omfatter, men er ikke begrænset til: stram fabrikation tolerancer, isolation fra miljømæssige ustabilitet, og minimering af alle former for tab. Der er kritiske trin i den ovennævnte protokol, der hjælper til at minimere tabet af fotoniske enheder.
En af de mest afgørende krav i at minimere tabet er nært matcher de optiske form…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev udført i en del ved Cornell University nanoskala videnskab og teknologi Facility, et medlem af National Nanotechnology Infrastructure Network, som er støttet af National Science Foundation (Grant ECCS-1.542.081). Vi anerkender støtte til dette arbejde fra Air Force Research Lab (AFRL). Dette materiale er baseret på arbejdet delvist støttet af National Science Foundation under 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 |
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).
