Meting van Quantum Interference in een Silicon Ring Resonator Photon Source
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:
waar 
en 
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:
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
Representative Results
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
- 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).
