Summary

Silikon Halka Rezonatörü Foton Kaynak Kuantum Girişim ölçümü

Published: April 04, 2017
doi:

Summary

Silikon fotonik çipler karmaşık entegre kuantum sistemlerini gerçekleştirmek potansiyeline sahiptir. hazırlanması ve kuantum ölçümleri için bir silikon fotonik çip test etmek için bir yöntem, burada sunulmuştur.

Abstract

Silikon fotonik fiş foton kaynakları, qubit manipülasyon ve entegre tek foton dedektörleri dahil olmak üzere karmaşık entegre kuantum bilgi işleme devrelerini gerçekleştirmek için potansiyele sahiptir. Burada, hazırlanması ve entegre bir foton kaynağı ile iki foton interferometrenin bir silikon fotonik kuantum çip test temel yönlerini sunuyoruz. oluşturulan fotonların bütün mümkün olan en yüksek aslına uygunluk ile tespit edilir ve böylece entegre kuantum devrenin en önemli yönü kaybını minimize edilir. Burada, yakından silikon dalga kılavuzu modu eşleştirmek için bir ultra-yüksek sayısal açıklık elyaf kullanılarak düşük kayıp kenar birleştirmeyi gerçekleştirmek üzere açıklar. Optimize edilmiş füzyon birleştirme tarifi kullanarak, UHNA elyaf sorunsuz bir standart tek modlu fiber arabirim. Bu düşük kayıplı birleştirme entegre silikon halka rezonatördeki yüksek kalitede foton üretiminin ölçümü ve üretilen p müteakip iki foton girişim sağlaryakından entegre Mach-Zehnder interferometre içinde hotons. Bu kağıt, yüksek performanslı ve ölçeklenebilir silikon kuantum fotonik devrelerin hazırlanmasıyla ve karakterizasyonu için gerekli prosedürleri tarif eder.

Introduction

Silikon kuantum bilgi işlem 1, 2, 3, 4, 5 bir fotonik platformu olarak büyük umutlar. Kuantum fotonik devrelerin hayati bileşenlerinden biri foton kaynağıdır. Foton çift kaynaklar üçüncü dereceden doğrusal olmayan işlem ile yapılmış bir mikro-halka rezonatörlerin şeklinde silikon geliştirilmiştir, kendiliğinden dört dalga karıştırma (SFWM) 6, 7, 8. Bu kaynaklar foton dolanması 9 içeren deneyler için idealdir ayırt edilemez fotonlar çiftleri üretebilmektedir.

Rezonatör kaynakları saat yönünde ve saat yönünün tersine yayılma hem de çalışabilir halka dikkat etmek önemlidir, ve iki farklı yayılma yönü genibirbirinden bağımsız ralli. Bu, tek bir halka iki kaynakları olarak işlev görmesini sağlar. optik olarak her iki yönde pompalanan zaman, bu kaynaklar aşağıdaki dolaşık durumu oluşturmak:

Denklem 1

nerede Denklem 2 ve Denklem 3 clockwise- ve saat yönünün yayılan iki foton için bağımsız oluşturma operatörleri sırasıyla şunlardır. Bu N00N halde (N = 2), 10 olarak bilinen dolaşık durumda bir çok arzu edilen bir şeklidir.

bir çip-üstü Mach-Zehnder interferometre (MZI) aracılığıyla bu durum geçen durum ile sonuçlanır:

Denklem 4

Bu durum iki kez maksimum tesadüf ve sıfır tesadüf arasında gidipBir mzi klasik parazit frekans etkili interferometrenin 10 hassasiyetini katlama. Burada, bu tür bir birleştirilmiş foton kaynağı ve MZI cihazı test etmek için kullanılan bir prosedürdür.

Protocol

NOT: Bu protokol fotonik çip zaten fabrikasyon olduğunu varsayar. (Şekil 1A'da gösterilen) burada tarif edilen çip silikon fotonik cihazlar 11 için standart işleme teknikleri kullanılarak Cornell University Nanoseviye Bilim ve Teknoloji Tesisinde imal edilmiştir. Bu (220 nm-kalınlıkta silikon tabakasından oluşan, silikon dioksit, 3-mikron tabakası ve 525 um kalınlığında bir silikon substratı) Silikon yalıtkanda gofret kullanımını elektron demeti şerit …

Representative Results

iki yol arasındaki nispi faz ayarlandı her detektör, hem de çakışma sayımlarının Bireysel foton sayısı, toplanmıştır. Bireysel sayımları (Şekil 5A) 94,5 ± 1,6 ve% 94.9 ±% 0.9 görünürlük bir mzi klasik girişim deseni gösterir. 93.3 ±% 2.0 bir görüş, iki kez salınım klasik girişim deseni frekansı açıkça görüldüğü gibi rastlantı ölçümleri (Şekil 5B), dolaşık durumda kuantum girişimi göstermektedir (arıza il…

Discussion

mümkün olduğu fotonik aygıtların karmaşık ve ölçeklenebilir sistemler için sırayla aşmak için entegre fotonik alanında için birden zorluklar vardır. Bunlar arasında, ancak bunlarla sınırlı değildir: dar imalat toleransları, çevresel kararsızlıklar izole ve zarar tüm biçimlerinin en aza indirilmesi. fotonik aygıtların kaybını en aza indirmek için yardımcı yukarıda protokol kritik adımlar vardır.

kaybını en aza indirmede en önemli gerekliliklerinden biri…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (Hibe ECCS-1542081) tarafından desteklenen Cornell University Nanoseviye Bilim ve Teknoloji Tesisi, Ulusal Nanoteknoloji Altyapı Ağı üyesi, en kısmen gerçekleştirilmiştir. Biz Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuarı (AFRL) bu iş için destek için minnettarım. Bu malzeme kısmen Ödülü sayılı ECCS14052481 altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen çalışma dayanmaktadır.

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