Måling av Quantum Interference i Silicon Ring Resonator Photon Source
Summary
Silisium fotoniske chips har potensial til å realisere komplekse integrerte quantum systemer. Presenteres her er en metode for fremstilling og testing av en silisiumbrikke for fotoniske quantum målinger.
Abstract
Silisium fotoniske prosessorene har muligheten til å realisere komplekse integrerte kvante-informasjonsbehandlingskretser, blant annet fotonkilder, qubit manipulering og integrerte enkeltfotondetektorer. Her presenterer vi de viktigste aspektene ved fremstilling og testing av en silisium fotoniske kvante-brikken med en integrert fotonkilde og to-foton-interferometer. Det viktigste aspektet av en integrert quantum krets er å minimalisere tap, slik at alle de genererte fotoner blir detektert med høyest mulig nøyaktighet. Her beskriver vi hvordan man utfører lave tap kant kobling ved anvendelse av en ultra-høy numerisk apertur fiber blir så lik modus av silisiumbølgeledere. Ved anvendelse av en optimalisert smelteskjøting av oppskriften, blir UHNA fiberen sømløst grensesnitt med et standard enkeltmodusfiber. Dette lave tap kopling tillater måling av hi-fi-foton produksjon i en integrert silisium ring resonator og den etterfølgende to-foton innblanding av den produserte photons i en tett integrert Mach-Zehnder interferometer. Dette dokumentet beskriver de grunnleggende metoder for fremstilling og karakterisering av høy ytelse og skalerbare silisium kvante fotoniske kretser.
Introduction
Silisium viser store løftet som et fotonikk plattform for quantum informasjonsbehandling 1, 2, 3, 4, 5. En av de viktige komponentene i Quantum fotoniske kretser er fotonet kilden. Foton-pair kilder er blitt utviklet fra silisium i form av mikro-ring resonatorer gjøres via en tredje-ordens ikke-lineær prosess, spontan fire-bølgeblanding (SFWM) 6, 7, 8. Disse kildene er i stand til å produsere par av utvisket fotoner, som er ideelle for forsøk med fotonsammenfiltring 9.
Det er viktig å merke seg at ringresonator kilder kan operere med både medurs og forplantning mot urviseren, og de to forskjellige forplantningsretninger er genetrally uavhengig av hverandre. Dette gjør det mulig for en enkelt ring for å fungere som to kilder. Når optisk pumpet fra begge retninger, disse kildene genererer den følgende sammenfiltret tilstand:
hvor 
og 
er de uavhengige opprettelse operatorer for clockwise- og mot urviseren utbredende bi-fotoner, henholdsvis. Dette er en meget ønskelig form for sammenfiltret tilstand kjent som en N00N tilstand (n = 2) 10.
Passerer denne tilstand via en on-chip Mach-Zehnder interferometer (MZI) resulterer i den tilstand:
Denne tilstanden svinger mellom maksimal sammentreff og null sammentreff med dobbelthyppigheten av klassisk innblanding i en MZI, effektivt dobler følsomheten til interferometeret 10. Her presenterer vi prosedyren brukes til å teste en slik integrert fotonkilde og MZI enhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det er flere utfordringer for fagområdet integrerte fotonikk å overvinne for at komplekse og skalerbare systemer av fotoniske enheter for å være gjennomførbart. Disse inkluderer, men er ikke begrenset til: stram fremstillingstoleransene, isolert fra miljømessige ustabiliteter, og minimalisering av alle former for tap. Det er kritiske trinn i den ovennevnte protokoll som bidrar til å minimere tapet av fotoniske enheter.
En av de mest avgjørende krav minimalisering av tap er nært sams…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble utført delvis ved Cornell University nanoskala Science and Technology Facility, et medlem av National Nanoteknologi Infrastructure Network, som er støttet av National Science Foundation (Grant ECCS-1542081). Vi erkjenner støtte til dette arbeidet fra Air Force Research Lab (AFRL). Dette materialet er basert på arbeid delvis støttet av National Science Foundation i henhold Award nr 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 |
Referências
- 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).
