Summary

La medición de interferencia cuántica en una fuente de silicio resonador de anillo de fotones

Published: April 04, 2017
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Summary

Chips fotónicos de silicio tienen la posibilidad de realizar sistemas cuánticos complejos integrados. Se presenta aquí un método para preparar y probar un chip fotónico de silicio para mediciones cuántica.

Abstract

Chips fotónicos de silicio tienen el potencial para realizar circuitos cuánticos integrados complejos de procesamiento de información, incluyendo fuentes de fotones, la manipulación qubit, y detectores de fotón único integrados. A continuación, presentamos los aspectos clave de la preparación y prueba de un chip cuántico fotónico de silicio con una fuente de fotones integrada y interferómetro de dos fotones. El aspecto más importante de un circuito cuántico integrado se minimiza la pérdida de modo que todos los fotones generados son detectados con la mayor fidelidad posible. A continuación, describimos cómo realizar el acoplamiento de borde de baja pérdida mediante el uso de un ultra-alta en fibra apertura numérica para asemejarse a la modalidad de las guías de ondas de silicio. Mediante el uso de una receta de empalme de fusión optimizado, la fibra uhna está perfectamente interconectado con una fibra monomodo estándar. Este acoplamiento de baja pérdida permite la medición de la producción de fotones de alta fidelidad en un resonador de anillo de silicio integrado y la posterior interferencia de dos fotones de la p producidohotons en un interferómetro de Mach-Zehnder estrechamente integrado. Este documento describe los procedimientos esenciales para la preparación y caracterización de alto rendimiento y circuitos fotónicos cuánticos de silicio escalables.

Introduction

El silicio se muestra una gran promesa como una plataforma fotónica para el procesamiento de información cuántica 1, 2, 3, 4, 5. Uno de los componentes vitales de circuitos fotónicos cuánticos es la fuente de fotones. Fuentes de fotones de par se han desarrollado a partir de silicio en forma de resonadores de micro anillo realizado a través de un proceso no lineal de tercer orden, espontánea de cuatro ondas de mezcla (SFWM) 6, 7, 8. Estas fuentes son capaces de producir pares de fotones indistinguibles, que son ideales para experimentos que implican el entrelazamiento de fotones 9.

Es importante tener en cuenta que el anillo de fuentes de resonador pueden operar tanto con las agujas del reloj y la propagación en sentido antihorario, y los dos direcciones de propagación diferentes son genreunir independientes entre sí. Esto permite que un solo anillo funcione como dos fuentes. Cuando ópticamente bombeado desde ambas direcciones, estas fuentes generan el siguiente estado entrelazado:

ecuación 1

dónde La ecuación 2 y La ecuación 3 son los operadores de creación independientes para bi-fotones clockwise- y en sentido contrario, se propagan, respectivamente. Esta es una forma muy deseable de estado entrelazado conocido como un estado N00N (N = 2) 10.

Pasando este estado a través de un Mach-Zehnder on-chip (MZI) resulta en el estado:

La ecuación 4

Este estado oscila entre la máxima coincidencia y cero coincidencia en dos vecesla frecuencia de interferencia clásica en un MZI, doblando efectivamente la sensibilidad del interferómetro 10. A continuación, presentamos el procedimiento utilizado para probar una fuente de fotones integrada tal y dispositivo MZI.

Protocol

NOTA: Este protocolo supone que el chip fotónico ya se ha fabricado. El chip se describe aquí (que se muestra en la Figura 1A) fue fabricado en la instalación de la Universidad de Cornell nanoescala Ciencia y Tecnología utilizando técnicas de procesamiento estándar para los dispositivos fotónicos de silicio 11. Estos incluyen el uso de obleas de silicio sobre aislante (compuesta de una capa de silicio 220 nm de espesor, una capa de 3 m de dióxido de silicio, y un sustrato…

Representative Results

recuentos de fotones individuales de cada detector, así como los recuentos de coincidencia, se recogieron como la fase relativa entre los dos caminos estaba sintonizada. Los recuentos individuales (figura 5A) muestran el patrón de interferencia clásica de un MZI con visibilidades de 94,5 ± 1,6% y 94,9 ± 0,9%. Las mediciones de coincidencia (Figura 5B) muestran la interferencia cuántica del estado entrelazado, como es evidente por la oscilación al …

Discussion

Hay varios desafíos para el campo de la fotónica integrados superar a fin de que los sistemas complejos y escalables de dispositivos fotónicos a ser factible. Estos incluyen, pero no se limitan a: estrechas tolerancias de fabricación, aislamiento a partir de inestabilidades ambientales, y la minimización de todas las formas de pérdida. Hay pasos críticos en el protocolo anterior que ayudan a minimizar la pérdida de dispositivos fotónicos.

Uno de los requisitos más importantes en mi…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue realizado en parte en la nanoescala Ciencia y Tecnología Fondo para la Universidad de Cornell, un miembro de la Red de Infraestructura Nacional de Nanotecnología, que es apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia (Grant ECCS-1542081). Reconocemos el apoyo para este trabajo del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL). Este material está basado en trabajo apoyado en parte por la National Science Foundation con la adjudicación núm 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

  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).

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Citar este artigo
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).

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