Mätning av Quantum Interference i Silicon ringresonator Photon Source
Summary
Silicon fotoniska marker har potential att realisera komplexa integrerade kvantsystem. Presenteras här är ett förfarande för framställning och testning av en kiselfotoniska chip för kvant mätningar.
Abstract
Kiselfotoniska marker har potential att realisera komplexa integrerade kvantinformationsbearbetningskretsar, inklusive fotonkällor, kvantbitens manipulation, och integrerade singelfotondetektorer. Här presenterar vi de viktigaste aspekterna för framställning och testning av en kiselfotoniska kvant chip med en integrerad fotonkälla och två-foton-interferometer. Den viktigaste aspekten av en integrerad kvant krets är att minimera förlust, så att alla de genererade fotoner detekteras med högsta möjliga trohet. Här beskriver vi hur man utför låga förluster kant koppling genom användning av en ultra-hög numerisk apertur fiber att nära matcha läget av kisel vågledarna. Genom användning av en optimerad svetsskarvning recept, är UHNA fibern sömlöst gränssnitt med en standard single-mode fiber. Denna låga förluster koppling tillåter mätningen av high-fidelity fotonproduktion i en integrerad kisel ringresonator och den efterföljande tvåfotons interferens av den producerade photons i ett nära integrerat Mach-Zehnder-interferometer. Detta dokument beskriver de väsentliga förfaranden för framställning och karakterisering av högpresterande och skalbara kiselkvantfotoniska kretsar.
Introduction
Kisel visar stort löfte som en fotonik plattform för kvantinformationsbehandling 1, 2, 3, 4, 5. En av de vitala komponenterna hos kvantfotoniska kretsar är fotonkälla. Photon-pair källor har utvecklats från kisel i form av mikro-ringresonatorer görs via tredjedel ordningens olinjär process, spontan fyrvågsblandning (SFWM) 6, 7, 8. Dessa källor är i stånd att producera par av oskiljbara fotoner, som är idealiska för försök med foton hoptrassling 9.
Det är viktigt att notera att ring resonator källor kan arbeta med både medurs och moturs förökning, och de två olika utbredningsriktningar genrally oberoende av varandra. Detta gör att en enda ring för att fungera som två källor. När optiskt pumpas från båda riktningarna, dessa källor generera följande intrasslad staten:
var 
och 
är de oberoende aktörer skapande för clockwise- och moturs-föröknings bi-fotoner, respektive. Detta är en mycket önskvärd form av hoptrasslade tillståndet känt som ett N00N tillstånd (N = 2) 10.
Passerar detta tillstånd genom en on-chip Mach-Zehnder-interferometer (MZI) resulterar i tillståndet:
Detta tillstånd oscillerar mellan maximal tillfällighet och noll tillfällighet vid två gångerfrekvensen av klassisk interferens i en MZI, fördubblar känsligheten hos interferometern 10. Här presenterar vi det förfarande som används för att testa ett sådant integrerat fotonkälla och MZI enhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det finns flera utmaningar för området integrerade fotonik att övervinna för att komplexa och skalbara system för fotoniska enheter att vara genomförbart. Dessa inkluderar, men är inte begränsade till: tight tillverkningstoleranser, isolering från miljö instabilitet, och minimering av alla former av förlust. Det finns viktiga steg i ovanstående protokoll som bidrar till att minimera förlusten av fotoniska komponenter.
En av de viktigaste kraven att minimera förlusten är nära …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet utfördes delvis vid Cornell University Nanoscale Science and Technology Facility, en medlem av National Nanotechnology Infrastructure Network, som stöds av National Science Foundation (Grant ECCS-1.542.081). Vi erkänner stöd för detta arbete från Air Force Research Lab (AFRL). Detta material är baserat på arbete delvis stöds av National Science Foundation enligt 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 |
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).
