Misura di interferenza quantistica in una fonte di silicio Anello Resonator Photon
Summary
Silicio chip fotonici hanno il potenziale di realizzare sistemi quantistici integrati complessi. Qui presentata è un metodo per preparare e testare un chip fotonico di silicio per misurazioni quantistiche.
Abstract
Silicio chip fotonici hanno il potenziale di realizzare complessi quantistica circuiti integrati di elaborazione dati, comprese le fonti di fotoni, manipolazione qubit, e rivelatori di singoli fotoni integrati. Qui, presentiamo gli aspetti chiave della preparazione e alla verifica un chip di silicio quantum fotonici con una sorgente di fotoni integrato e due fotoni interferometro. L'aspetto più importante di un circuito integrato quantistico è ridurre al minimo la perdita in modo che tutti i fotoni generati vengono rilevati con la massima fedeltà possibile. Qui, descriviamo come eseguire accoppiamento bordo bassa perdita utilizzando un ultra-alta fibra apertura numerica per adattarsi perfettamente alla modalità delle guide d'onda di silicio. Utilizzando una ricetta ottimizzata giunzione a fusione, la fibra Uhna è perfettamente interfacciato con una fibra monomodale standard. Questo accoppiamento a bassa perdita consente la misurazione della produzione di fotoni ad alta fedeltà in un risonatore anello silicio integrata e la successiva interferenza due fotoni del prodotto photons in un interferometro di Mach-Zehnder strettamente integrato. Questo documento descrive le procedure fondamentali per la preparazione e caratterizzazione di elevate prestazioni e circuiti fotonici quantistici silicio scalabili.
Introduction
Silicio mostra grande promessa come piattaforma fotonica per elaborazione quantistica 1, 2, 3, 4, 5. Uno dei componenti vitali di circuiti fotonici quantistica è la sorgente di fotoni. Fonti Photon-pair sono stati sviluppati dal silicio in forma di risonatori micro-anello realizzato tramite un processo non lineare del terzo ordine, spontaneo four-wave mixing (SFWM) 6, 7, 8. Queste fonti sono capaci di produrre coppie di fotoni indistinguibili, ideali per esperimenti fotone entanglement 9.
È importante notare che l'anello fonti risonatore possono operare sia in senso orario che antiorario di propagazione, e le due diverse direzioni di propagazione sono generadunare indipendenti l'uno dall'altro. Ciò consente a un singolo anello di funzionare come due fonti. Quando pompato otticamente da entrambe le direzioni, queste fonti generano il seguente stato entangled:
dove 
e 
sono gli operatori di creazione indipendenti per bi-fotoni clockwise- antiorario-moltiplicazione, rispettivamente. Questa è una forma molto desiderabile di stato di entanglement conosciuto come uno stato N00N (N = 2) 10.
Passando questo stato attraverso un on-chip Mach-Zehnder (MZI) si traduce nella condizione:
Questo stato oscilla tra il massimo e lo zero coincidenza coincidenza al doppiola frequenza di interferenza classica in un MZI, raddoppiando la sensibilità dell'interferometro 10. Qui, presentiamo la procedura utilizzata per verificare una tale fonte di fotoni integrato e dispositivo MZI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Esistono molteplici sfide per il campo della fotonica integrata da superare per sistemi complessi e scalabili di dispositivi fotonici essere fattibile. Questi includono, ma non sono limitati a: tolleranze di fabbricazione, stretto isolamento da instabilità ambientale e la minimizzazione di tutte le forme di perdita. Ci sono passaggi critici nel protocollo di cui sopra che aiutano a ridurre al minimo la perdita di dispositivi fotonici.
Uno dei requisiti più cruciale per minimizzare la perdi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato eseguito in parte su scala nanometrica Scienza e della Tecnologia Fondo Cornell University, membro della infrastruttura di rete National Nanotechnology, che è supportato dalla National Science Foundation (Grant ECCS-1.542.081). Riconosciamo il supporto per questo lavoro dalla Air Force Research Lab (AFRL). Questo materiale si basa su lavoro parzialmente supportato dalla National Science Foundation sotto Premio n 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).
