Summary

Измерение квантовой интерференции в источнике кремния Кольцо Резонатор Photon

Published: April 04, 2017
doi:

Summary

Кремниевые фотонные чипы обладают потенциалом для реализации комплексных интегрированных квантовых систем. Представленные здесь способ получения и тестирование кремния фотонного чипа для квантовых измерений.

Abstract

Кремниевые фотонные чипы обладают потенциалом для реализации сложных комплексных квантовых схем обработки информации, в том числе источников фотонов, манипуляции кубита и интегрированных детекторов одиночных фотонов. Здесь мы представляем основные аспекты подготовки и тестирования кремния фотонных квантовый чип с интегрированным источником фотонов и двухфотонного интерферометра. Наиболее важный аспект интегрированной квантовой схемы минимизация потерь, так что все сгенерированные фотоны обнаруживаются с максимально возможной точностью. Здесь мы опишем, как выполнять с малыми потерями края сцепление с помощью ультра-высокой числовой апертурой волокна тесно соответствует режиму кремниевых волноводов. С помощью оптимизированного слитого рецепт сплайсинга, то Уна волокно легко сопрягается со стандартным одномодовым волокном. Эта связь с низкими потерями позволяет измерять производство фотонов высокой точности в интегрированном кремнии кольцевого резонатора и последующую двухфотонной интерференцию, полученный рhotons в тесно интегрированной Маха-Цандера интерферометра. В настоящем документе описываются основные процедуры подготовки и характеристики высокопроизводительных и масштабируемых кремниевых квантовых фотонных схем.

Introduction

Кремний показывает большие перспективы как фотоники платформа для обработки квантовой информации 1, 2, 3, 4, 5. Одним из важных компонентов квантовых фотонных схем является источником фотонов. Источники Фотон-пара были разработаны на основе кремния в виде микро-кольцевых резонаторов осуществляется через нелинейный процесс третьего порядка, спонтанное четырехволновое смешение (SFWM) 6, 7, 8. Эти источники способны производить пар неразличимых фотонов, которые идеально подходят для экспериментов с участием фотонов запутывания 9.

Важно отметить, что кольцо резонатора источники могут работать как с по часовой стрелке и распространения против часовой стрелки, и два различного направления распространения является геномсплотиться независимо друг от друга. Это позволяет одно кольцо, чтобы функционировать в качестве двух источников. При оптической накачке с обеих сторон, эти источники генерируют следующий запутанное состояние:

Уравнение 1

где Уравнение 2 а также Уравнение 3 являются независимыми операторами рождения clockwise- и против часовой стрелки, распространяющихся Бифотонов, соответственно. Это очень желательно форма запутанного состояния , известного как состояние N00N (N = 2) 10.

Проходя через это состояние на чипе Маха-Цендера (ИМЦ) приводит в состояние:

Уравнение 4

Это состояние колеблется между максимальным и нулевым совпадением совпадением в два разачастота классического вмешательства в ИМЦ, фактически удваивает чувствительность интерферометра 10. Здесь мы представляем процедуру, используемую для тестирования такого комплексного источника фотонов и ИМЦ устройства.

Protocol

Примечание: Этот протокол предполагает, что фотонный чип уже изготовлен. Чип , описанный здесь ( как показано на рисунке 1А) была изготовлена на установке Cornell University наноразмерной науки и технологии с использованием стандартных методов обработки для кремниевых фотонных устрой?…

Representative Results

Индивидуальные счетчики фотонов от каждого детектора, а также подсчетов совпадений, были собраны, как относительная фаза между двумя путями была настроена. Отдельные счетчики (рис 5а) показывают классическую интерференционную картину от ИЦЕВ с 94,5 ограниченн…

Discussion

Есть несколько проблем для области интегрированных фотоников преодолеть для того, чтобы сложных и масштабируемых систем фотонных устройств нецелесообразны. Они включают, но не ограничиваются ими: допуски изготовления жесткого, изоляции от окружающей среды, а также неустойчивостей м?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была выполнена частично в Cornell University наноразмерной науки и техники фонда, член инфраструктуры Национальной сети нанотехнологий, которая при поддержке Национального научного фонда (грант САОР-1542081). Мы признаем поддержку этой работы из исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL). Этот материал основан на работе, частично при поддержке Национального научного фонда под решением № 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

  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