Name: measurement of quantum interference in a silicon ring resonator photon source
Uploaded: 2017-04-04T10:30:00.000+00:00
Duration: 12 min 19 s
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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.

NOTA: Questo protocollo presuppone che il chip fotonico è già stato fabbricato. Il chip qui descritto (Figura 1A) è stato fabbricato presso l&#39;impianto di Cornell University NanoScale Science &amp; Technology, utilizzando procedimenti standard per dispositivi fotonici al silicio 11. Questi includono l&#39;uso di wafer di silicio su isolante (composto da uno strato di silicio 220 nm di spessore, uno strato 3 um di biossido di silicio, e un substrato di silicio 525 um di spessore), litografia a fascio elettronico per definire le guide d&#39;onda striscia (500 nm-wide), e la deposizione chimica da fase vapore al plasma-enhanced del rivestimento di biossido di silicio (~ 3 um di spessore). I risonatori micro-ring sono stati progettati con un raggio interno di 18,5 um e una guida d&#39;onda gap-to-anello di 150 nm. Figure di merito per questo dispositivo includono perdita, fattore di qualità, gamma spettrale libero, e la dispersione. 1. Photonic Chip Preparazione <ol><li> Mettere una piccola Amount di cera su un supporto di lucidatura cross-sezionamento e riscaldare a ~ 130 ° C. NOTA: La quantità di cera da utilizzare dipende dalla dimensione del campione è montato. Ci deve essere abbastanza cera per mantenere il chip immobile, mentre troppo si tradurrà in cera sui sfaccettature di chip. </li><li> Posizionare il chip fotonico sulla porzione di lucidatura montare con la cera. Assicurarsi che la cera si scioglie completamente in modo che il chip è piatta contro il monte. Utilizzare pinzette di plastica durante la manipolazione del chip per evitare di danneggiare le sfaccettature. </li><li> Lasciare la montatura raffreddare nell&#39;aria ambiente che la cera si solidifica. Raffreddamento più veloce di questo può causare danni al chip. </li><li> Lucidare le sfaccettature di chip. NOTA: È importante scegliere il riquadro lappatura preciso iniziano con un pad che è troppo aggressivo può provocare lucidatura via più del chip di quanto desiderato. <ol><li> Fissare il supporto per lucidatura per la lucidatrice e lucidare solo per pochi secondi. Un pad con una rugosità 3 um ha dimostrato di essereun buon punto di partenza per i chip di silicio con lunghezze faccette di ~ 1 cm. </li><li> Rimuovere il supporto di lucidatura e controllare la sfaccettatura chip per determinare come livello il chip è montato. NOTA: Un microscopio è utile per misurare la distanza tra le estremità delle guide d&#39;onda e l&#39;aspetto del chip. Tali misurazioni consentono l&#39;angolo tra la faccetta e la guida d&#39;onda da determinare. </li><li> Apportare le necessarie modifiche ai micrometri sulla lucidatrice al fine di migliorare il livellamento del chip. </li><li> Ripetere i passaggi 1.4.1-1.4.3 finché la sfaccettatura del chip e le guide d&#39;onda sono a 0,15 ° di essere ortogonali tra loro. </li><li> Lucidare il chip a passi di ~ 50 um, ispezionando il chip tra ogni passaggio per monitorare la distanza rimanente, fino a quando c&#39;è ~ 100 micron lasciato per lucidare. Se in qualsiasi momento il rivestimento sembra essere delaminazione dalla superficie, assicurarsi che il pad è in rotazione in modo da lucidare dalla parte superiore della piastrina verso il basso. NOTA: Esso può anche aiutare ad utilizzare un lubrificante lucidatura al posto dell&#39;acqua. Questo delaminazione è un risultato di stress nel rivestimento ed è un&#39;indicazione che il processo di fabbricazione deve essere ottimizzato. </li><li> Passare a un pad sciabordio 1 micron e lucidare finché c&#39;è ~ 20 um rimanente. </li><li> Cambiare a un pad di 0,5 micron e continuare lucidatura per un altro 15 micron. </li><li> Utilizzare un tampone 0,1 um per la final 5 um a garantire un aspetto liscio. Immagini al microscopio della sfaccettatura di un chip di silicio fotonico prima e dopo la lucidatura sono mostrati nella Figura 2. </li></ol></li><li> Riscaldare il supporto con il chip allegato a ~ 130 ° C per permettere la cera a sciogliersi. </li><li> Una volta che la cera è completamente sciolto, rimuovere il chip dal supporto e lasciarla raffreddare lentamente. </li><li> Pulire qualsiasi della cera rimanente dal chip con acetone, isopropanolo e acqua. </li></ol> 2. Preparazione di fibra Codini <ol><li> Striscia qualsiasi tampone o rivestimento from fine di una fibra monomodale (SMF) codino e da un&#39;estremità di una fibra ultra-alta apertura numerica (Uhna). </li><li> Pulire le estremità nude delle fibre con una miscela di acetone e metanolo. </li><li> Cleave le estremità nude dei due fibre con una mannaia fibra commerciale. </li><li> Giuntura di fusione fine spaccati delle fibre. Una ricetta per la giunzione di SMF alla fibra Uhna è mostrato in Tabella 1. </li><li> Scorrere un manicotto protettivo sulla giunzione e posizionarlo nel forno manicotto per fissare definitivamente alla fibra. </li><li> Ripetere i passaggi 2.1-2.5 per preparare un totale di tre fibre. </li></ol> 3. Configurazione del Setup Testing NOTA: Un diagramma della configurazione di test è mostrato nella Figura 1B. La montatura per il chip è un piedistallo di rame che è in contatto con un dispositivo di raffreddamento termoelettrico (TEC). C&#39;è un microscopio dotato di entrambe le telecamere visibile e dell&#39;infrarosso (IR) per la visualizzazione del chip fotonico. <ol><li> Postouna piccola quantità di cera sul chip montare e applicare tensione al TCE per sciogliere la cera. </li><li> Posizionare il chip sulla cera fusa, assicurando che è seduto piatta sul monte. </li><li> Rimuovere la tensione dal TCE e consentire il montaggio e il chip raffreddare lentamente. </li><li> Collegare ciascuna delle fibre giuntate per una fibra scanalatura a V con nastro poliimmide e montare una singola scanalatura a V per ciascuna delle fasi 3 assi usando il materiale di montaggio fornito dal produttore. </li><li> accoppiamento bordo fibra. <ol><li> Collegare i tre fibre ai rispettivi componenti: uno per l&#39;uscita ottica del laser e gli altri due misuratori di potenza ottica. </li><li> Regolare il microscopio in modo che esso si concentra sul chip in cui le guide d&#39;onda raggiungono il bordo. </li><li> Posizionare le fibre vicine al bordo chip in modo che siano in vista della telecamera visibile e regolare la loro altezza in modo che il nucleo di ciascuna fibra è a fuoco. </li><li> Regolare il posizionamento orizzontale delle fibre con la fase micrometers in modo che siano allineati con le guide d&#39;onda. </li><li> Attivare l&#39;uscita ottica del laser e ottimizzare le posizioni micrometro orizzontali e verticali della fibra d&#39;ingresso finché la luce è l&#39;impiego nella guida d&#39;onda. Questo apparirà sulla telecamera a infrarossi come dispersione lungo la guida d&#39;onda d&#39;ingresso. </li><li> Sintonizzare la lunghezza d&#39;onda del laser ad un punto in cui il risonatore micro-ring è illuminato sulla fotocamera. Ciò indica che la condizione di risonanza sia soddisfatto e che la luce raggiunge le guide d&#39;onda di uscita. </li><li> Regolare le posizioni micrometro orizzontali e verticali delle fibre in uscita finché v&#39;è una quantità misurabile di luce si estende dalle guide d&#39;onda ai misuratori di potenza. </li><li> Massimizzare la potenza di entrambi i rilevatori manipolando le posizioni micrometro orizzontali e verticali delle tre fibre. </li><li> Ulteriormente massimizzare la potenza ai rivelatori da regolare in modo preciso la posizione fibre orizzontali e verticali usando l&#39;controll piezoERS. </li><li> Utilizzare i controllori piezoelettrici per spostare le fibre leggermente più vicino al chip. Assicurarsi di non utilizzare i micrometri per spingere le fibre sul chip, in quanto così facendo si rischia di danneggiare le estremità spaccati delle fibre. </li><li> Ripetere i punti 3.5.9 e 3.5.10 finché le fibre siano saldamente premute contro i lati del chip. NOTA: luce diffusa eccessiva dalle guide d&#39;onda, accoppiato con trasmissione a guida d&#39;onda povero, può essere un&#39;indicazione di difetti guida d&#39;onda. Queste possono includere, ma non sono limitati a, i siti materiale difetto, i confini di cucitura, ed eccessiva rugosità guida d&#39;onda. </li></ol></li><li> Collocare un controllore di polarizzazione a base di fibre tra il laser e il chip. Ciò consente il controllo dello stato di polarizzazione che rende al chip. Le guide d&#39;onda, essendo più larghi che alti, aiuti minimizzata ogni rotazione su chip polarizzazione. </li><li> Caratterizzazione dispersione. <ol><li> Sintonizzare la polarizzazione dell&#39;uscita laser per massimizzare l&#39;accoppiamento<html> il chip. Questo dispositivo è stato progettato per trasversale-elettrico (TE) polarizzazione e, come tale, il (TM) polarizzazione trasversale magnetico ha una perdita molto superiore. </li><li> Scansione di un laser sintonizzabile nell&#39;intervallo di lunghezze d&#39;onda di interesse (1.510 nm a 1.600 nm, in questo caso) e monitorare i misuratori di potenza. Eventuali artefatti nel spettri di trasmissione sono probabilmente dovuti ad una combinazione della componente TM della polarizzazione e etalon effetti dall&#39;interfaccia fibra-chip. </li><li> Individuare le lunghezze d&#39;onda di risonanza nello spettro ed estrarre anche la larghezza di banda di ogni risonanza. Questo particolare chip ha larghezze di banda piccolo come 65 pm, che si traduce in fattori di qualità (Q) fino a 23.000. </li><li> Determinare l&#39;intervallo spettrale libera FSR (), la separazione tra risonanze, per ciascuna coppia adiacente di risonanze. Questo particolare dispositivo ha avuto un FSR di circa 5 nm. </li><li> Calcolare l&#39;indice del gruppo (n g) del modo guidato per ogni valore del FSR utilizzando la seguente equazione: n 5&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; dove λ è la lunghezza d&#39;onda ed r è il raggio del risonatore micro-ring. L&#39;equazione di cui sopra è un&#39;approssimazione del primo ordine dell&#39;indice gruppo. </li><li> Utilizzare la larghezza di banda di ciascun risonanza per determinare una larghezza (AN g) associata a ciascun valore dell&#39;indice gruppo. </li><li> Scegliere le lunghezze d&#39;onda dei due laser di pompa in modo tale da coincidere con risonanze nello spettro e hanno un numero dispari di risonanze tra loro (Figura 1C). </li><li> Determinare la lunghezza d&#39;onda dei fotoni degenerati bi-utilizzando la seguente equazione: <img alt="equazione 6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> dove λ pompa 1 e λ pompa 2 sono le lunghezze d&#39;onda dei fotoni pompa. </li><li> Aggiungere una linea orizzontale sul terreno di indice di gruppo rispetto a lunghezza d&#39;onda che si estende tra le due lunghezze d&#39;onda di pompa (Figura 3). Se è possibile per la line per facente n g ± Δ n g a tutti e tre lunghezze d&#39;onda di interesse simultaneamente, la condizione di fase-matching è soddisfatto e fotoni può essere generato tramite SFWM. Se non è possibile, provare a scegliere le lunghezze d&#39;onda di pompaggio che sono più vicini e prova di nuovo. </li></ol></li><li> Aggiungere una seconda sorgente laser sintonizzabile e controllore di polarizzazione per la configurazione e combinare le uscite ottiche da entrambi i laser con una fibra combinatore 1 x 2. </li><li> Aggiungere una serie di filtri notch a base di fibre (abbastanza di loro raggiungere ~ 120 dB di attenuazione) immediatamente prima del chip. NOTA: I filtri permettono entrambe le lunghezze d&#39;onda della pompa di passare, ma rifiutano la lunghezza d&#39;onda bi-fotone. Essi contribuiscono a rimuovere l&#39;eccesso di rumore (cioè, banda larga scattering Raman nella fibra ottica) prima dell&#39;accoppiamento al chip. Lo spettro del filtro è mostrato nella Figura 1B. </li><li> Aggiungere una serie di filtri passa-banda a base di fibre (abbastanza di loro per ottenere ~ 150 dB di attenuazione)subito dopo il chip. NOTA: I filtri devono essere sufficientemente ampia per consentire ai bi-fotoni di passare, ma abbastanza stretto per respingere i fotoni della pompa. Sono necessarie due serie di questi, una serie per ogni uscita. Lo spettro del filtro è mostrato nella Figura 1B. </li><li> Invia i fotoni rifiutati da ogni set di filtri per separare misuratori di potenza. NOTA: Questi misuratori di potenza vengono utilizzati per monitorare l&#39;accoppiamento ottico al chip e possono anche essere utilizzati per determinare se i laser di pompa sono rimasti in risonanza. </li><li> Collegare l&#39;uscita ottica individuale per ciascun set di filtri in fibra per un singolo rilevatore di fotoni (SPD) e collegare entrambe le uscite elettriche dei segnali dai SPD ad un correlatore coincidenza. </li><li> Si attraversa una coppia di sonde di tungsteno e impostare le punte verso il basso su una delle gambe a spirale (~ 1 mm di lunghezza) della MZI. </li><li> Collegare un alimentatore a due sonde incrociate tale che generano calore quando viene applicata tensione. Questo fungerà sfasatore per donnaegli MZI. Nota: vedere la discussione per una descrizione del metodo più standardizzato per la messa a punto termica di dispositivi fotonici. </li></ol> 4. Misura a due fotoni Interferenza <ol><li> Tune sia dei laser di pompa alle lunghezze d&#39;onda scelte. Utilizzare i misuratori di potenza che controllano i fotoni pompa respinti per garantire che entrambi i laser sono sintonizzati per le risonanze. Quando i laser sono sintonizzata sulla risonanze desiderati, il segnale respinto dai filtri sarà massimizzata. </li><li> Impostare l&#39;uscita di potenza ottica da ogni laser a -3 dBm. NOTA: Questo si tradurrà in &lt;100 uW al chip. E &#39;importante mantenere la potenza della pompa questo basso per minimizzare la perdita (dall&#39;assorbimento multi-photon e carrier-free assorbimento) e mantenere la stabilità (minimizzando derive termiche indotti dalla luce). giunzioni PN possono essere utilizzati per rimuovere i vettori dalla guida d&#39;onda per accogliere meglio potenze superiori pompa. </li><li> Monitorare i conteggi di coincidenza (sincrosingoli nous attraverso due porte), integrando oltre ~ 220 ps circa il picco dei dati. Un tempo di integrazione sufficiente è passato, quando un minimo di 100 conteggi di coincidenza sono stati raccolti. Nota: La finestra di integrazione dovrebbe essere sufficientemente ampia per tenere conto del jitter tempistica degli SPD. </li><li> Impostare l&#39;alimentazione per lo sfasatore alla tensione iniziale (ad esempio, 0 V). </li><li> Scandire uno dei laser sintonizzabili sull&#39;intera gamma di lunghezze d&#39;onda e utilizzare i misuratori di potenza che stanno raccogliendo i fotoni pompa respinti per confermare la posizione delle risonanze di interesse. Impostare i laser di pompa verso le lunghezze d&#39;onda corrispondenti alle risonanze desiderati. Nota: E &#39;importante completare questo passaggio ogni volta che la tensione variatore di fase è cambiato come la messa a punto termica può portare a piccoli spostamenti nelle lunghezze d&#39;onda di risonanza. </li><li> Raccogliere i dati risultanti (i conteggi singoli fotoni, nonché i conteggi coincidenza) dal correlatore coincidenza per l&#39;precedentemente sceltotempo di integrazione. Qui, un tempo di integrazione di 90 s è stato scelto con una risoluzione temporale di 32 ps. </li><li> Aumentare la tensione applicata al sfasatore da 5 mV. </li><li> Ripetere i passaggi 4.4-4.6 finché i dati sono stati raccolti per l&#39;intervallo desiderato di tensioni. NOTA: La tensione massima era limitata a 2,4 V a causa del rapido degrado delle sonde sopra questa tensione. </li><li> Integrare i picchi di coincidenza per ciascuna tensione di alimentazione su ~ 220 ps per determinare il numero totale di coincidenze (Figura 4). </li><li> Integrare oltre 320 ns lontano dal picco coincidenza per ottenere le coincidenze accidentali. Utilizzare questo risultato per calcolare il numero di accidenti nel picco coincidenza. </li><li> Montare le singole conteggi da ciascun rivelatore con la seguente funzione sinusoidale modificata: <img alt="equazione 7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> dove A, B, C, D, E, e F sono i parametri adatti. Questa forma è necessario a causa della RAPPORTI non lineareIP tra la tensione e lo spostamento termico indotto (fase relativa). </li><li> Convertire la variabile indipendente di fase relativa per tutti e tre serie di dati (singoli conta da ciascun rivelatore ei conteggi coincidenza) con la seguente equazione: <img alt="equazione 8" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> dove B, C, D ed E sono i parametri adatti dal punto 4.11. Questa conversione è possibile grazie alla ben nota funzione di trasferimento sinusoidale di un MZI 12. </li><li> Adattare i dati di coincidenza (con la fase relativa come variabile indipendente) con la seguente funzione seno: <img alt="equazione 9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> dove A e B sono i parametri in forma. </li><li> Calcolare la visibilità di ogni modello di interferenza con la seguente equazione: <img alt="equazione 10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> dove ƒ (θ) max e ƒ ( <em&gt; θ) min sono i valori massimi e minimi di ƒ (θ), rispettivamente. Una visibilità di 1 corrisponde ad un modello di interferenza perfetto. </li></ol>

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Non abbiamo nulla da rivelare.

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...

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&#39;anello fonti risonatore possono operare sia in senso orario che antiorario di propagazione, e le due diverse direzioni di propagazione sono generadunare indipendenti l&#39;uno dall&#39;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: <img alt="equazione 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> dove <img alt="equazione 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> e <img alt="equazione 3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> 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: <img alt="equazione 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> Questo stato oscilla tra il massimo e lo zero coincidenza coincidenza al doppiola frequenza di interferenza classica in un MZI, raddoppiando la sensibilità dell&#39;interferometro 10. Qui, presentiamo la procedura utilizzata per verificare una tale fonte di fotoni integrato e dispositivo MZI.

<table><tbody><tr><td>3-Axis NanoMax Flexure Stage</td><td>Thorlabs</td><td>MAX312D</td><td>Precision 3-axis stages</td></tr><tr><td>Three-Hole Fiber Stripping Tool</td><td>Thorlabs</td><td>FTS4</td><td>buffer stripping tool</td></tr><tr><td>Three Channel Piezo Controller</td><td>Thorlabs</td><td>MDT693B</td><td>Piezo controllers for NanoMax stages</td></tr><tr><td>Fiber Polarization Controller</td><td>Thorlabs</td><td>FPC562</td><td>3-Paddle fiber-based polarization controller</td></tr><tr><td>Fiber Cleaver</td><td>Thorlabs</td><td>XL411</td><td>Fiber cleaver</td></tr><tr><td>Standard V-Groove Fiber Holder</td><td>Thorlabs</td><td>HFV001</td><td>standard v-groove mount</td></tr><tr><td>Tapered V-Groove Fiber Holder</td><td>Thorlabs</td><td>HFV002</td><td>tapered v-groove mount</td></tr><tr><td>Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage</td><td>Thorlabs</td><td>AMA011</td><td>right-angle bracket</td></tr><tr><td>50:50 Fiber Optic Coupler</td><td>Thorlabs</td><td>TW1550R5F1</td><td>50/50 combiner</td></tr><tr><td>Optical Fiber Fusion Splicer</td><td>Fujikura</td><td>FSM-40S</td><td>Fusion splicer</td></tr><tr><td>MultiPrep Polishing System - 8&quot;</td><td>Allied High Tech</td><td>15-2100</td><td>Chip polisher</td></tr><tr><td>GreenLube</td><td>Allied High Tech</td><td>90-209010</td><td>Polishing Lubricant</td></tr><tr><td>Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge</td><td>Allied High Tech</td><td>15-1010-RE</td><td>Polishing mount</td></tr><tr><td>Lightwave Measurement System</td><td>Keysight</td><td>8164B</td><td>Mainframe for tunable laser</td></tr><tr><td>Tunable Laser Source</td><td>Keysight</td><td>81606A</td><td>Tunable laser</td></tr><tr><td>Optical Power Sensor</td><td>Keysight</td><td>81634B</td><td>Power meter</td></tr><tr><td>NIR Single Photon Detector</td><td>ID Quantique</td><td>ID210</td><td>Single photon detectors</td></tr><tr><td>NIR Single Photon Detector</td><td>ID Quantique</td><td>ID230</td><td>Low noise, free-running single photon detectors</td></tr><tr><td>PicoHarp</td><td>PicoQuant</td><td>PicoHarp 300</td><td>Time-correlated single photon counting</td></tr><tr><td>WiDy SWIR InGaAs Camera</td><td>NIT</td><td>640U-S</td><td>IR Camera</td></tr><tr><td>WDM Bandpass Filter</td><td>JDS Uniphase</td><td>30055053-368-2.2</td><td>pump cleanup filters</td></tr><tr><td>WDM Bandpass Filter</td><td>JDS Uniphase</td><td>1011787-012</td><td>pump rejection filters</td></tr><tr><td>Ultra-High Numerical Aperture Fiber</td><td>Nufern</td><td>UHNA-7</td><td>high index fiber</td></tr><tr><td>Ultra Optical Single Mode Fiber</td><td>Corning</td><td>SMF-28</td><td>standard single mode fiber</td></tr></tbody></table>

measurement of quantum interference in a silicon ring resonator photon source

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&#39;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&#39;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.

Conteggi individuali fotoni da ciascun rivelatore, nonché i conteggi coincidenza, sono stati raccolti come fase relativa tra i due percorsi era sintonizzata. I singoli conteggi (Figura 5A) mostrano la configurazione di interferenza classica da un MZI con visibilità di 94,5 ± 1,6% e 94,9 ± 0,9%. Le misurazioni coincidenza (Figura 5B) mostrano l&#39;interferenza quantistica dello stato di entanglement, come è evidente dalla oscillazione a frequenza do...

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Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

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.

Misura di interferenza quantistica in una fonte di silicio Anello Resonator Photon

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

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8.3K Views.  Rochester Institute of Technology.  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. 

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Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

Fabbricazione di Microrisonatori silice Ultra High Quality Factor

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

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Ingegneria

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Fabbricazione e caratterizzazione di guide d&#39;onda fotoniche di cristallo di luce lenta e cavità

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

Microonde Photonics sistemi basati su risonatori-galleria-mode Whispering

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

Realizzazione di un interferometro di riferimento per Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states are indeed the resources for implementing various protocols, ranging from enhanced metrology to quantum communication and computing. A variety of devices can be used to generate non-classical states, such as single emitters, light-matter interfaces or non-linear systems3. We focus here on the use of a continuous-wave optical parametric oscillator3,4. This system is based on a non-linear &#967;2 crystal inserted inside an optical cavity and it is now well-known as a very efficient source of non-classical light, such as single-mode or two-mode squeezed vacuum depending on the crystal phase matching. 
Squeezed vacuum is a Gaussian state as its quadrature distributions follow a Gaussian statistics. However, it has been shown that number of protocols require non-Gaussian states5. Generating directly such states is a difficult task and would require strong &#967;3 non-linearities. Another procedure, probabilistic but heralded, consists in using a measurement-induced non-linearity via a conditional preparation technique operated on Gaussian states. Here, we detail this generation protocol for two non-Gaussian states, the single-photon state and a superposition of coherent states, using two differently phase-matched parametric oscillators as primary resources. This technique enables achievement of a high fidelity with the targeted state and generation of the state in a well-controlled spatiotemporal mode.

We describe the reliable generation of non-Gaussian states of traveling optical fields, including single-photon states and coherent state superpositions, using a conditional preparation method operated on the non-classical light emitted by optical parametric oscillators. Type-I and type-II phase-matched oscillators are considered and common procedures, such as the required frequency filtering or the high-efficiency quantum state characterization by homodyning, are detailed.

Quantum Ingegneria State of Light con onda continua Optical Parametric Oscillatori

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Fabbricazione e la sperimentazione di microfluidici optomechanical Oscillatori

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

Silicio metallico-ossido-semiconduttore Quantum Dots per singolo elettrone di pompaggio

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

Alta Risoluzione Phonon-assisted Quasi-risonanza spettroscopia di fluorescenza

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) for the detection of faint astrophysical signatures, as well as for quantum computing applications and materials characterization. In this paper, procedures are presented for the fabrication and characterization of thin-film superconducting microwave resonators. The fabrication methodology allows for the realization of superconducting transmission-line resonators with features on both sides of an atomically smooth single-crystal silicon dielectric. This work describes the procedure for the installation of resonator devices into a cryogenic microwave testbed and for cool-down below the superconducting transition temperature. The set-up of the cryogenic microwave testbed allows one to do careful measurements of the complex microwave transmission of these resonator devices, enabling the extraction of the properties of the superconducting lines and dielectric substrate (e.g., internal quality factors, loss and kinetic inductance fractions), which are important for device design and performance.

Superconducting microwave resonators are of interest for detection of light, quantum computing applications and materials characterization. This work presents a detailed procedure for fabrication and characterization of superconducting microwave resonator scattering parameters.

Fabbricazione e caratterizzazione di superconduttori risonatori

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Generation and Coherent Control of Pulsed Quantum Frequency Combs

We present a method for the generation and coherent manipulation of pulsed quantum frequency combs. Until now, methods of preparing high-dimensional states on-chip in a practical way have remained elusive due to the increasing complexity of the quantum circuitry needed to prepare and process such states. Here, we outline how high-dimensional, frequency-bin entangled, two-photon states can be generated at a stable, high generation rate by using a nested-cavity, actively mode-locked excitation of a nonlinear micro-cavity. This technique is used to produce pulsed quantum frequency combs. Moreover, we present how the quantum states can be coherently manipulated using standard telecommunications components such as programmable filters and electro-optic modulators. In particular, we show in detail how to accomplish state characterization measurements such as density matrix reconstruction, coincidence detection, and single photon spectrum determination. The presented methods form an accessible, reconfigurable, and scalable foundation for complex high-dimensional state preparation and manipulation protocols in the frequency domain.

A protocol is presented for the practical generation and coherent manipulation of high-dimensional frequency-bin entangled photon states using integrated micro-cavities and standard telecommunications components, respectively.

Generazione e controllo coerente di pettini di frequenza pulsata Quantum

We present a method for the generation and coherent manipulation of pulsed quantum frequency combs. Until now, methods of preparing high-dimensional ...