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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Este trabalho foi realizado em parte na Ciência e Tecnologia nanoescala Facility Universidade de Cornell, um membro da Infraestrutura de Rede Nacional de Nanotecnologia, que é apoiado pela National Science Foundation (Grant ECCS-1542081). Nós reconhecemos o apoio para este trabalho do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL). Este material é baseado em trabalho parcialmente financiado pela National Science Foundation sob Award No. ECCS14052481.

NOTA: Este protocolo assume que o chip fotônico já foi fabricado. O chip descrito aqui (mostrados na Figura 1A) foi fabricado nas instalações de Cornell University nanoescala Science &amp; Technology utilizando técnicas de processamento de silício padrão para dispositivos fotónicas 11. Estes incluem a utilização de bolachas de silício sobre isolante (composto por uma camada de silício de 220 nm de espessura, uma camada de 3? M de dióxido de silício, e um substrato de silício de 525 um de espessura), a litografia por feixe de electrões para definir as guias de ondas de tira (500 nm de largura-), e a deposição de vapor químico melhorado por plasma do revestimento de dióxido de silício (~ 3 m de espessura). Os ressonadores de micro-anel foram concebidos com um raio interno de 18,5 um e uma diferença de guia de onda-a-anel de 150 nm. Figuras de mérito para este dispositivo incluem a perda, o factor de qualidade, faixa espectral livre, e de dispersão. 1. Photonic Chip Preparação <ol><li> Coloque uma pequena amount de cera em uma montagem de polimento transversal de seccionamento e aquecê-lo até ~ 130 ° C. NOTA: A quantidade de cera a ser utilizada depende do tamanho da amostra a ser montado. Deve haver suficiente cera para manter o chip imóvel, enquanto muito vai resultar em cera sobre as facetas de chips. </li><li> Colocar o chip fotónica na porção do polimento de montagem com a cera. Certifique-se de que a cera é derretida completamente para que o chip é plana contra o monte. Utilizar uma pinça de plástico durante o manuseamento do chip para evitar danificar as facetas. </li><li> Permitir que a montagem se arrefecer no ar ambiente de modo que as solidifica cera. Arrefecimento mais rápido do que isso pode resultar em danos para o chip. </li><li> Polir as facetas de chips. NOTA: É importante escolher o bloco de lapidação correta, começando com uma almofada que é muito agressivo pode resultar em polimento afastado mais do chip do que o desejado. <ol><li> Fixe o suporte de polimento para o polidor e polonês por apenas alguns segundos. Uma almofada com uma rugosidade de 3 mícrons tem mostrado serum bom ponto de partida para chips de silício com comprimentos faceta de ~ 1 cm. </li><li> Remova a montagem polimento e inspecionar a faceta chip para determinar como o nível do chip está montado. NOTA: Um microscópio é útil para medir a distância entre as extremidades das guias de ondas e a faceta do chip. Estas medidas permitem que seja o ângulo entre a faceta e a guia de onda para ser determinada. </li><li> Fazer os ajustes necessários para os micrômetros sobre o polidor, a fim de melhorar o nivelamento do chip. </li><li> Repetir os passos 1.4.1-1.4.3 até a faceta do chip e os guias de ondas estão dentro de 0,15 ° de ser ortogonais entre si. </li><li> Polonês o chip em passos de ~ 50? M, inspeccionar o chip entre cada passo de controlar a distância restante, até que haja ~ 100? M esquerda para polir. Se em qualquer ponto do revestimento parece ser delaminação da superfície, garantir que o bloco está a rodar, de modo a polonês a partir do topo do chip para o fundo. NOTA: Pode também ajudar a usar um lubrificante de polimento em vez de água. Este delaminação é um resultado de stress no revestimento e é uma indicação de que o processo de fabricação tem de ser optimizada. </li><li> Mudar a uma almofada de polimento 1-m e polonês até que haja ~ 20 um remanescente. </li><li> Mudar para um bloco de 0,5 mícrons e continuar polimento durante mais 15? M. </li><li> Utilizar uma almofada de 0,1 mícrons para o final 5? M para assegurar uma faceta suave. Imagens do microscópio da faceta de um chip de silício fotónica antes e após o polimento são mostrados na Figura 2. </li></ol></li><li> Aquece-se a montagem com o chip ligado a ~ 130 ° C, para permitir que a cera derreter. </li><li> Uma vez que a cera está completamente fundido, remover o chip do monte e deixá-lo arrefecer lentamente. </li><li> Limpar qualquer da cera remanescente a partir do chip usando acetona, isopropanol, e água. </li></ol> 2. Preparação de fibra Cachos <ol><li> Tira qualquer tampão ou revestimento from a extremidade de uma fibra monomodo (SMF) e rabo de porco a partir de uma extremidade de uma fibra ultra-elevada abertura numérica (Uhna). </li><li> Limpar as extremidades nuas das fibras com uma mistura de acetona e metanol. </li><li> Clivar as extremidades nuas de ambas as fibras com um cutelo de fibra comercial. </li><li> Fusão splice final clivado das fibras. Uma receita para o splicing SMF para fibra Uhna é mostrada na Tabela 1. </li><li> Deslize uma luva protetora sobre a emenda e colocá-lo no forno manga para anexá-lo permanentemente para a fibra. </li><li> Repita os passos de 2,1-2,5 para preparar um total de três fibras. </li></ol> 3. Configuração do Setup Testing NOTA: Um diagrama da configuração de teste é mostrado na Figura 1B. A montagem para o chip é um pedestal de cobre que se encontra em contacto com um refrigerador de termo-eléctrico (TCE). Há um microscópio equipado com ambos os (IR) câmaras visíveis e de infravermelhos para a visualização do chip fotónica. <ol><li> Lugar, colocaruma pequena quantidade de cera sobre o chip de montar e aplicar tensão ao TCE para fundir a cera. </li><li> Coloque o chip na cera derretida, garantindo que ele está sentado plana no monte. </li><li> Remover a tensão da TEC e permitir a montagem e chip para esfriar lentamente. </li><li> Anexar cada uma das fibras de splicing para uma fibra de v-ranhura com fita de poliimida e montar um único v-ranhura para cada uma das fases de 3 eixos utilizando o equipamento de montagem fornecido pelo fabricante. </li><li> acoplamento extremidade de fibra. <ol><li> Ligar os três fibras para os seus respectivos componentes: um para a saída óptica do laser e os outros dois para medidores de energia óptica. </li><li> Ajuste o microscópio para que ele está focado no chip, onde as guias de onda alcançar a borda. </li><li> Posicionar as fibras perto da borda chip de modo a que eles estão na visão da câmara visível e ajustar as suas alturas de modo a que o núcleo de cada fibra está em foco. </li><li> Ajustar a posição horizontal das fibras com o micromete fasers para que sejam alinhados com as guias de onda. </li><li> Ligar a saída óptica do laser e ajustar as posições horizontais e verticais micrómetro da fibra de entrada até que a luz é acoplamento na guia de onda. Isso irá aparecer na câmara de infravermelhos como dispersão ao longo do guia de onda de entrada. </li><li> Ajustar o comprimento de onda do laser para um ponto em que o ressonador micro-anel é iluminada na câmara. Isto indica que a condição de ressonância está sendo satisfeita e que a luz está atingindo as guias de onda de saída. </li><li> Ajustar as posições horizontais e verticais micrómetro das fibras de saída até que haja uma quantidade mensurável de luz que se estende desde os guias de ondas para os contadores de energia. </li><li> Maximizar a energia para ambos os detectores, manipulando as posições micrómetro horizontais e verticais das três fibras. </li><li> Além disso maximizar a energia para os detectores, fazendo ajustes finos para as posições horizontais e verticais de fibra usando o controll piezoers. </li><li> Com os controladores piezo para mover as fibras ligeiramente mais estreitas para o chip. Certifique-se não usar os micrômetros para empurrar as fibras no chip, pois isso provavelmente irá danificar as extremidades clivados das fibras. </li><li> Repita os passos 3.5.9 e 3.5.10 até que as fibras estejam firmemente pressionado contra os lados do chip. NOTA: luz dispersa em excesso a partir das guias de onda, juntamente com a guia de onda de transmissão pobre, pode ser uma indicação de defeitos de guia de onda. Estes podem incluir, mas não estão limitados a, locais de defeitos de material fronteiras, costura, e rugosidade da guia de onda excessiva. </li></ol></li><li> Colocar um controlador de polarização à base de fibras entre o laser e o chip. Isso permite um controle do estado de polarização que o torna ao chip. Os guias de onda, sendo mais larga do que eles são altos, ajuda a minimizar qualquer rotação de polarização on-chip. </li><li> Caracterização dispersão. <ol><li> Sintonize a polarização da saída do laser para maximizar o acoplamento<html> o chip. Este dispositivo foi concebido para-eléctrica transversal (TE) de polarização e, como tal, o (TM) de polarização transversal-magnético tem uma perda muito maior. </li><li> Digitalizar um laser sintonizável através da gama de comprimentos de onda de interesse (1.510 nm a 1600 nm, neste caso) e monitorizar os medidores de energia. Quaisquer sinais espúrios na espectros de transmissão são provavelmente devido a uma combinação do componente de TM dos efeitos de polarização e etalon de interface fibra-chip. </li><li> Localize os comprimentos de onda de ressonância no espectro e também extrair a largura de banda de cada ressonância. Este chip especial, teve larguras de banda tão pequenas quanto 65 horas, o que se traduz em fatores de qualidade (Q) de até 23.000. </li><li> Determinar a gama espectral livre (FSR), a separação entre ressonâncias, para cada par adjacente de ressonâncias. Este dispositivo em particular tinha uma FSR de ~ 5 nm. </li><li> Calcular o índice do grupo (n g) do modo guiado para cada valor da FSR usando a seguinte equação: n 5&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; onde λ é o comprimento de onda e o símbolo r representa o raio do dispositivo de ressonância de micro-anel. A equação acima é uma aproximação de primeira ordem do índice do grupo. </li><li> Usar a largura de banda de cada ressonância para determinar uma largura (? N g) associado com cada valor do índice do grupo. </li><li> Escolha os comprimentos de onda para os dois lasers de bomba tais que coincidam com ressonâncias no espectro e têm um número ímpar de ressonâncias entre eles (Figura 1C). </li><li> Determinar o comprimento de onda dos bi-fotões degenerados usando a seguinte equação: <img alt="equação 6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> onde λ bomba 1 e λ bomba 2 são os comprimentos de onda dos fotões da bomba. </li><li> Adicionar uma linha horizontal na trama de índice do grupo contra comprimento de onda que se estende entre os dois comprimentos de onda de bomba (figura 3). Se é possível para a line de se sentar no interior n g ± Δ n g em todos os três comprimentos de onda de interesse, simultaneamente, a condição de correspondência de fase é satisfeito e fotões pode ser gerado através SFWM. Se não for possível, tente escolher comprimentos de onda de bombas que estão mais próximos juntos e verifique novamente. </li></ol></li><li> Adicionar uma segunda fonte de laser sintonizável e controlador de polarização para a configuração e combinar as saídas ópticas de ambos os lasers com um combinador de fibra 1 x 2. </li><li> Adicionar uma série de filtros de entalhe de fibra óptica (suficiente deles atingir ~ 120 dB de atenuação) imediatamente antes de o chip. NOTA: Os filtros permitem que ambos os comprimentos de onda da bomba para passar, mas rejeitam o comprimento de onda bi-fóton. Eles ajudam a remover o excesso de ruído (isto é, de banda larga de difusão Raman na fibra óptica) antes do acoplamento ao chip. O espectro de filtro é mostrada na Figura 1B. </li><li> Adicionar uma série de filtros de banda-base de fibras (um número suficiente para atingir ~ 150 dB de atenuação)imediatamente após o chip. NOTA: Os filtros devem ser grande o suficiente para permitir que os bi-fótons para passar, mas estreito o suficiente para rejeitar os fótons da bomba. Dois conjuntos de estes são necessários, um conjunto para cada saída. O espectro de filtro é mostrada na Figura 1B. </li><li> Enviar os fótons rejeitados de cada conjunto de filtros para separar medidores de energia. NOTA: Estes medidores de energia são usados ​​para monitorar o acoplamento óptico para o chip e também pode ser usado para determinar se os lasers da bomba são remanescentes na ressonância. </li><li> Ligue a saída óptico individual a partir de cada conjunto de filtros a partir de fibras para um único detector de fotões (SPD) e ligue as duas saídas de sinais eléctricos a partir dos DUP para um dispositivo de correlação coincidência. </li><li> Atravessar um par de sondas de tungsténio e definir as pontas para baixo sobre uma das pernas em espiral (~ 1 mm de comprimento) do MZI. </li><li> Ligar uma fonte de alimentação para as duas sondas cruzadas de tal modo que geram calor quando a tensão é aplicada. Isto irá actuar como fase-shifter para tele MZI. NOTA: Veja a discussão para uma descrição do método mais padronizado para a sintonia térmica de dispositivos fotônicos. </li></ol> 4. Medição de dois fótons Interferência <ol><li> Tune ambos os lasers bomba para os comprimentos de onda escolhidos. Use os medidores de energia que estão monitorando os fótons bomba rejeitados para garantir que ambos os lasers são ajustados para as ressonâncias. Quando os lasers são devidamente sintonizado para as ressonâncias desejados, o sinal de rejeitado a partir do filtro pode ser maximizada. </li><li> Definir a potência óptica de cada laser para -3 dBm. NOTA: Isto irá resultar em &lt;100 mW no chip. É importante manter a potência da bomba esta baixa, a fim de minimizar a perda de (a partir de absorção de multi-fotão e isento de transportador de absorção) e manter a estabilidade (por minimizar mudanças térmicas induzidas pela luz). junções PN pode ser usado para remover os transportadores de guia de onda para melhor acomodar potências mais altas de bomba. </li><li> Monitorar as contagens de coincidência (Sincronizaçãonous individuais através de duas portas) por integração ao longo de ~ 220 ps sobre o pico dos dados. Um tempo de integração suficientes quando passou um mínimo de 100 contagens de coincidência foram recolhidos. Nota: A janela de integração deve ser grande o suficiente para dar conta da oscilação temporal dos DOCUP. </li><li> Definir a fonte de alimentação para a fase-shifter para a tensão inicial (por exemplo, 0 V). </li><li> Digitalizar um dos lasers ajustáveis ​​em toda a faixa de comprimento de onda e usar os medidores de energia que estão coletando os fótons bomba rejeitados para confirmar a localização das ressonâncias de interesse. Definir os lasers de bomba para os comprimentos de onda correspondentes às ressonâncias desejados. Nota: É importante para completar este passo a cada vez que a tensão shifter fase é alterado conforme a sintonia térmica pode resultar em pequenas mudanças nos comprimentos de onda ressonante. </li><li> Recolher os dados resultantes (contagem de fot ico, bem como as contagens de coincidência) a partir do dispositivo de correlação para a coincidência previamente escolhidotempo de integração. Aqui, um tempo de integração de 90 s foi escolhido com uma resolução de temporização de 32 ps. </li><li> Aumentar a tensão aplicada à fase-shifter por 5 mV. </li><li> Repita os passos 4,4-4,6 até que os dados foram recolhidos para a gama desejada de tensões. NOTA: A tensão máxima foi limitada a 2,4 V, devido à rápida degradação das sondas acima esta tensão. </li><li> Integrar os picos de coincidência para cada voltagem da fonte de alimentação ao longo de ~ 220 ps para determinar o número total de coincidências (Figura 4). </li><li> Integrar mais de 320 ns longe do pico de coincidência para se obter as coincidências acidentais. Use este resultado para calcular o número de acidentes no pico coincidência. </li><li> Coloque os solteiros contagens de cada detector com a seguinte função de seno modificada: <img alt="equação 7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> onde A, B, C, D, E, e F são os parâmetros de ajuste. Este ajuste é necessário devido ao relationsh não-linearIP entre a tensão e a mudança térmica induzida (fase relativa). </li><li> Converter a variável independente a fase relativa para todos os três conjuntos de dados (as contagens individuais de cada detector e as contagens de coincidência) com a seguinte equação: <img alt="equação 8" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> em que B, C, D, e E são os parâmetros de ajuste do passo 4.11. Esta conversão é possível devido à função de transferência sinusoidal bem conhecido de um MZI 12. </li><li> Ajustar os dados de coincidência (com a fase relativa como a variável independente) com a seguinte função de seno: <img alt="equação 9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> em que A e B são os parâmetros de ajuste. </li><li> Calcular a visibilidade de cada padrão de interferência com a seguinte equação: <img alt="equação 10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> onde ƒ (θ) max e ƒ ( <em&gt; θ) min são os valores máximos e mínimos de ƒ (θ), respectivamente. A visibilidade de 1 corresponde a um padrão de interferência perfeito. </li></ol>

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Não temos nada a divulgar.

Há vários desafios para o campo da fotônica integrada para superar a fim de que sistemas complexos e escaláveis ​​de dispositivos fotônicos para ser viável. Estes incluem, mas não estão limitados a: tolerâncias apertadas de fabricação, o isolamento de instabilidades ambientais e minimização de todas as formas de perda. Não há passos críticos no protocolo anteriormente referido, que ajudam a minimizar a perda de dispositivos fotónicas. Um dos requisitos mais importantes p...

Silicon está mostrando uma grande promessa como uma plataforma de fotônica para o processamento de informação quântica 1, 2, 3, 4, 5. Um dos componentes vitais de circuitos fotônicos quântica é a fonte de fótons. Fontes de fotões de par têm sido desenvolvidos a partir de silício sob a forma de ressoadores de micro-anel feito através de um processo não-linear de terceira ordem, espontânea de mistura de quatro ondas (SFWM) 6, 7, 8. Essas fontes são capazes de produzir pares de fotões indistinguíveis, que são ideais para experiências que envolvem fotão emaranhamento 9. É importante notar que o anel de fontes ressonador pode operar com tanto no sentido horário e anti-horário de propagação, e as duas direcções de propagação diferentes são genereunir independentes um do outro. Isto permite um único anel de funcionar como duas fontes. Quando bombeamento óptico de ambas as direções, estas fontes gerar o seguinte estado emaranhado: <img alt="equação 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> Onde <img alt="equação 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> e <img alt="equação 3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> são os operadores de criação independentes para bi-fótons clockwise- e anti-propagação, respectivamente. Esta é uma forma muito conveniente de estado entrelaçado conhecido como um estado N00N (N = 2) 10. Passando este estado através de um interferómetro no chip de Mach-Zehnder (MZI) resulta no estado: <img alt="equação 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> Este estado oscila entre máxima coincidência e de zero a duas vezes coincidênciaa frequência de interferência clássica num MZI, dobrando a sensibilidade do interferómetro 10. Aqui, apresentamos o procedimento utilizado para testar uma fonte de fótons integrado tal 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

Silicon chips fotônicos têm o potencial para realizar circuitos quânticos integrados complexos de processamento de informações, incluindo fontes de fótons, manipulação qubit, e detectores de fóton único integrados. Aqui, apresentamos os principais aspectos da preparar e testar um chip quântico fotônico de silício com uma fonte de fótons integrada e interferômetro de dois fótons. O aspecto mais importante de um circuito integrado quântica é minimizar a perda de modo a que todos os fotões gerados são detectados com a maior fidelidade possível. Aqui, nós descrevemos como realizar o acoplamento extremidade de baixa perda, utilizando uma fibra de ultra-elevada abertura numérica para combinar de perto o modo das guias de ondas de silício. Ao utilizar uma receita de emenda de fusão optimizado, a fibra é perfeitamente Uhna em interface com uma fibra de modo único padrão. Este acoplamento de baixa perda permite a medição de produção de fotões de alta fidelidade num ressoador de silício anel integrado e a subsequente interferência de dois fotões do p produzidohotons em um interferômetro de Mach-Zehnder estreitamente integradas. Este artigo descreve os procedimentos essenciais para a preparação e caracterização de alto desempenho e quânticos silício circuitos fotónicas escaláveis.

contagem de fotões individuais de cada detector, bem como as contagens de coincidência, foram recolhidos como a fase relativa entre os dois caminhos foi sintonizado. As contagens individuais (Figura 5a) mostram o padrão de interferência clássica a partir de um MZI com visibilidades de 94,5 ± 1,6% e 94,9 ± 0,9%. As medições de coincidência (Figura 5B) mostram a interferência quântica do estado entrelaçado, como é evidente pela oscilação co...

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Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon chips fotônicos têm o potencial para realizar complexos sistemas quânticos integrados. Apresentada aqui é um método para preparar e testar um chip de silício fotónica para medições quânticas.

Medição de Interferência Quântica em uma fonte de silício anel ressonador Photon

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

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Vídeo: Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

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.

Fabricação de Sílica Ultra microresonators alto fator de qualidade

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

Engenharia

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).

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

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.

Microwave Systems Fotônica Baseado Ressonadores-gallery de modo 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.

Implementação de um interferômetro de Referência para 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 Estadual de Engenharia de Luz com onda contínua Optical Parametric osciladores

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.

Fabricação e Teste de microfluídicos optomechanical osciladores

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.

Silicon Metal-Óxido-semiconductor Quantum Dots para bombear-elétron único

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.

-Ressonância Quasi alta resolução Phonon assistida espectroscopia de fluorescência

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.

Fabricação e caracterização de supercondutores Resonators

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.

Geração e controle coerente de pentes de frequência pulsada Quantum

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