Diese Arbeit wurde teilweise an der Cornell University Nanoscale Science and Technology Einrichtung, ein Mitglied des Nationalen Nanotechnologie-Infrastruktur-Netzwerkes durchgeführt, die von der National Science Foundation (Grant-ECCS-1542081) unterstützt wird. Wir danken für die Unterstützung für diese Arbeit von der Air Force Research Lab (AFRL). Dieses Material beruht auf Arbeit teilweise von der National Science Foundation unter Auszeichnung Nr ECCS14052481 unterstützt.

HINWEIS: Dieses Protokoll geht davon aus, dass der photonischen Chip bereits hergestellt worden. Der Chip hier beschrieben (gezeigt in 1A) wurde 11 für Silizium photonische Bauelemente an der Cornell University Nanoscale Science &amp; Technology Einrichtung unter Verwendung von Standard - Verarbeitungstechniken hergestellt ist . Diese umfassen die Verwendung von Silizium-auf-Isolator-Wafer (bestehend aus einer 220 nm dicken Siliziumschicht, eine 3-um-Schicht aus Siliziumdioxid, und einem 525 um dicken Siliziumsubstrat), Elektronenstrahllithographie den Streifenwellenleiter zu definieren, (500 nm breite), und die Plasma-enhanced chemical vapor deposition des Siliziumdioxids Mantels (~ 3 &amp; mgr; m dick). Die Mikroringresonator wurden mit einem Innenradius von 18,5 &amp; mgr; m und einem Wellenleiter-zu-Ring-Abstand von 150 nm ausgelegt. Maßzahlen für dieses Gerät sind Verlust, Qualitätsfaktor, freien Spektralbereich und Dispersion. 1. Photonic Chip Vorbereitung <ol><li> Legen Sie eine kleine amount von Wachs auf einer Querschnittpolier Halterung und erhitzen Sie es auf ~ 130 ° C. HINWEIS: Die Menge des Wachses verwendet wird, hängt von der Größe der Probe angebracht ist. Es muss genügend Wachs sein, den Chip unbeweglich zu halten, während zu viel in Wachs auf dem Chip Facetten führen. </li><li> Platzieren Sie den photonischen Chip auf dem Teil der Polierhalterung mit dem Wachs. Stellen Sie sicher, dass das Wachs vollständig geschmolzen ist, so daß der Chip gegen die Halterung eben ist. Verwenden Sie Kunststoff-Pinzette, wenn der Chip Handhabung zu vermeiden, dass die Facetten zu beschädigen. </li><li> Lassen Sie die Halterung in der Umgebungsluft kühlen, so dass das Wachs erstarrt. Kühl schneller als dies kann zu Schäden an den Chip zur Folge hat. </li><li> Polieren der Chip Facetten. HINWEIS: Es ist wichtig, den richtigen Läppen Pad als Ausgang mit einem Pad zu wählen, die zu aggressiv ist beim Polieren entfernt mehr des Chips führen kann, als gewünscht. <ol><li> Bringen Sie montieren das Polieren der Poliermittel und Poliermittel für nur wenige Sekunden. Ein Polster mit einer 3-um-Rauhigkeit aufweist erwiesenein guter Ausgangspunkt für die Siliziumchips mit Facettenlängen von ca. 1 cm. </li><li> Entfernen Sie die Polier Halterung und den Chip Facette untersuchen, um zu bestimmen, wie Ebene der Chip montiert ist. HINWEIS: Ein Mikroskop ist nützlich, um den Abstand zwischen den Enden des Wellenleiters zu messen und der Facette des Chips. Diese Messungen erlauben die Winkel zwischen der Facette und dem Wellenleiter bestimmt werden. </li><li> Nehmen Sie die notwendigen Anpassungen der Mikrometern auf der Poliermaschine, um die Nivellierung des Chips zu verbessern. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1.4.1-1.4.3, bis die Facette des Chips und der Wellenleiter ist innerhalb von 0,15 ° von senkrecht zueinander zu sein. </li><li> Polish der Chip in Schritten von ~ 50 &amp; mgr; m, um den Chips zwischen jedem Schritt Inspizieren der Entfernung zu überwachen verbleibenden, bis es ~ 100 &amp; mgr; m ist links zu polieren. Wenn an irgendeinem Punkt des Mantel von der Oberfläche zu sein scheint Delaminieren, sicherzustellen, dass die Unterlage von der Oberseite des Chips nach unten, um zum Polieren rotiert. Hinweis: Es kann auch anstelle von Wasser einen Polier Schmiermittel verwenden helfen. Diese Delamination ist eine Folge der Spannung in der Verkleidung und ist ein Hinweis darauf, dass der Herstellungsprozess optimiert werden muss. </li><li> Wechsel zu einem 1-um-Läpp-Pad und zu polieren, bis verbleibende ~ 20 &amp; mgr; m. </li><li> Wechsel zu einem 0,5-um-Block und weiterhin für weitere 15 &amp; mgr; m poliert. </li><li> Verwenden, um einen 0,1-um-Pad für die letzten 5 um eine glatte Facette zu gewährleisten. Mikroskopbilder der Facette eines Silizium - photonischen Chip vor und nach dem Polieren sind in Abbildung 2 dargestellt. </li></ol></li><li> Beheizen die Halterung mit dem daran befestigten Chip auf ~ 130 ° C das Wachs zu ermöglichen, zu schmelzen. </li><li> Sobald das Wachs vollständig geschmolzen ist, Entfernen des Chips von der Halterung und erlauben es langsam abkühlen. </li><li> Reinigen jeden des verbleibenden Wachses aus dem Chip unter Verwendung von Aceton, Isopropanol, und Wasser. </li></ol> 2. Herstellung von Faser-Pigtails <ol><li> Abzustreifen beliebige Puffer oder Beschichtung from das Ende eines Single-Mode-Faser (SMF) pigtail und von einem Ende einer ultra-hohe numerische Apertur (Uhna) Faser. </li><li> Reinigung der blanken Enden der Fasern mit einem Gemisch aus Aceton und Methanol. </li><li> Spalten die blanken Enden der beiden Fasern mit einer handelsüblichen Faser-Spalter. </li><li> Schmelzspleiß das gespaltene Ende der Fasern. Ein Rezept für das Spleißen SMF Uhna Faser ist in Tabelle 1 gezeigt. </li><li> Schieben eine Schutzhülse über den Spleiß und es in der Hülse Ofen, um es permanent auf die Faser zu befestigen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2,1-2,5 insgesamt drei Fasern herzustellen. </li></ol> 3. Konfiguration des Test-Setup HINWEIS: Ein Diagramm des Testaufbaus ist in 1B gezeigt. Die Halterung für den Chip ist ein Kupfersockel, der mit einem thermoelektrischen Kühler (TEC) in Kontakt ist. Es ist ein Mikroskop mit Einbau sichtbaren und Infrarot (IR) Kameras für den photonischen Chip sehen. <ol><li> Orteine kleine Menge an Wachs auf der Chiphalterung und Spannung an den TEC anzuwenden um das Wachs zu schmelzen. </li><li> Platzieren des Chips auf dem geschmolzenen Wachs zu gewährleisten, dass er auf der Halterung flach sitzt. </li><li> Entfernen Sie die Spannung von der TEC und lassen Sie die Halterung und Chip langsam abkühlen. </li><li> Befestigen jeden der gespleißten Fasern zu einer Faser mit V-Nut mit Polyimidband und montieren einen einzelnen V-Nut zu jedem der 3-Achsen-Stufen der vom Hersteller gelieferten Montagehardware. </li><li> Faserkantenkopplung. <ol><li> Verbinden die drei Fasern in ihre jeweiligen Komponenten: ein mit dem optischen Ausgang des Lasers und den beiden anderen optischen Leistungsmesser. </li><li> Stellen Sie das Mikroskop, so dass es auf dem Chip ausgerichtet wird, wo der Wellenleiter den Rand erreichen. </li><li> Positionieren der Fasern nahe an der Chipkante, so dass sie in der Ansicht der Kamera sichtbar sind, und stellen ihre Höhen, so dass der Kern jeder Faser im Fokus ist. </li><li> Stellt die horizontale Positionierung der Fasern mit der Bühne micrometers, so dass sie mit den Wellenleitern aufgereiht. </li><li> Schalten Sie den optischen Ausgang des Lasers und stimmen die horizontalen und vertikalen Positionen der Mikrometer-Eingangsfaser, bis das Licht in den Wellenleiter koppelt. Dies wird auf der IR-Kamera als Streu entlang des Eingangswellenleiters angezeigt. </li><li> Abstimmung der Wellenlänge des Lasers bis zu einem Punkt, wo der Mikroringresonator ist auf der Kamera beleuchtet. Dies zeigt, dass die Resonanzbedingung erfüllt wird, und dass das Licht des Ausgangswellenleiter erreicht. </li><li> Einstellen der horizontalen und vertikalen Positionen der Mikrometer-Ausgangsfasern, bis eine messbare Menge an Licht von dem Wellenleiter zu den Leistungsmessern erstrecken. </li><li> Maximieren der Leistung an den beiden Detektoren durch die horizontalen und vertikalen Mikrometer Positionen der drei Fasern zu manipulieren. </li><li> Maximierung des Weiteren die Leistung zu den Detektoren durch die Feineinstellung der horizontalen und vertikalen Positionen Faser Herstellung des piezo controll Verwendungers. </li><li> Verwenden, um die piezo-Controller die Fasern etwas näher an den Chip zu bewegen. Achten Sie darauf, nicht den &amp; mgr; m zu verwenden, um die Fasern auf den Chip zu schieben, da dies wird die gespaltenen Ende der Fasern wahrscheinlich beschädigen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.5.9 und 3.5.10, bis die Fasern fest gegen die Seiten des Chips gedrückt werden. HINWEIS: Übermäßige gestreutes Licht von den Wellenleitern, gekoppelt mit einem schlechten Übertragungswellenleiter, kann ein Hinweis auf Wellenleiterdefekten sein. Diese können umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Material Defektstellen, Heften Grenzen, und eine übermäßige Rauhigkeit Wellenleiter. </li></ol></li><li> Legen Sie eine Faserbasis-Polarisationssteuerung zwischen dem Laser und dem Chip. Dies ermöglicht eine Steuerung des Polarisationszustands, die es mit dem Chip macht. Der Wellenleiter, breiter als sie hoch mit Hilfe bei der Minimierung jede On-Chip-Polarisationsdrehung. </li><li> Dispersion Charakterisierung. <ol><li> Tune die Polarisation der Laserausgangsleistung zu maximieren, um die Kupplung zu<html> der Chip. Diese Vorrichtung wurde für die Querelektrischen (TE) Polarisation entworfen und als solche die transversale magnetische (TM) Polarisation einen wesentlich höheren Verlust hat. </li><li> Scannen einen abstimmbaren Laser über den Wellenlängenbereich von Interesse (1.510 nm bis 1.600 nm in diesem Fall) und das Leistungsmesser überwachen. Alle Artefakte in den Transmissionsspektren sind wahrscheinlich durch eine Kombination der TM-Komponente der Polarisation und die Etalon-Effekte aus dem Faser-Chip-Schnittstelle. </li><li> Finde die Resonanzwellenlängen in dem Spektrum und extrahiert auch die Bandbreite jeder Resonanz. Dieser besondere Chip hatte Bandbreite so klein wie 65 Uhr, die Qualitätsfaktoren (Q) von bis zu 23.000 übersetzt. </li><li> Bestimmt den freien Spektralbereich (FSR), die Trennung zwischen Resonanzen für jedes benachbartes Paar von Resonanzen. Das jeweilige Gerät hatte einen FSR von ~ 5 nm. </li><li> Berechnen der Gruppenindex (n g) der geführten Mode für jeden Wert des FSR Verwendung der folgenden Gleichung: n 5&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; wobei λ die Wellenlänge ist und r der Radius des Mikroringresonators. Die obige Gleichung ist eine Näherung erster Ordnung der Gruppenindex. </li><li> Verwenden , um die Bandbreite jeder Resonanz eine Breite (&amp; Delta; n g) mit jedem Wert des Gruppenindex zugeordnet ist, um zu bestimmen. </li><li> Wählen , um die Wellenlängen für die beiden Pumplaser , so dass sie mit Resonanzen im Spektrum und eine ungerade Anzahl von Resonanzen zwischen ihnen (1C) zusammenfallen. </li><li> Bestimmt die Wellenlänge der degenerierten bi-Photonen, die die folgende Gleichung verwendet wird: <img alt="Gleichung 6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> wobei λ 1 Pumpe und λ Pumpe 2 sind die Wellenlängen der Pumpphotonen. </li><li> Fügen Sie eine horizontale Linie auf dem Diagramm des Gruppenindex als Funktion der Wellenlänge , die zwischen den beiden Pumpwellenlängen (3) erstreckt. Wenn es möglich ist, für die line in n g sitzen ± Δ n g bei allen drei Wellenlängen von Interesse gleichzeitig die Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist , und Photonen über SFWM erzeugt werden. Wenn es nicht möglich ist, versuchen Pumpwellenlängen wählen, die näher beieinander sind und erneut prüfen. </li></ol></li><li> Hinzufügen eine zweite abstimmbaren Laserquelle und Polarisationssteuerung zum Einrichten und verbinden die optischen Ausgänge von beiden Lasern mit einem 1 x 2-Faser-Kombinierer. </li><li> Fügen Sie eine Reihe von faserbasierten Kerbfiltern (genug von ihnen erreichen ~ 120 dB Dämpfung) unmittelbar vor dem Chip. HINWEIS: Die Filter erlauben beiden Pumpwellenlängen, die bi-Photonenwellenlänge passieren jedoch abzulehnen. Sie helfen überschüssige Rauschen (dh breitbandige Raman - Streuung in der optischen Faser) zu entfernen , bevor mit dem Chip - Kopplung. Das Filter - Spektrum ist in Abbildung 1B gezeigt. </li><li> In einer Reihe von faserbasierten Bandfilter (genug, um von ihnen zu erreichen ~ 150 dB Dämpfung)unmittelbar nach dem Chip. HINWEIS: Die Filter sollten breit genug sein, die bi-Photonen passieren zu lassen, aber schmal genug, um die Pumpphotonen abzulehnen. Zwei Sätze von diesen benötigt werden, einen Satz für jeden Ausgang. Das Filter - Spektrum ist in Abbildung 1B gezeigt. </li><li> Senden Sie die abgelehnten Photonen aus jedem Satz von Filtern Stromzähler zu trennen. ANMERKUNG: Dieses Leistungsmesser verwendet werden, um die optische Kopplung mit dem Chip zu überwachen und auch bei Resonanz verbleibt, wenn der Pumplaser zu bestimmen, verwendet werden kann. </li><li> Verbinden den einzelnen optischen Ausgang aus jedem Satz von faserbasierten Filter zu einem einzelnen Photonendetektor (SPD) und verbinden die beiden elektrischen Signalausgänge von den Ableitern zu einem Koinzidenz-Korrelator. </li><li> Kreuz ein Paar von Wolfram-Sonden und setzen die Spitzen nach unten auf einer der Spiralschenkel (~ 1 mm in der Länge) des MZI. </li><li> Verbinden einer Stromversorgung für die beiden sich kreuzenden Sonden derart, dass sie Wärme erzeugen, wenn Spannung angelegt wird. Diese fungiert als Phasenschieber für ter MZI. HINWEIS: Siehe die Diskussion um eine Beschreibung des einheitlicheren Verfahrens zur thermischen Abstimmung von photonischen Bauelementen. </li></ol> 4. Messung Zwei-Photonen-Interferenz <ol><li> Tune sowohl der Pumplaser auf den ausgewählten Wellenlängen. Verwenden Sie die Stromzähler, die die beanstandete Pumpphotonen überwachen, um sicherzustellen, dass beide Laser auf die Resonanzen abgestimmt sind. Wenn der Laser richtig auf die gewünschten Resonanzen abgestimmt wird, wird das zurückgewiesene Signal von den Filtern maximiert werden. </li><li> Stellen Sie die optische Leistung, die von jedem Laser dBm bis -3. Hinweis: Dies wird dazu führen, &lt;100 &amp; mgr; W bei dem Chip. Es ist wichtig, die Pumpleistung dieses niedrig zu halten, um Verluste zu minimieren (von Multiphotonen-Absorption und Absorption freier Träger) und Stabilität aufrechterhalten (durch thermische Verschiebungen lichtinduzierten minimiert). PN-Übergänge können Träger verwendet werden, von dem Wellenleiter zu entfernen, um einen besseren höhere Pumpleistungen anzupassen. </li><li> Überwachen Sie die Koinzidenz Zählungen (Synchronous Singles über zwei Ports) durch Integration über ~ 220 ps über die Spitze der Daten. Eine ausreichende Integrationszeit verstrichen ist, wenn ein Minimum von 100 zufällig zählt gesammelt wurden. Hinweis: Die Integration Fenster breit genug sein sollten für den Timing-Jitter des EPPD zu berücksichtigen. </li><li> Stellen Sie die Stromversorgung für die Phasenschieber in die Ausgangsspannung (beispielsweise 0 V). </li><li> Scannen eines der abstimmbare Laser über den gesamten Wellenlängenbereich und mit den Stromzähler, der die zurückgewiesenen Pumpphotonen sammeln sich die Position der Resonanzen von Interesse zu bestätigen. Stellen Sie den Pumplaser für die Wellenlängen auf die gewünschten Resonanzen entsprechen. Hinweis: Es ist wichtig, diesen Schritt zu vollenden, jedes Mal der Phasenschieber Spannung als die thermische Abstimmung geändert wird, kann in kleinen Verschiebungen der Resonanzwellenlängen führen. </li><li> Sammelt die erhaltenen Daten (Einzelphotonenzählungen sowie die Koinzidenz counts) von der Koinzidenz Korrelator für die zuvor gewähltenIntegrationszeit. Hier wird eine Integrationszeit von 90 s wurde mit einer Zeitauflösung von 32 ps gewählt. </li><li> Erhöhen Sie die an den Phasenschieber von 5 mV angelegten Spannung. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,4-4,6, bis Daten für den gewünschten Spannungsbereich gesammelt worden ist. HINWEIS: Die maximale Spannung wurde über dieser Spannung auf 2,4 V aufgrund des schnellen Abbaus der Sonden begrenzt. </li><li> Integriert Die Koinzidenz Peaks für jede Energieversorgungsspannung über ~ 220 ps die Gesamtzahl der Übereinstimmungen (Figur 4) zu bestimmen. </li><li> Integrieren über 320 ns vom Zufall Spitze der zufälligen Koinzidenzen zu erhalten. Verwenden Sie dieses Ergebnis die Anzahl der Versetzungszeichen in der Koinzidenz Spitze zu berechnen. </li><li> Bringen Sie die Einzelzählungen von jedem Detektor mit der folgenden modifizierten Sinusfunktion: <img alt="Gleichung 7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> wobei A, B, C, D, E und F sind die Anpassungsparameter. Dieser Sitz ist notwendig aufgrund der nichtlinearen Relationship zwischen der Spannung und der induzierten thermischen Verschiebung (relative Phase). </li><li> Wandelt die unabhängigen Variable der relative Phase für alle drei Gruppen von Daten (die Singles zählen von jedem Detektor und der Koinzidenz counts) mit der folgenden Gleichung: <img alt="Gleichung 8" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> wobei B, C, D und E sind die Anpassungsparameter von Schritt 4.11. Diese Umwandlung ist möglich aufgrund der bekannten sinusförmigen Übertragungsfunktion eines MZI 12. </li><li> Bringen Sie die Koinzidenzdaten (mit der relativen Phase als unabhängige Variable) mit der folgenden Sinusfunktion: <img alt="Gleichung 9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> wobei A und B sind die Anpassungsparameter. </li><li> Berechnen Sie die Sichtbarkeit jedes Interferenzmuster mit der folgenden Gleichung: <img alt="Gleichung 10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> wobei ƒ (θ) max und ƒ ( <em&gt; θ) min die Maximal- und Minimalwerte von ƒ (θ) ist. Eine Sichtweite von 1 entspricht ein perfektes Interferenzmuster. </li></ol>

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	<li>Silverstone, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+quantum+interference+between+silicon+photon-pair+sources.">On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources.</a> Nat. Photon. 8 (2), 104-108 (2014).</li><li>Harris, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+Source+of+Spectrally+Filtered+Correlated+Photons+for+Large-Scale+Quantum+Photonic+Systems.">Integrated Source of Spectrally Filtered Correlated Photons for Large-Scale Quantum Photonic Systems.</a> Phys. Rev. X. 041047, 1-10 (2014).</li><li>Grassani, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micrometer-scale+integrated+silicon+source+of+time-energy+entangled+photons.">Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons.</a> Optica. 2 (2), 88 (2015).</li><li>Najafi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+Integration+of+Single-Photon+Detectors.">Scalable Integration of Single-Photon Detectors.</a> Nat. Commun. 6, 1-8 (2015).</li><li>Dutt, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Optical+Squeezing.">On-Chip Optical Squeezing.</a> Phys. Rev. Appl. 3 (4), 1-7 (2015).</li><li>Azzini, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-low+power+generation+of+twin+photons+in+a+compact+silicon+ring+resonator.">Ultra-low power generation of twin photons in a compact silicon ring resonator.</a> Opt. Express. 20 (21), 23100-23107 (2012).</li><li>Clemmen, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+wave+photon+pair+generation+in+silicon-on-insulator+waveguides+and+ring+resonators+erratum.">Continuous wave photon pair generation in silicon-on-insulator waveguides and ring resonators erratum.</a> Opt. Express. 17 (19), 16558 (2009).</li><li>Engin, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+pair+generation+in+a+silicon+micro-ring+resonator+with+reverse+bias+enhancement.">Photon pair generation in a silicon micro-ring resonator with reverse bias enhancement.</a> Opt. Express. 21 (23), 27826-27834 (2013).</li><li>Steidle, J. a., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+spectral+purity+silicon+ring+resonator+photon-pair+source.">High spectral purity silicon ring resonator photon-pair source.</a> Proc. of SPIE. 9500, 950015 (2015).</li><li>Preble, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Quantum+Interference+from+a+Single+Silicon+Ring-Resonator+Source.">On-Chip Quantum Interference from a Single Silicon Ring-Resonator Source.</a> Phys. Rev. Appl. 4, 021001 (2015).</li><li>Cao, L., Aboketaf, A. A., Preble, S. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CMOS+compatible+micro-oven+heater+for+efficient+thermal+control+of+silicon+photonic+devices.">CMOS compatible micro-oven heater for efficient thermal control of silicon photonic devices.</a> Opt. Commun. 305, 66-70 (2013).</li><li>Chrostowski, L., Hochberg, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Silicon Photonics Design. , (2013).</li></ol>

Wir haben nichts zu offenbaren.

Es gibt mehr Herausforderungen für das Gebiet der integrierten Photonik, um für komplexe und skalierbare Systeme von photonischen Bauelementen zu überwinden machbar zu sein. Diese umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: enge Fertigungstoleranzen, die Isolierung von Umwelt Instabilitäten und Minimierung aller Formen von Verlust. Es gibt kritische Schritte in dem obigen Protokoll, das den Verlust von photonischen Bauelementen minimieren helfen. Eine der wichtigsten Anforderungen in Verl...

Silizium ist vielversprechend als Photonik - Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung 1, 2, 3, 4, 5. Eine der wesentlichen Komponenten des Quanten photonischer Schaltungen ist die Photonenquelle. Photonenpaar - Quellen aus Silicium in Form von Mikroringresonator über einen dritte Ordnung nicht linearen Prozess, spontan Vierwellenmischung (SFWM) 6, 7, 8 entwickelt. Diese Quellen sind in der Lage Paare von Photonen ununterscheidbar produzieren, die für Experimente sind ideal die Photonen Verschränkung 9. Wichtig ist, dass Ringresonator Quellen mit beiden Ausbreitungs im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn betrieben werden kann festzustellen, und die beiden unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen Genvoneinander unabhängige scharen. Dies ermöglicht es ein einzelner Ring als zwei Quellen zu funktionieren. Als optisch von beiden Richtungen gepumpt wird, erzeugen diese Quellen den folgenden verschränkten Zustand: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> woher <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> und <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> ist der unabhängige Schöpfung Betreiber für clockwise- und bi-Photonen entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden, respectively. Dies ist eine sehr wünschenswerte Form von verschränkten Zustand bekannt als N00N Zustand (N = 2) 10. Passing diesen Zustand durch einen On-Chip-Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) führt in dem Zustand: <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> Dieser Zustand oszilliert zwischen maximaler Koinzidenz und Null Zufall bei zweimaldie Frequenz der klassischen Interferenz in einer MZI, verdoppelt effektiv die Empfindlichkeit des Interferometers 10. Hier stellen wir das Verfahren verwendet, eine solche integrierte Photonenquelle und MZI Gerät zu testen.

<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 photonischer Chips haben das Potenzial, komplexe integrierte Quanteninformationsverarbeitungsschaltungen zu realisieren, einschließlich Photonenquellen, Qubit Manipulation und integrierten Single-Photonen-Detektoren. Hier stellen wir die wichtigsten Aspekte der Herstellung und Testen eines photonischen Siliziumquanten Chip mit einer integrierten Photonenquelle und Zwei-Photonen-Interferometer. Der wichtigste Aspekt einer integrierten Quantenschaltung minimiert Verlust, so dass alle der erzeugten Photonen mit möglichst hohen Genauigkeit erfaßt werden. Hier beschreiben wir, wie verlustarme Rand Kopplung durchzuführen, indem eine ultrahohe numerische Apertur Faser unter Verwendung eng um den Modus des Siliziumwellenleiters übereinstimmen. Durch die Verwendung einer optimierten Fusionsspleißen Rezeptur wird die Faser Uhna nahtlos mit einer Standard-Einmoden-Faser angeschlossen. Das verlustarme Kopplung ermöglicht die Messung von High-Fidelity-Photonenproduktion in einem integrierten Silizium-Ringresonator und die anschließende Zweiphotonen-Interferenz des hergestellten photons in einem eng integrierten Mach-Zehnder-Interferometer. Dieser Beitrag beschreibt die wesentlichen Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von hochleistungsfähigen und skalierbaren Silizium-Quanten photonischer Schaltungen.

Einzelne Photonenzählungen von jedem Detektor, sowie die Koinzidenz Zählungen wurden als die relative Phase zwischen den zwei Pfaden abgestimmt wurde gesammelt. Die einzelne Zählungen (5A) zeigen das klassische Interferenzmuster aus einer MZI mit visibilities von 94,5 ± 1,6% bzw. 94,9 ± 0,9%. Die Koinzidenz - Messungen (5B) , um die Quanten - Interferenz des verschränkten Zustand zeigen, wie sie durch die Schwingung mit der doppelten Frequenz des k...

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Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonischer Chips haben das Potenzial, komplexe integrierte Quantensysteme zu realisieren. Vorgestellt ist hier ein Verfahren zur Herstellung und Prüfung eines Silizium-photonischen Chips für Quantenmessungen.

Die Messung der Quantum Interference in einem Silizium-Ring-Resonator Photon Source

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

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

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Engineering

8.3K Aufrufe.  Rochester Institute of Technology.  Silicon photonischer Chips haben das Potenzial, komplexe integrierte Quantensysteme zu realisieren. Vorgestellt ist hier ein Verfahren zur Herstellung und Prüfung eines Silizium-photonischen Chips für Quantenmessungen. 

Serie: 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.

Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

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

Forschung

Ingenieurwesen

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).

Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

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.

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

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.

Implementierung eines Referenz-Interferometer für 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.

Staatliche Ingenieur Quantum of Light mit Dauerwellen-Optische parametrische Oszillatoren

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.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

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.

Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunkte für Einzelelektronen Pumping

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.

Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

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.

Herstellung und Charakterisierung von Superconducting 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.

Generation und kohärente Steuerung der gepulsten Quantum Frequenzkämmen

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