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 trabajo fue realizado en parte en la nanoescala Ciencia y Tecnología Fondo para la Universidad de Cornell, un miembro de la Red de Infraestructura Nacional de Nanotecnología, que es apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia (Grant ECCS-1542081). Reconocemos el apoyo para este trabajo del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL). Este material está basado en trabajo apoyado en parte por la National Science Foundation con la adjudicación núm ECCS14052481.

NOTA: Este protocolo supone que el chip fotónico ya se ha fabricado. El chip se describe aquí (que se muestra en la Figura 1A) fue fabricado en la instalación de la Universidad de Cornell nanoescala Ciencia y Tecnología utilizando técnicas de procesamiento estándar para los dispositivos fotónicos de silicio 11. Estos incluyen el uso de obleas de silicio sobre aislante (compuesta de una capa de silicio 220 nm de espesor, una capa de 3 m de dióxido de silicio, y un sustrato de silicio 525 micras de espesor), la litografía por haz de electrones para definir las guías de ondas de tira (500-nm de ancho), y la deposición química de vapor mejorada por plasma del revestimiento de dióxido de silicio (~ 3 micras de espesor). Los resonadores de micro anillo fueron diseñados con un radio interno de 18,5 micras y un hueco-guía de ondas a anillo de 150 nm. Figuras de mérito para este dispositivo incluyen la pérdida, factor de calidad, el rango espectral libre, y la dispersión. 1. Photonic chip Preparación <ol><li> Coloque una pequeña Amount de cera en un montaje de pulido-cruz de seccionamiento y calentar a ~ 130 ° C. NOTA: La cantidad de cera que se utilizará depende del tamaño de la muestra que está siendo montado. Debe haber suficiente cera para mantener el chip inmóvil, mientras que un exceso dará lugar a la cera en las facetas de chips. </li><li> Coloque el chip fotónico sobre la porción del pulido montar con la cera. Asegúrese de que la cera se funde completamente para que el chip es plana contra la montura. Utilice pinzas de plástico al manipular el chip para evitar dañar las facetas. </li><li> Permitir que el montaje se enfríe en el aire ambiente de modo que la cera se solidifica. Enfriamiento rápido que esto puede causar daños en el chip. </li><li> Pulir las facetas de chips. NOTA: Es importante elegir la plataforma correcta lapidado como comenzando con una almohadilla que es demasiado agresivo puede resultar en el pulido de distancia más del chip de lo deseado. <ol><li> Una el pulido de montaje a la pulidora y pulir durante sólo unos segundos. Una almohadilla con una rugosidad 3-m ha demostrado serun buen punto de partida para los chips de silicio con longitudes de faceta de ~ 1 cm. </li><li> Quitar el montaje de pulido e inspeccionar la faceta chip para determinar cómo se monta el nivel del chip. NOTA: Un microscopio es útil para medir la distancia entre los extremos de las guías de onda y la faceta de la viruta. Estas mediciones permiten el ángulo entre la faceta y la guía de ondas que se determine. </li><li> Hacer los ajustes necesarios a los micrómetros en la pulidora con el fin de mejorar la nivelación del chip. </li><li> Repita pasos 1.4.1-1.4.3 hasta que la faceta del chip y las guías de ondas se encuentran dentro de 0,15 ° de ser ortogonales entre sí. </li><li> Polaco el chip en pasos de ~ 50 m, la inspección de la viruta entre cada paso para controlar la distancia restante, hasta que hay ~ 100 micras izquierda a pulir. Si en cualquier momento el revestimiento parece estar deslaminación de la superficie, asegurarse de que la almohadilla está girando a fin de pulimento de la parte superior del chip a la parte inferior. NOTA: También puede ayudar el uso de un lubricante de pulido en lugar de agua. Esta deslaminación es un resultado de la tensión en el revestimiento y es una indicación de que el proceso de fabricación debe ser optimizado. </li><li> Cambiar a una almohadilla de chapoteo 1-m y pulir hasta que no es de ~ 20 m restante. </li><li> Cambiar a una almohadilla de 0,5-m y continuar pulido para otro 15 m. </li><li> Utilice una almohadilla de 0,1-m para la final 5 micras para asegurar una faceta suave. Imágenes de microscopio de la faceta de un chip de fotónico de silicio antes y después del pulido se muestran en la Figura 2. </li></ol></li><li> Calentar el montaje con el chip unido a ~ 130 ° C para permitir que la cera se derrita. </li><li> Una vez que la cera se derrita por completo, retire el chip de la montura y dejar que se enfríe lentamente. </li><li> Limpiar cualquier de la cera restante desde el chip usando acetona, isopropanol, y agua. </li></ol> 2. Preparación de fibras Pigtails <ol><li> Franja de cualquier tampón o recubrimiento from el extremo de un cable flexible de conexión fibra de modo único (SMF) y desde un extremo de una fibra ultra-alta apertura numérica (uhna). </li><li> Limpiar los extremos desnudos de las fibras con una mezcla de acetona y metanol. </li><li> Escindir el extremos desnudos de ambas fibras con una cuchilla de fibra comercial. </li><li> Fusión empalmar el extremo cortado de las fibras. Una receta para el empalme SMF a la fibra uhna se muestra en la Tabla 1. </li><li> Deslizar un manguito protector sobre el empalme y colocarlo en el horno de la manga para fijar de forma permanente a la fibra. </li><li> Repetir los pasos 2.1 a 2.5 para preparar un total de tres fibras. </li></ol> 3. Configuración de la instalación de Prueba NOTA: Un diagrama de la configuración de la prueba se muestra en la Figura 1B. El soporte para el chip es un pedestal de cobre que está en contacto con un refrigerador termoeléctrico (TEC). Hay un microscopio equipado con ambas cámaras visibles e infrarrojos (IR) para la visualización del chip fotónico. <ol><li> Lugaruna pequeña cantidad de cera en el chip de montaje y se aplica voltaje a la TEC para fundir la cera. </li><li> Colocar el chip en la cera derretida, asegurándose de que quede plano en el monte. </li><li> Elimina la tensión de la TEC y permitir que el montaje y el chip para enfriar lentamente. </li><li> Adjuntar cada una de las fibras empalmadas a una fibra de ranura en V con la cinta de poliimida y montar una sola ranura en V para cada una de las etapas de 3 ejes utilizando el hardware de montaje suministrado por el fabricante. </li><li> acoplamiento del borde de la fibra. <ol><li> Conectar las tres fibras a sus respectivos componentes: uno a la salida óptica del láser y los otros dos a medidores de potencia óptica. </li><li> Ajustar el microscopio de manera que se centra en el chip, donde las guías de ondas alcanzan el borde. </li><li> Posición de las fibras cerca del borde de chip de modo que estén en la vista de la cámara visible y ajustar sus alturas manera que el núcleo de cada fibra está en el foco. </li><li> Ajuste el posicionamiento horizontal de las fibras con el micromete etapars para que se alinean con las guías de onda. </li><li> A su vez en la salida óptica del láser y ajustar las posiciones del micrómetro horizontal y vertical de la fibra de entrada hasta que la luz es el acoplamiento en la guía de ondas. Esto se mostrará en la cámara de infrarrojos como la dispersión a lo largo de la guía de onda de entrada. </li><li> Tune la longitud de onda del láser a un punto donde el resonador de micro anillo se ilumina en la cámara. Esto indica que la condición de resonancia está siendo satisfecha y que la luz está llegando a las guías de onda de salida. </li><li> Ajuste las posiciones micrómetro horizontal y vertical de las fibras de salida hasta que haya una cantidad medible de luz que se extiende desde las guías de ondas a los medidores de potencia. </li><li> Maximizar el poder de ambos detectores mediante la manipulación de las posiciones micrómetro horizontal y vertical de las tres fibras. </li><li> maximizar aún más el poder de los detectores al hacer ajustes finos a las posiciones de fibra horizontal y vertical usando el controll piezoERS. </li><li> Usa los controladores piezoeléctricos para mover las fibras ligeramente más cerca de la viruta. Asegúrese de no utilizar los micrómetros para empujar las fibras sobre el chip, ya que al hacerlo es probable que dañe los extremos cortados de las fibras. </li><li> Repetir los pasos 3.5.9 y 3.5.10 hasta que las fibras están firmemente presionados contra los lados del chip. NOTA: El exceso de luz dispersa de las guías de onda, junto con la mala transmisión de guía de ondas, puede ser una indicación de los defectos de la guía de onda. Estos pueden incluir, pero no están limitados a, sitios de materiales de defectos, límites de costura, y la rugosidad de la guía de ondas excesiva. </li></ol></li><li> Colocar un controlador de polarización basado en fibra entre el láser y el chip. Esto permite un control del estado de polarización que hace que sea al chip. Las guías de ondas, siendo más anchos que altos, ayuda a reducir al mínimo cualquier rotación de la polarización en el chip. </li><li> caracterización de la dispersión. <ol><li> Sintonizar la polarización de la salida del láser para maximizar el acoplamiento de<html> el chip. Este dispositivo fue diseñado para transversal-eléctrico de polarización (TE) y, como tal, el (TM) de polarización transversal magnético tiene una pérdida mucho mayor. </li><li> Analiza un láser sintonizable en el rango de longitud de onda de interés (1.510 nm a 1.600 nm en este caso) y controlar los medidores de potencia. Cualquier artefactos en los espectros de transmisión son probablemente debido a una combinación de la componente TM de la polarización y etalón efectos de la interfaz de chip de fibra. </li><li> Localizar las longitudes de onda resonantes en el espectro y también extraer el ancho de banda de cada resonancia. Este chip particular tenía anchos de banda tan pequeñas como 65 pm, lo cual se traduce en factores de calidad (Q) de hasta 23.000. </li><li> Determinar la gama libre espectral (FSR), la separación entre las resonancias, para cada par adyacente de resonancias. Este dispositivo en particular tenía una FSR de ~ 5 nm. </li><li> Calcular el índice de grupo (n g) del modo de guiado para cada valor de la FSR utilizando la siguiente ecuación: n 5&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; donde λ es la longitud de onda y r es el radio del resonador micro-ring. La ecuación anterior es una aproximación de primer orden del índice de grupo. </li><li> Utilice el ancho de banda de cada resonancia para determinar una anchura (Delta n g) asociada con cada valor del índice de grupo. </li><li> Elija las longitudes de onda para los dos láseres de bombeo de tal manera que coincida con las resonancias en el espectro y tienen un número impar de resonancias entre ellos (Figura 1C). </li><li> Determinar la longitud de onda de los degenerados bi-fotones utilizando la siguiente ecuación: <img alt="ecuación 6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> donde λ bomba 1 y λ bomba 2 son las longitudes de onda de los fotones de bombeo. </li><li> Añadir una línea horizontal en la trama de índice de grupo frente a longitud de onda que se extiende entre las dos longitudes de onda de la bomba (Figura 3). Si es posible que el line para sentarse dentro de n g ± Δ n g en las tres longitudes de onda de interés al mismo tiempo, la condición de coincidencia de fases está satisfecho y fotones puede generarse a través SFWM. Si no es posible, trate de la elección de las longitudes de onda de bombeo que están más cerca juntos y puedes volver a intentarlo. </li></ol></li><li> Añadir una segunda fuente de láser sintonizable y controlador de polarización a la configuración y combinar las salidas ópticas de los dos láseres con un combinador de fibra de 1 x 2. </li><li> Añadir una serie de filtros de muesca basado en fibra (suficiente de ellos lograr ~ 120 dB de atenuación) inmediatamente antes del chip. NOTA: Los filtros permiten ambas longitudes de onda de la bomba pasen pero rechazan la longitud de onda bi-fotón. Ellos ayudan a eliminar el exceso de ruido (es decir, de banda ancha dispersión Raman en la fibra óptica) antes del acoplamiento al chip. El espectro de filtro se muestra en la Figura 1B. </li><li> Añadir una serie de filtros de paso de banda basados ​​en fibra (lo suficiente de ellos para lograr ~ 150 dB de atenuación)inmediatamente después de la chip. NOTA: Los filtros deben ser lo suficientemente amplia como para permitir que los bi-fotones pasen pero lo suficientemente estrecha como para rechazar los fotones de bombeo. Se necesitan dos conjuntos de estos, un juego para cada salida. El espectro de filtro se muestra en la Figura 1B. </li><li> Enviar los fotones rechazados de cada conjunto de filtros para separar los medidores de potencia. NOTA: Estos medidores de potencia se utilizan para controlar el acoplamiento óptico al chip y también pueden ser utilizados para determinar si los láseres de bombeo están quedando en resonancia. </li><li> Conectar la salida óptica individuales de cada conjunto de filtros a base de fibra a un solo detector de fotones (SPD) y conectar ambas salidas de señales eléctricas procedentes de los SPD a un correlador coincidencia. </li><li> Cruzar un par de sondas de tungsteno y fijar la punta hacia abajo en una de las patas en espiral (~ 1 mm de longitud) de la MZI. </li><li> Conectar una fuente de alimentación a las dos sondas cruzados de tal manera que generan calor cuando se aplica voltaje. Esto actuará como el desfasador para tMZI él. NOTA: Véase la discusión para una descripción del método más estandarizado para la sintonización térmica de los dispositivos fotónicos. </li></ol> 4. La medición de interferencia de dos fotones <ol><li> Tune tanto de los láseres de bombeo a las longitudes de onda elegidas. Utilice los medidores de potencia que están supervisando los fotones de bombeo rechazados para asegurar que ambos láseres están sintonizados con las resonancias. Cuando los láseres están correctamente ajustados para las resonancias deseados, se maximizará la señal desechado para los filtros. </li><li> Ajuste la salida de potencia óptica de cada láser a -3 dBm. NOTA: Esto resultará en &lt;100 mW en el chip. Es importante mantener la potencia de la bomba esta baja con el fin de minimizar la pérdida (de absorción multi-fotón y libre de portador de absorción) y mantener la estabilidad (por minimizar los cambios térmicos inducidos por la luz). uniones PN se pueden usar para eliminar los portadores de la guía de ondas para acomodar mejor más altas potencias de bombeo. </li><li> Monitorizar los recuentos de coincidencia (Sincronizaciónnous individuales a través de dos puertos) mediante la integración de más de ~ 220 ps sobre el pico de los datos. Un tiempo de integración suficiente ha pasado cuando un mínimo de 100 recuentos de coincidencia se han recogido. Nota: La ventana de integración debe ser lo suficientemente amplia para tener en cuenta la fluctuación temporal del SPD. </li><li> Establecer la fuente de alimentación para el desfasador a la tensión inicial (por ejemplo, 0 V). </li><li> Explorar uno de los láseres sintonizables en toda la gama de longitud de onda y el uso de los medidores de potencia que están recogiendo los fotones de bombeo rechazados para confirmar la ubicación de las resonancias de interés. Establecer los láseres de bombeo a las longitudes de onda correspondientes a las resonancias deseados. Nota: Es importante realizar este paso cada vez que la tensión de desplazamiento de fase se cambia como la sintonización térmica puede dar lugar a pequeños cambios en las longitudes de onda resonantes. </li><li> Recoger los datos resultantes (recuento de fotón único, así como los recuentos de coincidencia) desde el correlador coincidencia para el elegido previamentetiempo de integración. Aquí, un tiempo de integración de 90 s fue elegido con una resolución de tiempo de 32 ps. </li><li> Aumentar la tensión aplicada al desfasador por 5 mV. </li><li> Repetir los pasos 4.4 a 4.6 hasta que los datos se han recogido para el intervalo deseado de tensiones. NOTA: La tensión máxima se limita a 2,4 V debido a la rápida degradación de las sondas por encima de este voltaje. </li><li> Incorporar los picos de coincidencia para cada tensión de alimentación sobre ~ 220 ps para determinar el número total de coincidencias (Figura 4). </li><li> Integrar más de 320 ns de distancia desde el pico de coincidencia para obtener las coincidencias accidentales. Utilice este resultado para calcular el número de alteraciones en el pico de coincidencia. </li><li> Montar los individuales recuentos de cada detector con la siguiente función sinusoidal modificada: <img alt="ecuación 7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> donde A, B, C, D, E, y F son los parámetros de ajuste. Este ajuste es necesario debido a la no lineal RELACIÓNIP entre el voltaje y el cambio térmica inducida (fase relativa). </li><li> Convertir la variable independiente a la fase relativa de los tres conjuntos de datos (los sencillos cuenta desde cada detector y los recuentos de coincidencia) con la siguiente ecuación: <img alt="ecuación 8" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> donde B, C, D, y E son los parámetros de ajuste de la etapa 4.11. Esta conversión es posible debido a la conocida función de transferencia sinusoidal de un MZI 12. </li><li> Ajustar los datos de coincidencia (con la fase relativa como la variable independiente) con la siguiente función seno: <img alt="ecuación 9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> donde A y B son los parámetros de ajuste. </li><li> Calcular la visibilidad de cada patrón de interferencia con la siguiente ecuación: <img alt="La ecuación 10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> donde ƒ (θ) max y ƒ ( <em&gt; θ) min son los valores máximo y mínimo de ƒ (θ), respectivamente. A visibilidad de 1 corresponde a un patrón de interferencia perfecto. </li></ol>

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No tenemos nada que revelar.

Hay varios desafíos para el campo de la fotónica integrados superar a fin de que los sistemas complejos y escalables de dispositivos fotónicos a ser factible. Estos incluyen, pero no se limitan a: estrechas tolerancias de fabricación, aislamiento a partir de inestabilidades ambientales, y la minimización de todas las formas de pérdida. Hay pasos críticos en el protocolo anterior que ayudan a minimizar la pérdida de dispositivos fotónicos. Uno de los requisitos más importantes en mi...

El silicio se muestra una gran promesa como una plataforma fotónica para el procesamiento de información cuántica 1, 2, 3, 4, 5. Uno de los componentes vitales de circuitos fotónicos cuánticos es la fuente de fotones. Fuentes de fotones de par se han desarrollado a partir de silicio en forma de resonadores de micro anillo realizado a través de un proceso no lineal de tercer orden, espontánea de cuatro ondas de mezcla (SFWM) 6, 7, 8. Estas fuentes son capaces de producir pares de fotones indistinguibles, que son ideales para experimentos que implican el entrelazamiento de fotones 9. Es importante tener en cuenta que el anillo de fuentes de resonador pueden operar tanto con las agujas del reloj y la propagación en sentido antihorario, y los dos direcciones de propagación diferentes son genreunir independientes entre sí. Esto permite que un solo anillo funcione como dos fuentes. Cuando ópticamente bombeado desde ambas direcciones, estas fuentes generan el siguiente estado entrelazado: <img alt="ecuación 1" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" /> dónde <img alt="La ecuación 2" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" /> y <img alt="La ecuación 3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> son los operadores de creación independientes para bi-fotones clockwise- y en sentido contrario, se propagan, respectivamente. Esta es una forma muy deseable de estado entrelazado conocido como un estado N00N (N = 2) 10. Pasando este estado a través de un Mach-Zehnder on-chip (MZI) resulta en el estado: <img alt="La ecuación 4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" /> Este estado oscila entre la máxima coincidencia y cero coincidencia en dos vecesla frecuencia de interferencia clásica en un MZI, doblando efectivamente la sensibilidad del interferómetro 10. A continuación, presentamos el procedimiento utilizado para probar una fuente de fotones integrada tal y 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

Chips fotónicos de silicio tienen el potencial para realizar circuitos cuánticos integrados complejos de procesamiento de información, incluyendo fuentes de fotones, la manipulación qubit, y detectores de fotón único integrados. A continuación, presentamos los aspectos clave de la preparación y prueba de un chip cuántico fotónico de silicio con una fuente de fotones integrada y interferómetro de dos fotones. El aspecto más importante de un circuito cuántico integrado se minimiza la pérdida de modo que todos los fotones generados son detectados con la mayor fidelidad posible. A continuación, describimos cómo realizar el acoplamiento de borde de baja pérdida mediante el uso de un ultra-alta en fibra apertura numérica para asemejarse a la modalidad de las guías de ondas de silicio. Mediante el uso de una receta de empalme de fusión optimizado, la fibra uhna está perfectamente interconectado con una fibra monomodo estándar. Este acoplamiento de baja pérdida permite la medición de la producción de fotones de alta fidelidad en un resonador de anillo de silicio integrado y la posterior interferencia de dos fotones de la p producidohotons en un interferómetro de Mach-Zehnder estrechamente integrado. Este documento describe los procedimientos esenciales para la preparación y caracterización de alto rendimiento y circuitos fotónicos cuánticos de silicio escalables.

recuentos de fotones individuales de cada detector, así como los recuentos de coincidencia, se recogieron como la fase relativa entre los dos caminos estaba sintonizada. Los recuentos individuales (figura 5A) muestran el patrón de interferencia clásica de un MZI con visibilidades de 94,5 ± 1,6% y 94,9 ± 0,9%. Las mediciones de coincidencia (Figura 5B) muestran la interferencia cuántica del estado entrelazado, como es evidente por la oscilación al ...

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Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Chips fotónicos de silicio tienen la posibilidad de realizar sistemas cuánticos complejos integrados. Se presenta aquí un método para preparar y probar un chip fotónico de silicio para mediciones cuántica.

La medición de interferencia cuántica en una fuente de silicio resonador de anillo de fotones

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

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8.3K vistas.  Rochester Institute of Technology.  Chips fotónicos de silicio tienen la posibilidad de realizar sistemas cuánticos complejos integrados. Se presenta aquí un método para preparar y probar un chip fotónico de silicio para mediciones cuántica. 

Video: 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.

La fabricación de sílice de alta calidad Ultra microresonators Factor

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

Investigación

Ingeniería

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).

Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y 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.

Microondas Fotónica sistemas basados ​​en resonadores-gallery-mode Whispering

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

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

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

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

Implementación de un interferómetro de referencia 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.

Ingeniería de la Luz con la onda continua Optical Parametric Oscillators Estado Quantum

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.

Fabricación y Pruebas de microfluidos optomecánicos 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.

De silicio metal-óxido-semiconductor Quantum Dots para Bombeo solo electrón

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.

De alta resonancia cuasi-asistida Phonon Resolución espectroscopia de fluorescencia

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.

Fabricación y caracterización de resonadores superconductores

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.

Generación y Control coherente de peines de frecuencia pulsada Quantum

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

La medición de interferencia cuántica en una fuente de silicio resonador de anillo de fotones

Resumen

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La fabricación de sílice de alta calidad Ultra microresonators Factor

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Implementación de un interferómetro de referencia para Nanodetection

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Fabricación y Pruebas de microfluidos optomecánicos Osciladores

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