この作品は、国立科学財団（助成ECCS-1542081）によってサポートされているコーネル大学ナノスケール科学技術施設、国家ナノテクノロジー基盤ネットワークのメンバー、で部分的に実行されました。私たちは、空軍研究所（AFRL）から、この仕事のためのサポートを認めます。この材料は、部分的に賞第ECCS14052481の下で国立科学財団によってサポートされる作業に基づいています。

注：このプロトコルは、フォトニックチップがすでに製作されていることを前提としています。 （ 図1Aに示されている）ここに記載のチップは、シリコンフォトニックデバイス11のための標準的な処理技術を用いて、コーネル大学ナノスケール科学技術施設で作製しました。これらは、ストリップ導波路を定義する（220 nmの厚さのシリコン層、二酸化ケイ素の3μmの層、及び525ミクロン厚のシリコン基板からなる）シリコン・オン・インシュレータウェハの使用、電子ビームリソグラフィを含みます（500nmの全体）、及び二酸化ケイ素クラッド（〜3μmの厚さ）のプラズマ化学気相蒸着。マイクロリング共振器は18.5ミクロンの内径と150nmの導波路にリングギャップを有するように設計しました。このデバイスの性能指数は、損失、品質係数、自由スペクトル範囲、および分散が含まれます。 1.フォトニックチップ製造<ol><li>小さなamounを置きますクロス切片研磨マウント上のワックスのtと〜130°Cに加熱します。 注：使用するワックスの量は、搭載される試料の大きさに依存します。あまりにも多くのチップ面上のワックスになりながら、不動のチップを維持するのに十分なワックスが存在する必要があります。 </li><li>研磨ワックスでマウントの部分にフォトニックチップを置きます。チップがマウントに対して平らになるように、ワックスが完全に溶融されていることを確認します。チップを取り扱うときは、ファセットの損傷を防ぐために、プラスチック製のピンセットを使用してください。 </li><li>ワックスが凝固するように、マウントが周囲の空気中で放冷します。より速く、これよりも冷却はチップが破損するおそれがあります。 </li><li>チップ面を研磨。 注：それは希望よりも、チップの多くを研磨除去をもたらすことがあまりにも積極的であるパッドで始まるとして正しいラッピングパッドを選択することが重要です。 <ol><li>研磨がほんの数秒間研磨し、研磨するためにマウント取り付けます。 3μmの粗さを有するパッドがあることが示されています約1センチファセット長さのシリコンチップのための良い出発点。 </li><li>研磨マウントを除去し、チップが搭載されている方法のレベルを決定するために、チップ端面を検査します。 注：顕微鏡は導波路の端部とチップの端面との間の距離を測定するのに有用です。これらの測定は、ファセットと決定される導波路との間の角度を可能にします。 </li><li>チップのレベリング性を向上させるために研磨上のマイクロメートルに必要な調整を行います。 </li><li>チップの端面まで1.4.1-1.4.3手順を繰り返して、導波路が互いに直交するという0.15°以内です。 </li><li>研磨は、〜があるまで、残りの距離を監視するために、各ステップの間にチップの検査が50μm〜100μmの工程におけるチップが研磨させました。任意の時点でクラッドが表面から剥離しているように見える場合、底にチップの上面から研磨するようにパッドが回転していることを確認してください。 注：また、水の代わりに研磨潤滑剤を使用するのを助けることができます。この剥離は、クラッド内の応力の結果であり、製造プロセスを最適化する必要があることを示すものです。 </li><li>あるまで残り20ミクロン〜1ミクロンのラッピングパッドとポリッシュに変更します。 </li><li> 0.5μmのパッドに変更し、別の15μmのために研磨続けます。 </li><li>滑らかな面を確保するためにファイナル・5ミクロンのために0.1μmのパッドを使用します。前と研磨後のシリコンフォトニクスチップの面の顕微鏡画像が、図2に示されています。 </li></ol></li><li>ワックスが溶融することを可能にする〜130°Cに取り付けられたチップをマウントを加熱します。 </li><li>ワックスが完全に溶融されると、マウントからチップを取り外し、それをゆっくりと冷却することができます。 </li><li>アセトン、イソプロパノール、及び水を使用してチップからの残りのワックスのいずれかをきれい。 </li></ol>繊維おさげの調製<ol><li>任意のバッファまたはコーティングFRストリップシングルモードファイバ（SMF）ピグテールの端OM及び超高開口数（ウナ）ファイバの一端から。 </li><li>アセトンとメタノールの混合物で繊維の裸の端を清掃してください。 </li><li>商用光ファイバカッタとの両方のファイバの裸の端を切断します。 </li><li> Fusionは、繊維の切断されたエンドスプライス。ウナファイバにスプライスSMFのためのレシピは、表1に示されています。 </li><li>スプライスの上に保護スリーブをスライドさせ、恒久的に繊維にそれを添付するスリーブオーブンに入れてください。 </li><li>繰り返しは3本の繊維の合計を準備するために2.1から2.5を繰り返します。 </li></ol>テストのセットアップの3.設定注：試験セットアップの図を図1Bに示されています。チップのマウントは、熱電冷却器（TEC）と接触している銅の台座です。フォトニックチップを表示するための可視および赤外線（IR）カメラの両方を取り付けた顕微鏡があります。 <ol><li>場所チップ上のワックスの少量マウントワックスを溶融するためにTECに電圧を印加します。 </li><li>それは台紙の上に平らに座っていることを保証し、溶融したワックスの上にチップを置きます。 </li><li> TECからの電圧を外し、マウントとチップがゆっくり冷却することができます。 </li><li>ポリイミドテープファイバV溝にスプライス繊維のそれぞれを添付し、メーカー提供の取付金具を使用して3軸ステージの各々に単一のV溝をマウント。 </li><li>ファイバ端継手。 <ol><li>レーザの光出力への1つおよび光パワーメータに他の二つ：それぞれの構成要素には3本のファイバを接続します。 </li><li>それは導波路が端に到達し、チップ上に集光されるように、顕微鏡を調整します。 </li><li>それらは可視カメラの視野内にあるように、チップエッジに近い繊維を配置し、各ファイバのコアに焦点が合っているように、その高さを調整します。 </li><li>ステージmicrometeと繊維の水平位置を調整します彼らは、導波路に並んでいるようにRS。 </li><li>レーザおよび調整光が導波路に結合されるまで、入力ファイバの水平および垂直マイクロメートル位置の光出力をオンにします。これは、入力導波路に沿って、散乱としてIRカメラに表示されます。 </li><li>チューンマイクロリング共振器はカメラで点灯される点にレーザの波長。これは共振条件が満たされていることと、光が出力導波路に到達していることを示します。 </li><li>パワーメータに導波路から延びる光の測定可能な量があるまで出力ファイバの水平および垂直マイクロメートル位置を調整します。 </li><li> 3本の繊維の水平および垂直マイクロメートル位置を操作することにより、両方の検出器に電力を最大化します。 </li><li>さらに、ピエゾを用いて水平方向および垂直方向の繊維の位置を微調整することにより、検出器に電力を最大controllERS。 </li><li>チップにやや近い繊維を移動するピエゾコントローラを使用してください。そうファイバの切断された端を損傷しますそうするように、チップ上に繊維をプッシュするマイクロメータを使用しないようにしてください。 </li><li>繊維がしっかりとチップの側面に押し付けられるまで繰り返して、3.5.9と3.5.10を繰り返します。 注：不良な導波路の伝送と結合導波路、過剰な散乱光は、導波路の欠陥の指標とすることができます。これらには、材料欠陥部位、ステッチ境界、および過度の導波路粗さに限定されるものではないことができます。 </li></ol></li><li>レーザチップとの間のファイバベースの偏光コントローラを置きます。これは、チップにそれを作る偏光状態を制御することができます。導波路、それらはトールよりも幅広である、任意のオンチップ偏光回転を最小限に抑えるのを助けます。 </li><li>分散特性評価。 <ol><li>曲への結合を最大化するためにレーザ出力の偏光<html>チップ。このデバイスは、以下のような、横磁気（TM）偏光がはるかに高い損失を有し、横電気（TE）偏光のために設計されました。 </li><li>関心のある波長範囲にわたって波長可変レーザ（ここでは1600 nmの1,510 nm）をスキャンし、パワーメータを監視します。透過スペクトルの任意のアーティファクトが原因ファイバチップ界面から偏光とエタロン効果のTM成分との組み合わせに思われます。 </li><li>スペクトルにおける共振波長を検索し、各共振の帯域幅を抽出します。この特定のチップは、最大23000の品質係数（Q）に変換65午後、と小さい帯域幅を持っていました。 </li><li>共鳴の各隣接対に対して、自由スペクトル範囲（FSR）、共鳴間の分離を決定します。この特定のデバイスは、〜5nmのFSRを持っていました。 </li><li>以下の式を用いてFSRの値ごとに導波モードの群屈折率（N G）を計算します。 nは5&quot; SRC = &quot;/ファイル/ ftp_upload / 55257 / 55257eq5.jpg&quot; /&gt; ここで、λは波長であり、rは、マイクロリング共振器の半径です。上記の式は、群屈折率の第一次近似です。 </li><li>グループインデックスの各値に関連付けられた幅（のΔnG）を決定するために、各共振の帯域幅を使用します。 </li><li>それらはスペクトルにおける共鳴と一致すると、それらの間の共鳴（ 図1C）の奇数を有するように2つのポンプレーザの波長を選択してください。 </li><li>以下の式を用いて縮退双方向光子の波長を決定します。 <img alt="式6" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq6.jpg" /> λ ポンプ1とλ2ポンプは、ポンプ光子の波長はどこにあります。 </li><li> 2つのポンプ波長（ 図3）との間に延在する対波長群屈折率のプロットの水平ラインを追加します。それは、LIN可能性がある場合同時に関心のあるすべての3つの波長におけるΔN G±n 個のG内に座ってeは、位相整合条件が満たされ、光子がSFWMを介して生成することができます。それが不可能な場合は、一緒に近いポンプ波長を選択しようとすると、もう一度確認してください。 </li></ol></li><li>セットアップする第二波長可変光源と偏光コントローラを追加し、1×2ファイバ結合器との両方のレーザからの光出力を組み合わせます。 </li><li>すぐにチップ前の繊維ベースのノッチフィルタ（それらの十分な減衰〜120デシベルを達成）のシリーズを追加します。 注：フィルタは、両方のポンプ波長は、二光子波長を渡すが、拒否することができます。彼らは、チップへのカップリングの前に（ すなわち、光ファイバに散乱ブロードバンドラマン）過剰なノイズを除去するのに役立ちます。フィルタのスペクトルを、図1Bに示されています。 </li><li>ファイバベースのバンドパスフィルタシリーズ（減衰〜150デシベルを達成するために、それらの十分な）を追加しますすぐにチップの後。 注：フィルタは、二光子が通過できるように十分な幅が、ポンプ光子を拒否するために十分狭くする必要があります。これらの2セット、出力ごとに1セットを必要としています。フィルタのスペクトルを、図1Bに示されています。 </li><li>パワーメータを分離するためのフィルタの各セットから拒否された光子を送信します。 注：これらの電力計は、チップに光結合をモニターするために使用され、また、ポンプレーザがオン共振残っているかどうかを決定するために使用することができます。 </li><li>単一光子検出器（SPD）に繊維系フィルタの各セットからの個々の光出力を接続し、一致相関器へのSPDの両方からの電気信号出力を接続します。 </li><li>タングステンプローブの対と交差し、（長さ1mm〜）螺旋脚の一方の先端を上下セットMZIの。 </li><li>電圧が印加されたときに熱を発生するように2つの交差プローブに電源を接続。これはトンのための位相シフタとして機能します彼MZI。 注：フォトニックデバイスの熱調整のためのより標準化された方法の説明のための説明を参照してください。 </li></ol> 4.二光子干渉を測定<ol><li>選択した波長にポンプレーザのチューニングの両方。両方のレーザは共振に同調されることを保証するために拒否されたポンプ光子を監視しているパワーメータを使用。レーザーは適切に必要な共振にチューニングされている場合、フィルタからの拒否信号が最大化されます。 </li><li> -3 dBmの各レーザからの光出力を設定します。 注：これはチップで&lt;100μWになります。 （多光子吸収と自由キャリア吸収から）損失を最小化し、（光誘起熱シフトを最小化することによって）安定性を維持するためにポンプパワーをこの低く保つことが重要です。 PN接合は、より良い、より高いポンプパワーに対応するために、導波路からキャリアを除去するために使用することができます。 </li><li>シンクロ（同時カウントを監視データのピーク程度〜220ピコ秒を超える統合することにより、二つのポート間ヌースシングル）。 100の一致数の最小値が収集された際に、十分な積分時間が経過しました。 注：統合ウィンドウはのSPDのタイミングジッタを説明するために十分な幅でなければなりません。 </li><li>初期電圧（ 例えば、0V）に移相器の電源を設定します。 </li><li>全波長範囲にわたって波長可変レーザのいずれかをスキャンし、関心の共鳴の位置を確認するために拒否されたポンプ光子を収集するパワーメータを使用。所望の共振に対応する波長のポンプレーザを設定します。 注意：位相シフタ電圧は熱チューニングのように変更されるたびに共振波長に小さなシフトにつながることができ、このステップを完了することが重要です。 </li><li>以前に選択したため、一致相関器から得られたデータ（単一光子計数、並びに一致カウント）を収集積分時間。ここで、90秒の積分時間は32ピコ秒のタイミング分解能で選択しました。 </li><li> 5 mVの位相シフタに印加する電圧を増加させます。 </li><li>データは、電圧の所望の範囲のために収集されるまで繰り返して、4.4から4.6までステップ。 注：最大電圧はこれにより電圧上記プローブの急速な分解を2.4 Vに制限されました。 </li><li>一致の総数（ 図4）を決定するため〜220ピコ秒にわたって各電源電圧用の一致ピークを統合します。 </li><li>偶然の同時発生を得るために、320以上のNS離れ一致ピークから統合します。一致ピークに臨時記号の数を計算し、この結果を使用してください。 </li><li>以下の修正正弦関数と、各検出器からのシングルカウントを合わせます： <img alt="式7" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq7.jpg" /> A、B、C、D、E、及びFはフィットパラメータです。このフィットは非線形relationshする必要があります電圧と誘起熱シフト（相対位相）の間のIP。 </li><li>次式で（シングルは、各検出器からのカウントと一致カウント）データのすべての3つのセットの相対位相の独立変数に変換します。 <img alt="式（8）" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq8.jpg" /> B、C、D、及びEは、ステップ4.11からフィットパラメータである場合。この変換は、によりMZI 12の周知の正弦波伝達関数に可能です。 </li><li>以下の正弦関数で（独立変数としての相対位相で）一致データをフィット： <img alt="式9" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq9.jpg" /> ここで、AとBは、フィットのパラメータがあります。 </li><li>次式を有する各干渉パターンの可視性を計算します。 <img alt="式10" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq10.jpg" /> ƒ（θ）maxとƒ（ <em&gt;θ）minは 、それぞれ、ƒ（θ）の最大値と最小値です。 1の視認性は、完全な干渉パターンに対応します。 </li></ol>

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我々は、開示することは何もありません。

実現可能にするフォトニックデバイスの複雑かつスケーラブルなシステムにするために克服するための統合フォトニクスの分野のための複数の課題があります。これらには、これらに限定されない：厳しい製造公差、環境の不安定性からの単離、および損失のすべての形態の最小化。フォトニックデバイスの損失を最小限に抑えるために役立つ上記のプロトコルの重要なステップがあります?...

シリコン量子情報処理1、2、3、4、5用のフォトニクスプラットフォームとして大きな期待を示しています。量子フォトニック回路の重要なコンポーネントの一つは、光子源です。光子対源が3次の非線形プロセスによって作られたマイクロリング共振器の形で、シリコンから開発されてきた、自発四光波混合（SFWM）6、7、8。これらのソースは、光子エンタングルメント9を含む実験に理想的である区別できない光子のペアを生成することができます。 共振源が時計回りと反時計回りの伝播の両方で動作することができ、そのリングに注意することが重要であり、2つの異なる伝搬方向が遺伝子であります互いに独立結集。これは、単一の環は、2つのソースとして機能することを可能にします。光学両方向から汲み上げたとき、これらのソースは、以下のエンタングル状態を生成します。 <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq1.jpg" />どこ<img alt="式（2）" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq2.jpg" />そして<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq3.jpg" /> clockwise-と反時計回りに伝播する双方向光子のための独立した創造事業者は、それぞれ、あります。これは、N00N状態（N = 2）10として知られるエンタングル状態の非常に望ましい形態です。 オンチップのマッハツェンダー干渉計（MZI）を介してこの状態を通過する状態となります。 <img alt="式4" src="/files/ftp_upload/55257/55257eq4.jpg" />この状態は、2倍の最大偶然とゼロ偶然の一致との間で振動しますMZIにおける古典的な干渉の周波数は、効果的に干渉計10の感度を倍増します。ここでは、そのような統合された光子源とMZIのデバイスをテストするために使用される手順を提示します。

<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

シリコンフォトニックチップは、光子源、量子ビット操作、および統合された単一光子検出器を含む複雑な集積量子情報の処理回路を実現する可能性を有します。ここでは、統合された光子源と二光子干渉計を有するシリコンフォトニック量子チップを調製し、試験の重要な側面を提示します。生成された光子の全てが可能な限り高い忠実度で検出されるように、量子集積回路の最も重要な側面は、損失を最小限にします。ここで、我々は密接にシリコン導波路のモードに合わせて超高開口数ファイバを用いて低損失エッジ結合を実行する方法について説明します。最適化された融着接続レシピを用いて、ウナ繊維をシームレス標準的なシングルモードファイバとインターフェースされます。この低損失結合は、統合されたシリコンリング共振器及び生成Pのその後の二光子干渉に高忠実度光子生成の測定を可能にします密接に統合されたマッハツェンダー干渉計でhotons。本論文では、高性能でスケーラブルなシリコン量子フォトニック回路の製造および特性評価に不可欠な手順を説明します。

二つの経路間の相対位相を調整されたように、個々の各検出器からの光子カウント、ならびに一致カウントは、収集しました。個体数（ 図5A）は 94.5±1.6％及び94.9±0.9％の視認性を有するMZIから古典的な干渉パターンを示します。古典的な干渉パターンの2倍の周波数で発振することによって明らかなように一致測定（ 図5B）は、（臨時記号と9...

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Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

シリコンフォトニックチップは、複雑な集積量子系を実現する可能性を秘めています。ここで提示され、量子測定用シリコンフォトニクスチップを調製し、試験するための方法です。

シリコンリング共振器光子源における量子干渉の測定

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

measurement-quantum-interference-silicon-ring-resonator-photon

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

8.3K ビュー.  Rochester Institute of Technology. シリコンフォトニックチップは、複雑な集積量子系を実現する可能性を秘めています。ここで提示され、量子測定用シリコンフォトニクスチップを調製し、試験するための方法です。 

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Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

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

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

シリカ超高品質ファクターMicroresonatorsの作製

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

工学

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).

フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

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.

ウィスパリングギャラリーモード共振器に基づいたマイクロ波フォトニクスシステム

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.

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

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.

連続波光パラメトリック発振器の光の量子状態エンジニアリング

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.

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

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.

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

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.

高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光

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.

超伝導共振器の作製と評価

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.

世代とパルスの量子周波数コムのコヒーレント制御

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