硅环形谐振器光子源中量子干涉的测量

本实验的总体目标是通过测量量子干涉来表征一种集成光子学的光子对光源。该方法有助于回答与集成量子光子学相关的关键问题，包括如何实现芯片级的关联光子源，并将其集成到量子集成光子电路中。该技术的主要优势在于，可广泛应用于多种类型的集成量子光子电路。

实验的核心是光子芯片。该芯片边长约五毫米，采用标准技术制备。此芯片图像展示了其组成部分。

存在一个泵浦回路，包括输入波导、一个环形谐振器（光子将在其中沿顺时针和逆时针方向传播），以及一个马赫-曾德尔干涉仪，其后连接输出波导。金属引线可实现芯片上的加热，从而在干涉仪中产生相位偏移。在将芯片用于回路之前，需使用芯片抛光器对其进行抛光。

首先使用抛光器对芯片进行整平，使所有晶面相互垂直。使用三微米研磨垫对芯片进行抛光，每次进给约50微米，直至距离抛光痕迹末端约100微米处。每抛光50微米后，检查芯片以确定剩余距离。

当剩余约 100 微米时，更换为 1 微米的研磨垫。继续抛光芯片并监测进度。当剩余约 20 微米时，更换为 0.5 微米的研磨垫。

继续抛光芯片，直至抛光痕迹末端距离芯片末端约15微米处。当距离为15微米时，更换研磨垫，改用粗糙度为0.1微米的研磨垫。使用该研磨垫继续抛光芯片，直至抛光痕迹仅剩10微米。

最后一步抛光使用0.1微米的研磨垫，以确保端面光滑。在清洁并储存芯片以备后续使用之前，先将其取下。准备好制备光纤所需的设备。

这包括光纤剥线钳、光纤切割刀、熔接机和热缩套管加热炉。使用三根单模光纤尾纤，以及每根约20至30厘米的超高数值孔径光纤。准备一根尾纤时，使用光纤剥线钳去除其端部的任何涂覆层或编码层。

对一段高数值孔径光纤的一端进行相同操作。清洁光纤后，使用光纤切割刀对光纤进行端面制备，以进行熔接。接下来，将光纤移至熔接机。

将光纤放置到位，并正确对齐切割端面。输入相应参数，执行熔接。完成后，取出熔接好的光纤并进行检查。

如果接续点符合要求，将保护套管滑至接续点处。然后将带套管的接续点放入套管加热炉中，使其永久固定在光纤上。继续制备三根用于实验的接续光纤。

实验在光学平台上进行。平台上放置了三个带有压电控制器的三轴平移台。这些平移台的位置设置便于接触芯片波导。

平移台环绕着已安装在铜基座上的光学芯片。该基座与热电冷却器接触。每个平移台上均有一个置于V型槽中的预制光纤，并用聚酰亚胺胶带固定。

可以使用配备可见光和红外相机的显微镜观察含有芯片的区域。此时，可将光纤连接至实验仪器。通过偏振控制器，将芯片输入端连接至可调谐激光光源的光输出端。

将芯片的每个输出端连接至光功率计。现在调整显微镜位置以配合芯片使用。在波导到达芯片边缘的位置对显微镜进行聚焦，并利用平移台将光纤定位到芯片边缘附近。

将光纤移至可见光相机视野内，并调整其高度，使每根光纤的纤芯处于焦点位置。继续操作前，确保每根光纤的水平位置与其对应的波导对齐。打开激光器的光输出，调整输入光纤的位置，直至光耦合进入波导。

在红外相机上，这将表现为输入波导上的散射现象。接下来，调节激光器的波长，使微环谐振器在红外相机上被点亮。这表明已满足共振条件。

通过调节微米定位器来调整光纤的位置，以最大化功率计测得的输出功率。精细调节光纤位置，并利用压电位移控制器将每根光纤略微向芯片靠近。在精细调节所有光纤耦合以及将所有光纤逐步靠近芯片之间反复迭代。

目标是使光纤紧密贴合在芯片侧面，同时使测得的光功率最大化。下一步是表征色散特性。首先调节偏振控制器，使功率计上的读数达到最大，以开始表征过程。

现在，扫描可调谐激光器在感兴趣的波长范围内，以获得透射光谱。提取每个共振峰的带宽，并利用这些信息计算群折射率及其相应的不确定度。接下来，通过寻找两个之间具有奇数个共振峰的共振模式，确定两台泵浦激光器对应的波长。

了解这些波长可以确定双光子波长。为了检验这三个波长是否与自发四波混频一致，可绘制群折射率随波长的变化关系图。本例中，蓝色点表示群折射率。

红色阴影区域对应于群折射率的不确定性，这是由于每个共振的带宽所致。绿色水平线延伸于候选泵浦激光波长之间。由于该线完全位于阴影区域内，泵浦光与双光子波长可用于实验。

确定探针波长后，建立最终的实验装置。该装置包含两个可调谐激光光源，分别对应两个泵浦激光波长。每个激光输出端分别连接至独立的偏振控制器。

随后，两束激光输出通过光纤合束器进行合并。旁边是一系列基于光纤的陷波滤波器。这些滤波器允许泵浦波长通过，但对双光子波长实现约120分贝的衰减。

该滤波器的输出进入光子芯片。在芯片之后的每个输出端，都有一组带通滤波器。这些滤波器将泵浦光波长衰减约150分贝，同时允许双光子波长通过。

每组滤光片所拒绝的光子被送至专用的功率计。基于光纤的每个滤光片的输出则连接至专用的单光子探测器。每个单光子探测器均向符合关联器提供输入信号。

马赫-曾德尔干涉仪的相位调制器是芯片上的电阻加热器。将计算机控制的电流驱动器连接到芯片的电极焊盘，当施加电压时即可产生热量。进行双光子干涉测量时，首先将泵浦激光器设置为选定的波长。

监测功率计，确保每台激光器均调谐至其共振状态，并使功率最大化。接下来，在符合计数器上监测符合计数。如图所示，找到数据的峰值，并在其周围约220皮秒的时间窗口内进行积分。

持续记录符合计数，直到总数达到至少100为止。这表明已足够积分时间。现在，转向计算机，将相位调制器的电压控制设置为0伏特。

设定相位偏移后，前往可调谐激光器之一，扫描整个波长范围。利用用于检测被抑制泵浦光子的功率计，确定先前选定但可能发生漂移的共振位置。将泵浦激光器调节至匹配先前选定的共振波长。

重要的是要随时间跟踪所选的共振峰，而非波长。当被加热时，环形结构也会受热，但效率低得多。这会导致共振峰向更长的波长方向移动。

使用先前选定的积分时间，从时间相关器中收集结果数据。这包括每个探测器在符合计数中记录的光子数量。收集数据后，调节相位延迟器的电压控制，并将其增加五毫伏。

重复扫描激光并收集计数数据，直至覆盖所需的电压范围。这些经典的光干涉图样是通过测试装置，以两条路径之间的相对相位为函数，收集单个光子计数而获得的。除了用圆形和菱形表示的测量数据外，实线为对数据的拟合结果。

数字代表计算得到的可见度。符合关联测量结果展示了纠缠光子的量子干涉现象。需要注意的是，该振荡频率是经典模式的两倍。

橙色曲线来自对光子来源的测试，该测试要求产生的纠缠光子波长不在微环支持的范围内。这证明符合计数信号来源于微环内产生的光子。这些数据来自六次实验，其中共振对在频率上关于目标双光子共振位置对称。

每组数据均显示出相对相位一半的周期。一旦掌握，该技术若操作得当，可在10至15小时内完成。总耗时主要取决于相移器电压增量的分辨率以及每次双光子符合测量相应的积分时间。

在尝试此操作过程中，重要的是要牢记在优化芯片耦合时需耐心细致。如果操作不当，光纤在测量过程中可能无法保持稳定。观看本视频后，您应能够充分理解如何制备和测试集成光子光子源。