[论文解读] Scalable photonic integrated circuits for programmable control of atomic systems

Adrian J. Menssen, Artur Hermans+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于氮化硅和氮化铝电致动器的可扩展光子集成电路（APIC）平台，用于实现原子系统高速、高保真度的光学控制。该16通道APIC在780 nm波长下实现了5.8 ns的开关时间与< -30 dB的消光比，展示了CMOS兼容、多通道、可见光至近红外可编程控制能力，对大规模量子技术至关重要。

ABSTRACT

Advances in laser technology have driven discoveries in atomic, molecular, and optical (AMO) physics and emerging applications, from quantum computers with cold atoms or ions, to quantum networks with solid-state color centers. This progress is motivating the development of a new generation of "programmable optical control" systems, characterized by criteria (C1) visible (VIS) and near-infrared (IR) wavelength operation, (C2) large channel counts extensible beyond 1000s of individually addressable atoms, (C3) high intensity modulation extinction and (C4) repeatability compatible with low gate errors, and (C5) fast switching times. Here, we address these challenges by introducing an atom control architecture based on VIS-IR photonic integrated circuit (PIC) technology. Based on a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication process, this Atom-control PIC (APIC) technology meets the system requirements (C1)-(C5). As a proof of concept, we demonstrate a 16-channel silicon nitride based APIC with (5.8$\pm$0.4) ns response times and -30 dB extinction ratio at a wavelength of 780 nm. This work demonstrates the suitability of PIC technology for quantum control, opening a path towards scalable quantum information processing based on optically-programmable atomic systems.

研究动机与目标

• 解决在量子系统中对数千个可独立寻址的原子实现可扩展、相干光学控制的挑战。
• 克服块状声光调制器在多通道、高速光学控制中的局限性。
• 开发一种兼容可见光与近红外波长的光子集成平台，用于量子信息处理。
• 实现高消光比、快速开关与低误码率，以确保可靠的量子门操作。
• 通过CMOS制造工艺实现与电子控制电路的共集成，以实现系统可扩展性。

提出的方法

• 在氮化硅平台中设计并制造基于AlN电致动器的16通道双环辅助马赫-曾德尔调制器（DRMZM）阵列。
• 采用CMOS兼容的200 mm晶圆工艺，工艺温度<500 °C，以实现与电子驱动器和反馈电路的共集成。
• 通过电致动环形谐振器实现电压可编程相位调制，以实现高消光比调制。
• 采用强耦合设计以稳定谐振频率，抑制因制造引起的频率偏差。
• 采用高带宽电子驱动器（125 MS/s，±15 V），具有8000 V/µs的压摆率，实现亚6 ns的开关时间。
• 采用蓝光修整技术精细调节环形谐振器频率，补偿制造非均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于AlN电致动器的光子集成电路能否在量子控制应用中实现亚6 ns的开关速度？
• RQ2 在大规模APIC中，环形谐振器频率的制造引起的偏差在多大程度上可被补偿？
• RQ3 CMOS兼容的SiN PIC能否在可见光波长（780 nm）下实现高消光比调制（>30 dB）？
• RQ4 在单芯片上共集成高速光调制器与电子控制电路是否可行，以实现可扩展的量子系统？
• RQ5 在实际工作条件下，多通道APIC平台中光学脉冲的可实现保真度是多少？

主要发现

• APIC的10–90%上升时间为(5.8 ± 0.4) ns，证明其具备适合快速量子控制的亚6 ns开关速度。
• 在780 nm波长下，设备实现了< -30 dB的消光比，表明具有高动态范围，可实现精确的光学振幅控制。
• 在'开启'状态下，脉冲保真度为2.5 × 10⁻⁶，表明具有高门保真度与低误码率。
• 通过蓝光修整有效补偿了因制造引起的环形谐振器频率偏差，实现了各通道性能的均匀性。
• APIC平台支持高功率运行，在1.6 µm波长下可处理瓦级光功率，表明其在高功率应用中具备可扩展性。
• 采用AlN电致动器可实现快速、电压可编程的相位调制，实测驱动效率为0.4 pm/V，与先前研究结果一致。