Интегрально-оптические волноводы для квантовых фотонных гейтов на длине волны 810 нм

Петров В.М., Парфенов М.В., Тронев А.В., Решетников Д.Д., Ильичёв И.В.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Петров В.М., Парфенов М.В., Тронев А.В., Решетников Д.Д., Ильичев И.В. Интегрально-оптические волноводы для квантовых фотонных гейтов на длине волны 810 нм // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 6. С. 78–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-06-78-86

Petrov V.M., Parfenov M.V., Tronev A.V., Reshetnikov D.D., Il’ichev I.V. Integrated optical waveguides for quantum photon gates at a wavelength of 810 nm [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 6. P. 78–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-06-78-86

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В статье исследовались оптические потери для волноводов, предназначенных для создания квантовых фотонных гейтов на длине волны 810 нм. Целью данной работы является создание интегрально-оптических одномодовых волноводов для квантовых фотонных гейтов на длине волны 810 нм с минимальными оптическими потерями. Отдельной задачей является оценка оптических потерь, допустимых для сохранения необходимой степени запутанности пары фотонов. Метод. Волноводы были изготовлены методом термической диффузии ионов титана в подложку, представляющую собой X-срез номинально-чистого ниобата лития LiNbO3. Оценка оптических потерь производится путём экспериментального измерения уровня потерь на единицу длины волновода. Излучение вводилось и выводилось из волновода при помощи отрезков волокон, один конец которых был с разъёмом, а другой — оканчивался простым сколом. Между сколом волокна и торцом волновода добавлялась капля иммерсионной жидкости. Измерения проводились для обоих типов поляризаций. Основные результаты. Были изготовлены шесть групп образцов. В каждой группе были образцы с шириной полоски d = 3,0, 2,0 и 1,5 мкм. Представлены результаты измерения оптических потерь в изготовленных волноводах. Выяснено, что минимальными потерями обладают волноводы, изготовленные с шириной используемой полоски титана d ≈ 3 мкм. По нашим оценкам, минимальные потери составили для поперечной магнитной поляризации примерно 0,20–0,25 дБ/см, а для поперечной электрической поляризации — 0,1 дБ/см. Практическая значимость. Изготовленные волноводы с шириной полоски d ≈ 3 мкм потенциально могут быть использованы для создания квантовых фотонных гейтов в интегрально-оптическом исполнении. Выбранная длина волны 810 нм позволит уже в ближайшей перспективе приступить к разработке фотонных гейтов на основе предлагаемых волноводов, поскольку одним из наиболее доступных путей создания пар запутанных фотонов, с точки зрения эксперимента, является использование лазера на длине волны 405 нм с последующим удвоением длины волны при помощи нелинейного кристалла бета-бората бария.

Ключевые слова:

интегрально-оптические волноводы, квантовые гейты, квантовая запутанность в волноводах с потерями, квантовые коммуникации

Благодарность:

авторы выражают благодарность А.В. Шамраю за полезные советы и обсуждения, способствующие подготовке данной работы.

Коды OCIS: 250.4725; 270.5585; 230.3750; 230.3120

Список источников:

1. Петров В.М., Агрузов П.М., Лебедев В.В., Ильичёв И.В., Шамрай А.В. Широкополосные интегрально-оптические модуляторы: достижения и перспективы развития // Успехи физических наук. 2021. Т. 191. Вып. 7. С. 760–782. https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.11.038871
2. Skryabin N.N., Kondratyev I.V., Dyakonov I.V., Borzenkova O.V., Kulik S.P. Straupe S.S. Two-qubit quantum photonic processor manufactured by femtosecond laser writing // Appl. Phys. Letters. 2023. V. 122. P. 121102. https://doi.org/10.1063/5.0137728
3. Петров В.М., Шамрай А.В., Ильичёв И.В., Агрузов П.М., Лебедев В.В., Герасименко Н.Д., Герасименко В.С. Отечественные СВЧ интегрально-оптические модуляторы для квантовых коммуникаций // Фотоника. 2020. Т. 14. № 5. С. 414–422. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.5.414.423

4. Петров В.М., Шамрай А.В., Ильичёв И.В., Агрузов П.М., Лебедев В.В., Герасименко Н.Д., Герасименко В.С. Генерация оптических частотных гармоник для квантовых коммуникаций на боковых частотах // Фотоника. 2020. Т. 14. № 7. С. 570–582. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.570.582
5. Vashukevich E.A., Lebedev V.V., Ilichev I.V., Agruzov P.M., Shamrai A.V., Petrov V.M., Golubeva T.Yu. Broadband chip-based source of quantum noise with electrically controllable beam splitter // Phys. Rev. Applied. 2022. V. 17. № 6. P. 064039. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.064039
6. Gerasimenko N.D., Gerasimenko V.S., Petrov V.M. Generation of frequency harmonics for QKD systems at subcarrier waves // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 1984. № 1. P. 012010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1984/1/012010
7. Глейм А.В., Чистяков В.В., Банник О.И., Егоров В.И., Булдаков Н.В., Васильев А.Б., Гайдаш А.А., Козубов А.В., Смирнов С.В., Кынев С.М., Хоружников С.Э., Козлов С.А., Васильев В.Н. Квантовая коммуникация на боковых частотах со скоростью 1 Мбит/с в городской сети // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 6. С. 3–9.
8. Zhang M., Wang C., Kharel P., Zhu D., Lončar M. Integrated lithium niobate electro-optic modulators: when performance meets scalability // Optica. 2021. V. 8. Iss. 5. P. 652–667. https://doi.org/10.1364/OPTICA.415762
9. Skryabin N., Bukharin M., Kostritskii S.M., Korkishko Yu., Fedorov V., Khudyakov D. Technology of threedimensional femtosecond writing for creating integrated optics elements // Radio Industry. 2018. P. 110–117. https://doi.org/10.21778/2413-9599-2018-1-110-117
10. Aguayo-Alvarado A.L., Acevedo-Carrera A., Domínguez-Serna F.A., De La Cruz W., Garay-Palmett K. A proposal for nonlinear — optics based quantum gates in integrated photonic circuits. Frontiers in Optics // Laser Science. OSA Technical Digest. 2020. Paper FM4A.8. https://doi.org/10.1364/FIO.2020.FM4A.8
11. Mandal M., Mukhopadhyay S. Photonic scheme for implementing quantum square root controlled z gate using phase and intensity encoding of light // IET Optoelectron. 2021. V. 15. Iss. 1. P. 52–60. https://doi.org/ 10.1049/ote2.12008
12. Петров В.М., Коротеев Д.А., Семисалов Д.А., Страшилин С., Хлусевич Д.С., Яковлев М.И., Парфенов М.В. Интегрально-оптические C-NOT гейты: оценка основных параметров для практической реализации // Фотоника. 2023. Вып. 1. Стр. 58–71. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.1.58.70
13. Лебедев В.В., Ильичёв И.В., Агрузов П.М., Тронев А.В., Шамрай А.В. Оптический модулятор // Патент РФ № 187990 U1. 2019.
14. Rai A., Das S., Agrawal G.S. Quantum entanglement in coupled lossy waveguides // Optics Express. 2010. V. 18. № 6. P. 6241–6254. https://doi.org/10.1364/OE.18.006241
15. Chuang I.L., Laflamme R., Paz J.-P. Effects of loss and decoherence on a simple quantum computer // arXiv:quant-ph/9602018v1
16. Yang S., Liu W., Han Y., Yang B. Effects of loss and dispersion on fiber-based quantum key distribution system // Proc. SPIE 7136. Optical Transmission, Switching, and Subsystems VI. 11 November 2008. P. 71360B. https://doi.org/10.1117/12.804060