Изучение термооптических свойств ниобата лития на изоляторе при криогенных температурах

Венедиктов И.О., Кобцев Д.М., Святодух С.С., Голиков А.Д., Ан П.П., Ковалюк В.В., Гольцман Г.Н.

Ссылка для цитирования:

Венедиктов И.О., Кобцев Д.М., Святодух С.С., Голиков А.Д., Ан П.П., Ковалюк В.В., Гольцман Г.Н. Изучение термооптических свойств ниобата лития на изоляторе при криогенных температурах // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 12. С. 3–11. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-12-3-11

Venediktov I.O., Kobtsev D.M., Svyatodukh S.S., Golikov A.D., An P.P., Kovalyuk V.V., Goltsman G.N. Study of thermo-optical properties of lithium niobate on an insulator at cryogenic temperatures [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 11. P. 3–11. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-12-3-11

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Термооптические свойства ниобата лития на изоляторе при понижении температуры от комнатной до гелиевой. Цель работы. Установление температурной зависимости эффективного показателя преломления волновода из ниобата лития в широком диапазоне температур (6–294 K). Метод. Измеренные спектры пропускания микрокольцевых резонаторов из нитрида кремния в криостате обрабатывались и сравнивались с литературными данными для подтверждения корректности используемой методики. Затем проводились повторные измерения спектров пропускания микрокольцевых резонаторов из ниобата лития в криостате с последующей математической обработкой экспериментальных данных. Основные результаты. Определены скорости изменения эффективного показателя преломления ниобата лития на изоляторе, которые составили 8,81×10–6 K–1 при 294 K и 2,74×10–7 K–1 при 6 К. Значения добротности менялись по параболической зависимости от 20000 (292 K) до 18000 (6 K) с максимумом 24000 при температуре 150 K. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования устройств интегральной оптики из ниобата лития, работающих при криогенных температурах для создания квантового компьютера на фотонах и ионах.

Ключевые слова:

интегральная оптика, ниобат лития на изоляторе, нитрид кремния, термооптический эффект

Благодарность:

выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-79-00056 (экспериментальное исследование фотонной интегральной схемы) и Министерства науки и высшего образования FSME-2025-0004 (изготовление фотонной интегральной схемы)

Коды OCIS: 130.3120, 130.3730

Список источников:

1. Ladd T., Jelezko F., Laflamme R., et al. Quantum computers // Nature. 2010. V. 464. № 7285. P. 45–53. https://doi.org/10.1038/nature08812
2. Gambetta J.M., Chow J.M., Steffen M. Building logical qubits in a superconducting quantum computing system // NPJ Quantum Inf. 2017. V. 3. № 1. P. 2. https://doi.org/10.1038/s41534-016-0004-0 3. Zhong H.S., Wang H., Dang Y.H., et al. Quantum computational advantage using photons // Science. 2020. V. 370. № 6523. P. 1460–1463. https://doi.org/10.1126/science.abe8770
4. Knill E., Laflamme R., Milburn G.J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics // Nature. 2001. V. 409. № 6816. P. 46–52. https://doi.org/10.1038/35051009
5. Ковалюк В.В., Венедиктов И.О., Седых К.О. и др. Волноводный сверхпроводниковый однофотонный детектор для фотонного и ионного квантовых процессоров и нейроморфных вычислений // Известия вузов. Радиофизика. 2023. Т. 66. № 11. С. 927–985. https://doi.org/10.52452/00213462_2023_66_11_927
Kovalyuk V.V., Venediktov I.O., Sedykh K.O., et al. Waveguide integrated superconducting single-photon detector for photonic and ion quantum processors and neuromorphic computing // Radiophysics and Quantum Electronics. 2024. V. 66. № 11. P. 839–892. https://doi.org/10.1007/s11141-024-10340-9
6. Giordani T., Hoch F., Carvacho G., et al. Integrated photonics in quantum technologies // La Rivista del Nuovo Cimento. 2023. V. 46. № 2. P. 71–103. https://doi.org/10.1007/s40766-023-00040-x
7. O‘Brien J.L., Pryde G.J., White A.G., et al. Demonstration of an all-optical quantum controlled-NOT gate // Nature. 2003. V. 426. № 6964. P. 264–267. https://doi.org/10.1038/nature02054
8. Gol’Tsman G.N., Okunev O., Chulkova G., et al. Picosecond superconducting single-photon optical detector // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 79. № 6. P. 705–707. https://doi.org/10.1063/1.1388868
9. Kahl O., Ferrari S., Kovalyuk V., et al. Waveguide integrated superconducting single-photon detectors with high internal quantum efficiency at telecom wavelengths // Sci. Rep. 2015. V. 5. № 1. P. 10941. https://doi.org/10.1038/srep10941
10. Pernice W.H.P., Schuck S., Minaeva O., et al. Highspeed and high-efficiency travelling wave single-photon detectors embedded in nanophotonic circuits // Nat. Commun. 2012. V. 3. № 1. P. 1325. https://doi.org/10.1038/ncomms2307
11. Sayem A.A., Cheng R., Wang S., et al. Lithium-niobate-on-insulator waveguide-integrated superconducting nanowire single-photon detectors // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. № 15. https://doi.org/10.1063/1.5142852
12. Akhlaghi M.K., Schelew E., Young J.F. Waveguide integrated superconducting single-photon detectors implemented as near-perfect absorbers of coherent radiation // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 8233. https://doi.org/10.1038/ncomms9233
13. Celler G.K., Barr D.L., Rosamilia J.M. Etching of silicon by the RCA standard clean 1 // Electrochem. and Solid-State Lett. 1999. V. 3. № 1. P. 47. https://doi.org/10.1149/1.1390954 14. Elshaari A.W., Zadeh I.E., Jöns K.D., et al. Thermo-optic characterization of silicon nitride resonators for cryogenic photonic circuits // IEEE Photonics J. 2016. V. 8. № 3. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2561622
15. Венедиктов И.О., Ковалюк В.В., Ан П.П. и др. Исследование направленных ответвителей для реализации квантовых операций над кубитами // ЖТФ. 2023. Т. 93. № 7. С. 968–973. https://doi.org/10.21883/JTF.2023.07.55755.80-23
Venediktov I.O., Kovalyuk V.V., An P.P., et al. Study of directional couplers for optical qubit quantum operations // Technical Physics. 2023. V. 68. № 7. P. 901–906. http://doi.org/10.61011/TP.2023.07.56636.80-23
16. Zanatta A.R. The optical bandgap of lithium niobate (LiNbO3) and its dependence with temperature // Results in Physics. 2022. V. 39. P. 105736. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105736