Направленные ответвители и мультимодовые интерферометры при комнатной и гелиевой температурах

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

Ссылка для цитирования:

Лебедева Е.С., Венедиктов И.О., Коровин В.А., Кобцев Д.М., Голиков А.Д., Ан П.П., Ковалюк В.В., Гольцман Г.Н. Направленные ответвители и мультимодовые интерферометры при комнатной и гелиевой температурах // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 5. С. 71–81. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-71-81

Lebedeva E.S., Venediktov I.O., Korovin V.A., Kobtsev D.M., Golikov A.D., An P.P., Kovalyuk V.V., Goltsman G.N. Directional couplers and multimode interferometers at room and helium temperatures [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 5. P. 71–81. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-71-81

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Зависимости коэффициента деления интегрально-оптических делителей в виде направленного ответвителя и мультимодового интерферометра от геометрических параметров при комнатных и криогенных температурах. Цель работы — выявление зависимости коэффициента деления интегрально-оптических делителей на нитрид-кремниевой платформе от геометрических параметров при комнатных и криогенных температурах для дальнейшего применения в квантовых вычислениях. Метод. Изготовление образцов структур с меняющимися геометрическими параметрами методом электронной литографии и дальнейшее экспериментальное исследование спектральной характеристики коэффициента пропускания на длинах волн 1,47–1,64 мкм при комнатных и криогенных температурах. Основные результаты. По измеренным экспериментальным данным определены зависимости коэффициента деления от геометрических параметров интегрально-оптических делителей на основе из нитрида кремния. Выявлено, что они имеют периодический характер. При охлаждении мультимодовых интерферометров до 5 K зафиксированы изменения коэффициента деления примерно на 28% по сравнение со значениями, полученными при температуре 300 K, что сопоставимо со значениями у направленных ответвителей (30,2%). Практическая значимость. Полученные зависимости могут быть использованы в дальнейшем для создания высокоэффективных элементов квантовых компьютеров, а также при проектировании схем радио- и нанофотоники на чипе, работающих в широком диапазоне температур.

Ключевые слова:

интегрально-оптические делители, направленные ответвители, мультимодовые интерферометры, коэффициент деления

Благодарность:

работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-12-00187 (разработка оснастки для измерений при гелиевых температурах) и Министерства науки и высшего образования (FSME-2025-0002)

Коды OCIS: 130.0130, 130.1750, 130.6750

Список источников:

1. Ladd T.D., Jelezko F., Laflamme R., et al. Quantum computers // Nature. 2010. V. 464. № 7285. P. 43–45. https://doi.org/10.1038/nature08812

2. Arute F., Arya K., Babbush R., et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor // Nature. 2019. V. 74. P. 505–510. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

3. Gambetta J.M., Chow J.M., Steffen M. Building logical qubits in a superconducting quantum computing system // Quantum Inf. 2017. V. 3. № 1. P. 2. https://doi.org/:10.1038/s41534-016-0004-0

4. Galimov A.I., Rakhlin M.V., Klimko G.V., et al. Source of indistinguishable single photons based on epitaxial InAs/GaAs quantum dots for integration in quantum computing schemes // JETP Lett. 2021. V. 113. № 4. P. 248–255. https://doi.org/10.1134/S0021364021040093

5. Zhong H.S., Wang H., Deng Yu-H., et al. Quantum computational advantage using photons // Wei Pan. Sci. 2020. № 370. V. 1460. P. 1460–1463. https://doi.org/10.1126/science.abe8770

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. Knill E., Laflamme R., Milburn G.J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics // Nature. 2001. V. 409. № 46. https://doi.org/10.1038/35051009

8. Хансперджер Р. Интегральная оптика. Теория и технология / Пер. с англ. под ред. канд. физ.-мат. наук Сычугова А.В. М.: Мир, 1985. 136 с.

Hunsperger R.G. Integrated optics, theory and technology. Berlin, New York: Springer-Verlag, 1984. 321 р.

9. Венедиктов И.О., Ковалюк В.В., Ан П.П. и др. Исследование направленных ответвителей для реализации квантовых операций над кубитами // Техническая физика. 2023. Т. 93. № 7. С. 968–973. https://doi.org/10.21883/JTF.2023.07.55755.80-23

Venediktov I.O. Kovaluk V.V., An P.P., et al. Study of directional couplers for optical qubit quantum operations // Technical Physics. 2024. V. 69. № 5. P. 1450–1455. https://doi.org/10.1134/S1063784224040467

10. 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 // Radiophys Quantum El. 2024. V. 892. № 66. P. 839. https://doi.org/10.1007/s11141-024-10340-9

11. Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применение. Уч. пособ. 2012. Т. 1. 368 c.

Saleh B., Teich M. Optics and photonics. Principles and applications [in Russian]. Tutorial. 2012. V. 1. 368 p.

12. Cooney K., Peters F.H. Analysis of multimode interferometers // Opt. Exp. 2016. V. 20. № 24. P. 22481–22515. https://doi.org/10.1364/OE.24.022481

13. Prokhodtsov A., Kovalyuk V., An P., et al. Silicon nitride Mach–Zehnder interferometer for on-chip quantum random number generation // J. Phys. Conf. Series. 2020. V. 1695. № 1. P. 012118. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1695/1/012118

14. Celler G.K., Barr D.L., Rosamilia J.M. Etching of silicon by the RCA standard clean Electrochem // Solid-State Lett. 2000. V. 3. № 47. https://doi.org/10.1149/1.1390954