Titelaufnahme
Titelaufnahme
- TitelCryogenic Nonlinear Optics in Titanium In-Diffused Lithium Niobate Waveguides for Quantum Photonics / Nina Amelie Lange
- Autor
- Gutachter
- Erschienen
- Umfang1 Online-Ressource (IX, 172 Seiten) : Diagramme, Illustrationen
- HochschulschriftUniversität Paderborn, Dissertation, 2026
- AnmerkungTag der Verteidigung: 20.05.2026
- Verteidigung2026-05-20
- SpracheEnglisch
- DokumenttypDissertation
- Schlagwörter (GND)
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Zusammenfassung
Integrierte quantenphotonische Schaltungen erfordern zunehmend kryogenen Betrieb, da supraleitende Einzelphotonen-Detektoren und viele deterministische Quantenlichtquellen nur bei tiefen Temperaturen funktionieren. Diese Arbeit untersucht die nichtlineare Frequenzkonversion in Titan-eindiffundierten Wellenleitern in periodisch gepoltem Lithiumniobat (Ti:PPLN) bei kryogenen Temperaturen und bewertet deren Eignung für die Quantenphotonik. Es wurde ein freistrahlgekoppelter kryogener Aufbau entwickelt, der breitbandige Charakterisierung von Raumtemperatur bis unter 10 K ermöglicht. Kryogene parametrische Fluoreszenz wurde zum ersten Mal demonstriert und für entartete Photonenpaare im Telekom-Bereich optimiert. Die Messungen zeigen vorhersagbare und zufällige Effekte. Änderungen des Brechungsindex und thermische Kontraktion lassen sich genau modellieren. Dagegen führt die stark verringerte Ladungsträgermobilität zu anhaltenden pyroelektrischen und photorefraktiven Feldern, die räumliche Moden verändern, Verluste erhöhen und die Reproduzierbarkeit limitieren. Prozesse mit TE-Moden und gepulstem Licht erwiesen sich als robuster, während Prozesse mit TM-Moden und sichtbaren Wellenlängen besonders anfällig waren. Der pyroelektrische Effekt erwies sich als der Hauptfaktor, der die kryogene Leistung bestimmt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass Ti:PPLN eine vielversprechende Plattform für die kryogene Quantenphotonik bleibt, sofern die internen elektrischen Felder sorgfältig kontrolliert werden.
Abstract
Integrated quantum photonic circuits increasingly require cryogenic operation, as key components such as superconducting single-photon detectors and many deterministic quantum light sources only function at low temperatures. This thesis investigates nonlinear frequency conversion in titanium in-diffused periodically poled lithium niobate (Ti:PPLN) waveguides under cryogenic conditions and evaluates their suitability for quantum photonics. A free-space coupled cryogenic setup was developed, enabling broadband characterization from room temperature to below 10 K. Cryogenic spontaneous parametric down-conversion was demonstrated for the first time and tailored for degenerate telecom photon-pair generation. The measurements reveal both predictable and random temperature-dependent effects. Refractive index changes and thermal contraction can be modeled accurately. In contrast, the strong reduction in charge-carrier mobility leads to persistent pyroelectric and photorefractive fields, which alter mode confinement, increase losses, and limit reproducibility over repeated thermal cycles. Interactions involving TE-modes and pulsed light showed more robust performance, whereas TM-modes and visible-wavelength processes were particularly susceptible. The pyroelectric effect was found to be the main factor governing the cryogenic performance. Overall, the results show that Ti:PPLN remains a promising platform for cryogenic quantum photonics, provided that internal electric fields are carefully controlled.
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