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Design and construction of a fibre-coupled grating-based single-photon spectrometer with sub-nanometer resolution at 1550 nm
Peter Schiansky
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Philip Walther
Mitbetreuer*in
Chiara Greganti
DOI
10.25365/thesis.49431
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27473.13274.641059-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diverse bisher üblicherweise auf Prinzipien der klassischen Physik beruhen de Anwendungen unterschiedlicher Gebiete der Physik können aus der Nutzung intrinsischer Eigenschaften von Quantensystemen Profit ziehen. Diese Tatsache führte zur Entwicklung verschiedener neuer Forschungsgebiete wie, unter Anderem, Quanten Kryptographie, Quanten Computation (das auch das Gebiet der Quanten Simulation umfasst), und Quanten Metrologie. Hinsichtlich vieler Gesichtspunkte stellen Einzelphotonen ideale Quantensysteme dar: Sie können eine sehr hohe Ununterscheidbarkeit aufweisen und ihre intrinsische Mobilität ermöglicht den Transport von Quanteninformation mit Lichtgeschwindigkeit. Für letzteres kann auf bewährte Technologien zurückgegriffen werden, wie in etwa auf optische Glasfasern und integrierte Optik. Des Weiteren verlangt die Verarbeitung von Einzelphotonen nicht nach einem Vakuum oder kryogenen Bedingungen, was die Anwendbarkeit optischer Platformen nochmals unterstreicht. Die rasante Entwicklung photonischer Quantentechnologie führte zu skalierbaren Architekturen, basierend auf integrierten Quellen, Verarbeitungseinheiten und Detektoren. Allerdings basieren diemeisten Multiphotonenverarbeitungsmodelle auf speztifischen optischen Eigenschaften, wie Multiphotoneninterferenz, die eine präzise Charakterisierung der generierten Einzelphotonen unabdingbar machen.
Frühe Multiphotonenexperimente basierten auf Quellen die Photonen bei in etwa 800 nm Wellenlänge erzeugten. In den letzten Jahren verschob sich der Schwerpunkt allerdings zu Quellen die im Telekummunikationswellenlängenbereich operieren. Der Grund dafür liegt einerseits darin, dass die Nulldispersionswellenlänge von Quarzglasfasern in diesem Bereich liegt und andererseits dass deren Dämpfung dort am geringsten ist, mit einem Minimum bei 1550 nm. Da Verluste in individuellen Einzelphotonenquellen die Effizienz von Multiphotonenquellen exponentiell vermindern ist diese Wellenlänge ideal für Multiphotonenexperimente. Der Hauptzweck dieser Arbeit bestand darin, einen kosteneffizienten, dabei aber genauen, Monochromator mit Einzelphotonenauflösung bei 1550 nm zu konstruieren um die Charakterisierung von Einzelphotonenquellen bei dieser Wellenlänge zu unterstützen.
Das fertige Gerät basiert auf einem planen optischen Beugungsgitter, ist fasergekoppelt und erreicht eine Auflösung von in etwa 0.1 nm. Es wurde zur Charakterisierung von Einzelphotonen von Pikosekunden-gepulsten PPKTP Quellen eingesetzt und half dabei einen Multiphotonenaufbau einzurichten. Diese Arbeit umfasst den Entwicklungsprozess des Gerätes sowie die Implementierung einer Steuerungssoftware und Messungen an den Quellen.
Abstract
(Englisch)
The utilisation of intrinsic properties of quantum systems can benefit several applications of different fields in physics which previously relied on classical systems, and has led to the development of new research areas, comprising quantum cryptography, quantum computation (including quantum simulation) and quantum metrology. Single photons serve as ideal quantum systems in many ways: They can offer a high degree of indistinguishability and their intrinsic mobility allows for the transportation of quantum information at the speed of light by exploiting established technology such as optical fibres and integrated optics. In addition, processing single photons does not require vacuum or cryogenic conditions, which underlines the applicability of optical platforms. The vast development of photonic quantum technology has lead to scalable architectures based on integrated sources, processors and detectors. However, almost all multi-photon processing schemes are building on particular optical properties, such as multi-photon interference, that require a precise characterisation of the generated single photons.
Early multi-photon experiments relied on sources producing photons at around 800 nm wavelength. In recent years, however, focus has shifted towards sources operating at telecom wavelengths. This is due to the fact that the zero-dispersion wavelength of fused-silica fibres lies in this region and their attenuation is lowest there, with a minimum at 1550 nm. Since losses in individual single-photon sources exponentially degrade the efficiency of multi-photon sources, this wavelength is ideal for multi-photon experiments.The primary purpose of this thesis was to build a cost-effective but accurate monochromator with single-photon resolution at 1550 nm to help characterize single-photon sources operating at this wavelength.
The device is based on a planar diffraction grating, fibre coupled and offers a resolution of about 0.1 nm. It was used for the characterisation of single photons from pico-second pulsed PPKTP sources and helped to set up a multi-photon setup. This thesis covers the design process as well as the implementation of a control software and measurements of the sources.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Optics Spectrometer Monochromator Diffraction grating Telecom wavelength 1550nm Single-photon source PPKTP Quantum Optics
Schlagwörter
(Deutsch)
Optik Spektrometer Monochromator Optisches Gitter Telekom Wellenlänge 1550nm Einzelphotonenquelle PPKTP Quantenoptik
Autor*innen
Peter Schiansky
Haupttitel (Englisch)
Design and construction of a fibre-coupled grating-based single-photon spectrometer with sub-nanometer resolution at 1550 nm
Paralleltitel (Deutsch)
Entwicklung und Konstruktion eines fasergekoppelten gitterbasierenden Einzelphotonenspektrometers mit subnanometer Auflösung bei 1550 nm
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
143 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Philip Walther
AC Nummer
AC15151527
Utheses ID
43696
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |