Photonic Integrated Circuits based on 𝜒⁽²⁾ Materials for Quantum Information Processing
- 주제(키워드) Photonic integrated circuits , Thin-film lithium niobate , Thin-film aluminum nitride
- 주제(DDC) 621.381
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 Sangin Kim
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035403
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Photonic integrated circuits (PICs) enable the integration of bulky optical setups into a single compact chip, offering scalability through high integration density, robustness for stable operation under varying environmental conditions when packaged, and cost-effective mass production through established CMOS-based micro- and nano-fabrication processes. Consequently, PIC technology is rapidly emerging as a fundamental platform for various light-based applications, including optical information processing and optical communication. Recently, PICs have shown significant promise in optical interconnects for communication between AI computing chips and as foundational platforms for photonics-based quantum computers. In this thesis, we cover the fabrication techniques, optimization processes, and applications of photonic integrated devices based on 𝜒⁽²⁾ materials, specifically the aluminum nitride (AlN) and lithium niobate (LiNbO₃) platforms. Firstly, we utilize aluminum nitride to fabricate directional couplers, one of the fundamental passive components in photonic integrated circuits. By precisely adjusting the design parameters such as the coupling gap and coupling length, beam splitters with various splitting ratios are realized. Furthermore, by leveraging polarization-dependent coupling strengths, polarization beam splitters are also demonstrated. In particular, the fabricated directional coupler with a 50:50 splitting ratio is employed to experimentally verify and analyze the Hong–Ou–Mandel effect, a fundamental quantum interference phenomenon. Secondly, to address the prominent challenge of optimizing fiber-to-chip coupling loss in PICs, we develop a 3D mode size converter by applying local area dry etching with a custom-made external etching mask on lithium niobite based PICs. Using this approach, we demonstrate highly efficient edge coupling. Finally, we explore the on-chip implementation of a Faraday mirror, a frequently employed optical component in quantum key distribution systems. For this purpose, we attempt the realization of a Sagnac-loop-based Faraday mirror integrated on a lithium niobate platform. The studies presented herein highlight the versatility and potential of these platforms, paving the way for future advancements in next-generation photonic integrated circuits and quantum photonic systems.
more초록/요약
광자 집적 회로 (PIC)는 부피가 큰 광학 장치를 하나의 소형 칩에 통합 하는 것으로 높은 집적도를 통한 확장성 , 다양한 환경 조건에서 안정적인 작동을 위한 견고성, 그리고 기존 CMOS 기반 마이크로 및 나노 제조 공정을 통하여 비용 효율적인 대량생산을 가능하게 만든다 . 결과적으로 PIC 기술은 광 정보 처리 및 광통신을 포함한 다양한 광 기반 응용 분야의 기본 플랫폼으로 빠르게 부상하고 있으며, 최근 PIC 분야는 AI computing 칩 간 통신을 위한 광 인터커넥트 연결 및 광자 기반 양자 컴퓨터의 기반 플랫폼으로서 상당한 가능성을 보여주고 있다. 본 논문에서는 𝜒⁽²⁾ 물질 가운데 질화알루미늄 (AlN) 및 리튬니오베이트 (LiNbO₃) 플랫폼 기반 광자 집적 소자의 제조 기술, 최적화 공정 및 응용 분야를 다룬다. 논문 내용의 첫번째로는 질화알루미늄을 이용하여 광자 집적 회로의 기본 수동 부품 중 하나인 방향성 커플러를 제작한 내용에 소개한다. 방향성 커플러의 결합 간격 및 결합 길이와 같은 설계 매개변수를 정밀하게 조정함으로써 다양한 분할 비를 갖는 빔 분할기를 구현 하며, 방향성 커플러에 입력되는 편광 의존적인 결합 강도를 설계함으로써 편광 빔 분할기를 시연한다. 특히, 제작된 50:50 빔 분할기 기능을 갖는 방향성 커플러를 사용하여 양자 간섭 현상 중 하나인 Hong-Ou-Mandel 효과를 확인하는 실험과 그 분석 내용을 포함한다. 논문 내용의 두번째로는, PIC 에서 광섬유-칩 커플링 손실 최적화라는 중요한 과제를 해결하기 위해, 리튬니오베이트 기반 PIC에 맞춤형 외부 식각 마스크를 이용한 국소 영역 건식식각을 적용하여 3D 모드 크기 변환기를 제작하는 방법에 대해 설명하며, 이 접근법을 통해 고효율 에지 결합을 시연 한 내용을 다룬다. 논문 내용의 마지막으로, 양자 암호키분배를 위한 광 시스템에서 자주 사용되는 광학 부품인 패러데이 거울의 온칩 구현을 탐구하며, 이를 위해 리튬니오베이트 기반 PIC로 샤낙 루프 기반 패러데이 미러의 구현을 시도하는 내용을 포함한다. 본 연구에 제시된 연구들은 이러한 플랫폼의 다재다능함과 잠재력을 강조하여 차세대 광자 집적 회로 및 양자 광자 시스템의 미래 발전을 위한 토대를 마련한다.
more목차
1 Introduction 1
1.1 Photonic integrated circuits (PICs) 1
1.2 Aluminum nitride (AlN) platform PICs 8
1.3 Lithium niobite (LiNbO₃) platform PICs 15
2 AlN based directional coupler 22
2.1 Introduction 22
2.2 AlN single mode waveguide 24
2.3 Beam splitter based on directional coupler 29
2.4 Polarization beam splitter based on directional coupler 34
2.5 Hong-Ou-Mandel experiment 40
2.6 Conclusion 45
3 LiNbO₃ based 3D mode size converter 46
3.1 Introduction 46
3.2 Fabrication of a photonic circuit with 3D mode size converter 48
3.3 Local area etching with an Si external mask 51
3.4 LiNbO₃ waveguide with edge couplers featuring a 3D mode size converter 54
3.5 Experimental and simulation results 57
3.6 Conclusion 62
4 LiNbO₃ based Faraday mirror 63
4.1 Introduction 63
4.2 Sagnac-loop-based Faraday mirror 66
4.3 Fiber-component-based SLFM experiment results 69
4.4 Development of LiNbO₃ chip-based SLFM 79
4.4.1 On-chip based SLFM scheme 79
4.4.2 On-chip polarization splitter-rotator 81
4.4.3 On-chip delay line 91
4.4.4 On-chip electro-optic phase modulator 96
4.5 Conclusion 109
5 Summary and Future works 111
5.1 Summary 111
5.2 Future works 113
References 116
Appendix A: Chip-to-Fiber coupling experiment setup 126
Appendix B: Edge coupler for chip-to-fiber interface 134
Curriculum Vitae 141
Summary in Korean 146
