Kuantum Bilişim Teknolojileri için Verimli Foton Çifti Üretimi

Abstract

Bu tez, dört dalga karışım (FWM) süreci yoluyla görünür dalga boylarında foton çiftleri üretmek için kullanılan dalga kılavuzu ve halka rezonatörün tasarım parametreler- ine odaklanmaktadır. Tezin amacı, görünür dalga boylarında foton çiftleri üretmektir ve bu fotonları algılamak için görünür dalga boyunda çalışan fotodedektörler kullanılmak- tadır. Bu dedektörler, telekomünikasyon muadillerine kıyasla daha iyi foton algılama ar- alıgı, daha düşük karanlık sayım ve hızlı tepki süresi sunmaktadır. Ayrıca, görünür dalga boyundaki fotonlar serbest uzay iletişiminde daha etkilidir. Foton çift üretimi için Si3N4 dalga kılavuzu veya SiO2 tabakası üzerindeki halka rezonatör gibi bir fotonik platform tercih edilmektedir. Bu platformlar, CMOS teknolo- jilerini kullanma ve oda sıcaklıgında çalışma gibi avantajlar sağlar. Si3N4 malzemesinin tercih edilme nedeni, iki foton emilim sürecinden kaçınmaktır. Si bazlı kaynaklar, bant enerjileri nedeniyle iki foton emilim süreci sergilerken, Si3N4 kullanımı bu sorunu ortadan kaldırır. Tezde, dalga kılavuzunun boyutları faz uyumu koşulunu sağlamak amacıyla tasar- lanmış ve dispersiyon özellikleri incelenmiştir. Belirlenen boyutlara göre tasarlanan halka rezonatör, spektral özellikleri açısından verimli foton çift üretimi için analiz edilmiştir.

This thesis focuses on the design parameters of waveguides and ring resonators to generate photon pairs through the four-wave mixing process. The goal was to design these components specifically for generating visible-range photon pairs with the intention of using visible-range photodetectors. These detectors offer a better photon detection range, lower dark count, and faster response time compared to their telecom-range counterparts. Additionally, visible wavelength photons are more effective in free-space communication. A photonic platform, such as a Si3N4 waveguide or a ring resonator on a SiO2 layer is utilized for photon pair generation due to several advantages. These advantages include the ability to leverage CMOS technologies and operate at room temperature. The choice of Si3 N4 material aims to avoid a two-photon absorption process. Compared to Si-based sources, which exhibit a two-photon absorption process due to their band energy, utilizing Si3 N4 helps circumvent this issue. In this thesis, the dimensions of the waveguide are tailored to satisfy the phase- matching condition and its dispersion properties are studied. A ring resonator is con- structured based on determined dimensions, and its spectral characteristics are analyzed for efficient photon pair generation.