Сверхпроводниковый однофотонный детектор на оптическом волноводе из нитрида кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Ковалюк, Вадим Викторович

• Ковалюк, Вадим Викторович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ковалюк, Вадим Викторович

Содержание

Введение

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1. Механизм детектирования ББРОн

1.1.1. Описание механизма детектирования ББРО на микроскопическом уровне

1.1.2. Описание механизма детектирования ББРО на макроскопическом уровне

1.1.3. Время релаксации горячего пятна

1.2. Интегральные оптические элементы

1.2.1. Оптические волноводы

1.2.2. Элементы связи для ввода и вывода света из волновода

1.2.3. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы, интегрированные с оптическими волноводами из различных материалов

1.3. Выбор объекта исследования и постановка задачи

Глава 2. Технология изготовления и методика измерений

2.1. Технология изготовления сверхпроводникового однофотонного детектора на оптическом волноводе из нитрида кремния

2.2. Методика измерения поглощения нанопроволоки на волноводе из нитрида кремния

2.3. Методика измерения эффективности детектирования и скорости темпового счёта на чипе

2.4. Методика измерения временного джиттера

2.5. Методика измерений внутренней эффективности детектирования для одно-, двух- и трёхфотонных процессов поглощения

2.6. Методика измерений времени релаксации горячего пятна

2.7. Методика измерений спектра флюоресценции кремниевых вакансий в наноалмазах

2.8. Методика измерений корреляционной функции

2.9. Выводы

Глава 3. Взаимодействие сверхпроводниковой наноструктуры с оптической модой волновода

3.1. Численное моделирование поглощения

3.2. Концепция и дизайн чипа

3.3. Показатель поглощения света NbN нанопроволокой на колосковом волноводе

3.4. Показатель поглощения света NbN нанополоски на гребенчатом волноводе

3.5. Выводы

Глава 4. Волноводный сверхпроводниковый однофотонный детектор

4.1. Концепция и дизайн чипа

4.2. Измерение эффективности детектирования и скорости темпового счёта

4.2.1. Измерение эффективности детектирования

4.2.2. Измерение скорости темпового счёта

4.2.3. Расчет эквивалентной мощности шума

4.3. Измерение джиттера и времени спада

4.4. Исследование внутренней эффективности детектирования для одно-, двух- и трёхфотонных режимов счёта

4.5. Измерение времени релаксации горячего пятна

4.6. Выводы

Глава 5. Применение волноводного однофотонного детектора в квантово-оптических интегральных устройствах

5.1. Однофотонные интегральные спектрометры видимого и инфракрасного диапазона

5.1.1. Концепция и дизайн чипа

5.1.2. Однофотонный спектрометр И К-диапазона

5.1.3. Однофотонный спектрометр видимого диапазона

5.2. Прототип полностью интегральной квантово-оитической микросхемы с электрически управляемым источником света

5.2.1. Концепция и дизайн чипа

5.2.2. Антигруппировка фотонов

5.3. Выводы

Заключение

Благодарности

Список публикаций автора

Список сокращений и обозначений

Список используемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводниковый однофотонный детектор на оптическом волноводе из нитрида кремния»

Введение

В начале 80-х годов XX века квантовая система стала впервые рассматриваться в качестве нового способа кодирования и обработки информации. В частности, был предложен первый протокол квантового распределения ключа [1], а позже показано, что это может привести к значительному увеличению скорости вычислений по сравнению с классическим компьютером [2 4]. Основная идея такого подхода заключалась в кодировании информации с помощью двухуровневой квантовой системы - "кубитов" и их последующего взаимодействия между собой. Кубиты, с одной стороны, должны быть хорошо изолированы, практически не взаимодействуя с окружением, а с другой стороны, для них должен быть обеспечен точный контроль и возможность манипуляции их состоянием, что, наоборот, предполагает сильное взаимодействие. Данное противоречие играет важную роль в дальнейшем развитии и конструировании систем квантовой обработки информации QIP (анг. Quantum Information Processing), а его решение для каждой конкретной реализации кубитов находится различными способами.

В настоящее время ведутся разработки кубитов на основе самых разнообразных квантовых систем, таких как сверхпроводниковые схемы, квантовые точки, центры окраски в твёрдом теле, ядерный магнитный резонанс, захваченные ионы и атомы, и наконец, фотоны [5, 6], которые занимают особое место в этом списке из-за слабого взаимодействия с оптически прозрачной средой и отсутствием взаимодействия друг с другом. К другим особенностям фотонов следует также отнести высокую скорость распространения и большое число параметров, которые могут быть использованы для кодирования информации: частота, поляризация, фаза, угловой момент и др. Простые од-нокубитные операции с фотоном не представляют сложности и могут быть выполнены с помощью волновых пластин из двулучепреломляющих матери-

адов [6]. Однако, реализация многокубитных логических элементов ("гейтов" или "вентилей") представляет значительные трудности и требует более сильной оптической нелинейности, чем в обычных нелинейных средах, в том числе на основе электромагнитной индуцированной прозрачности [7] или взаимодействия фотона с атомом внутри высокодобротного оптического резонатора [8].

Настоящий прорыв произошёл в 2001 году, когда в работе Книла, Лафла-ма и Милбурна [9] было показано, что для эффективной квантовой обработки информации достаточно иметь источник фотонов, детектор и линейные оптические компоненты (делители луча и фазовращатели). В этом случае необходимая нелинейность возникает за счёт процесса детектирования. Шум в оптической системе накладывает значительное ограничение на длительность оптической обработки данных и не должен превышать 1% на один логический элемент [10]. Более полные расчёты, которые рассматривают больше источников шума, дают пороговые значения от 0,1% до 0,01% [11]. Оценки, выполненные для модифицированного подхода с использованием кластеров запутанных фотонов [12] дают величину 33% [13], которая включает в себя потери в оптической схеме и в детекторе. Для достижения такого уровня шумов наряду с эффективными источниками фотонов, логическими элементами с малыми оптическими потерями требуются эффективные однофотонные детекторы [6].

В зависимости от рабочей длины волны могут быть использованы различные типы таких детекторов. В видимом диапазоне длин волн обычно применяются кремниевые лавинные фотодиоды (анг. Avalanche Photodiode, APD) [14 16], которые обеспечивают высокое временное разрешение и эффективность детектирования около 70% при умеренных значениях темповых отсчётов [17, 18]. При переходе к ближнему инфракрасному диапазону длин волн используются APDs, изготовленные из индий-арсенид галлиевых (InGaAs) соединений [15, 19]. Однако, они имеют более высокие темповые отсчёты (по-

рядка 104 отсч./с) и низкую эффективность детектирования (около 30%), поэтому, в большинстве случаев, InGaAs APDs могут быть использованы только в режиме, когда смещение на детектор подаётся в пределах короткого временного окна, в котором ожидается появление фотона ("gated-mode") [17 20]. Работа в таком режиме усложняет экспериментальную схему, увеличивает время проведения эксперимента и существенно ограничивает область применения. Кроме того, после появления основного импульса, связанного с поглощением фотона, возникает целый набор спонтанных импульсов "послеимпуль-сов" (анг. Afterpulsing), что заметно снижает максимальную скорость счёта до нескольких десятков мегагерц. На длинах волн выше 1600 нм применяются сверхпроводниковые болометры (анг. Transition Edge Sensors, TES), которые имеют высокую эффективность детектирования^ 90%, широкий спектральный диапазон работы и возможность различать энергию фотонов или их количество. Недостатки TESs связаны с низким быстродействием 1 кГц), плохим временным разрешением 1 мкс), малым динамическим диапазоном, а также необходимостью использовать дорогостоящее криогенное оборудование для охлаждения до температур порядка 100 мК [21].

В качестве альтернативы выступают сверхпроводниковые однофотонные детекторы (анг. Superconducting Single-Photon Detectors, SSPDs) [22, 23], которые сочетают в себе широкий рабочий диапазон длин волн, высокую эффективностью детектирования, большой динамический диапазон, отсутствие "послеимпульсов" и высокое временное разрешение [24, 25]. По сравнению с TESs для работы SSPDs требуется на порядок более дешёвое криогенное оборудование, в том числе позволяющее работать без использования жидкого гелия. Благодаря своим уникальным характеристикам SSPDs успешно преодолевают описанные ограничения традиционных однофотонных детекторов особенно в телекоммуникационном диапазоне длин волн (Л = 1550 им), в котором из-за низких потерь и разветвлённой сети волоконно-оптических линий

связи (ВОЛС), применение устройств для квантовой обработки информации является наиболее перспективным.

На сегодняшний день уже продемонстрирован целый ряд схем QIP, включая квантовую криптографию [26], квантовые вычисления [27, 28] и квантовую метрологию [29 33], а недавний прогресс в реализации квантово-опти-ческих симуляторов [34 36] обещает привести к первым практическим приложениям, которые находятся вне досягаемости классического аппаратного вычисления. Захватывающим примером квантовых симуляторов является вычисление энергий связи в молекулярных соединениях [35, 36].

Несмотря на то, что первые схемы по квантово-оптической обработке информации были продемонстрированы в свободном пространстве (на оптическом столе), дальнейшее развитие QIP без интеграции компонентов на чип затруднительно [37]. Это связано с тем, что при увеличении сложности оптических схем значительно возрастают требования к температурной стабильности всех её компонентов, занимаемой площади, взаимному расположению, энергопотреблению и энерговыделению. Подобно обычным оптическим интегральным микросхемам (анг. Photonic Integrated Circuits, PICs) кваптово-оптические микросхемы (анг. Quantum Photonic Integrated Circuits, QPICs) могут с успехом решить описанные проблемы, за счёт интеграции всех компонентов на один чип. QPICs не требуют времени для настройки и выравнивания компонентов друг относительно друга и обеспечивают сильное сжатие оптической моды внутри волновода, что приводит к более простым условиям достижения нелинейности.

Отсутствие интегральных однофотонных детекторов долгое время останавливало развитие QPICs, делая необходимым наличие межсоединений между детекторами и логической схемой, что приводило к большим оптическим потерям и, как следствие, ухудшению параметров готового устройства. В 2011-2012 годах, практически одновременно, сразу две научные группы про-

демонстрировали интеграцию SSPD с оптическими волноводами на арсениде галлия (GaAs) [38] и кремнии (Si) [39]. Согласование детектора с фотонами, распространяющимися по оптическому волноводу, происходило через экспоненциально затухающие хвосты основной моды излучения. Наряду с интеграцией детектора и оптической микросхемы, авторами первых работ была продемонстрирована эффективность детектирования более 91%, а также временная стабильность (джиттер) равная 20 пс [39]. Это послужило толчком для развития технологии QPICs с использованием самых разнообразных материалов [40].

В настоящее время около десятка научных групп по всему миру работают над созданием полностью интегральных микросхем с применением сверхпроводниковых однофотонных детекторов на основе самых разнообразных полноводных материалов, включая оксид кремния (Si02), кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), поликристаллический алмаз (С) и нитрид кремния (S^N4). Каждый из используемых материалов (платформ) имеет свои достоинства и недостатки, поэтому работа над QPICs ведётся параллельно на всех платформах.

Для реализации интегральных сверхпроводниковых однофотонных детекторов в качестве волноводного материала нами был выбран S^N4, характеризующийся малым оптическим поглощением в инфракрасном [41] и видимом [42] диапазоне длин волн, а также хорошими механическими свойствами [43]. Большое различие в коэффициенте преломления между волноводом и окружающим его слоями (воздух и Si02) позволяет создавать устройства с малым радиусом поворота и высокой плотностью оптической мощности внутри. В отличие от Si и GaAs нитрид кремния имеет более широкую запрещённую зону (~ 5 эВ), что значительно расширяет спектральный диапазон работы устройств на его основе и приводит к подавлению паразитного двух-фотонного поглощения (анг. Two Photon Absorption, ТРА). По сравнению

с 81, нитрид кремния имеет отличный от нуля коэффициент нелинейности второго порядка х(2\ позволяющий использовать его для создания однофо-тонных источников [44]. В отличие от СаАн, нитрид кремния совместим с СМОЯ-технологией и может быть интегрирован с кремниевой электроникой. По совокупности характеристик 81^4 обладает всеми возможностями стать основной платформой для реализации С^РГСн [40].

Одной из главных задач при реализации любых гибридных С^РЮн, состоящих из нескольких материалов, является разработка технологии, при которой последующие шаги не приводили бы к деградации компонентов, сделанных на предыдущих этапах. Наряду с обеспечением большого процента выхода годных устройств и масштабируемости, С^РГСн должны быть выполнены с минимальными размерами, энергопотреблением и максимальной эффективностью, что невозможно без детального понимания физики их работы, связанной со взаимодействием света с нанообъектами.

Актуальность исследования обусловлена, с одной стороны, потребностью в реализации масштабируемых квантово-оптических микросхем на нитриде кремния, а с другой стороны, отсутствием одного из главных компонентов такой микросхемы сверхпроводникового однофотонного детектора, интегрированного с оптическим волноводом, способах расчёта его параметров, а также экспериментальных данных, позволяющих более детально понять физику его работы и взаимодействие с оптической модой волновода.

Цель работы создание и исследование сверхпроводникового однофотонного детектора на оптическом волноводе из нитрида кремния.

Объект исследований сверхпроводниковые однофотонные детекторы на волноводе из нитрида кремния и квантово-оптические устройства на их основе.

Предмет исследований взаимодействие сверхпроводниковой нанопо-лоски с оптической модой волновода и получаемые на его основе характери-

стики лабораторных макетов детекторов и прототипов квантово-оптических микросхем.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать технологический маршрут и изготовить МЬМ сверхпроводниковые однофотонные детекторы, интегрированные с волноводом из нитрида кремния.

2. Исследовать взаимодействие МЬМ сверхпроводникового однофотонного детектора на волноводе из нитрида кремния с оптической модой волновода и определить зависимость показателя поглощения детектора от геометрических параметров как сверхпроводниковой нанополоски, так и волновода.

3. Исследовать основные характеристики сверхпроводникового однофотонного детектора на волноводе из нитрида кремния, включая эффективность детектирования, скорость темпового счёта, временную стабильность и режимы детектирования.

4. Исследовать зависимость времени релаксации горячего пятна сверхпроводникового однофотонного детектора на волноводе из нитрида кремния от тока смещения.

5. Изготовить и исследовать восьмиканальные интегральные однофотонные спектрометры на нитриде кремния, работающие вблизи длин волн 1550 им и 740 им.

6. Изготовить и исследовать прототип квантово-оптической интегральной схемы с полупроводниковой нанотрубкой в качестве источника и сверхпроводниковыми однофотонными детекторами в качестве приёмников света. Измерить корреляционную функцию второго порядка д2(т) для света, излучаемого электрически смещаемой полупроводниковой углеродной нанотрубкой.

Методы исследования: экспериментальный метод, метод математического моделирования и теоретического анализа.

Научная новизна исследования заключается в получении новых знания о взаимодействии сверхпроводниковой нанополоски с оптической модой волновода из нитрида кремния, особенностях физики формирования рези-стивного состояния в сверхпроводниковых наноструктурах.

Научные результаты:

1. Впервые создан полноводный сверхпроводниковый однофотонный детектор из нитрида ниобия на оптическом волноводе из нитрида кремния.

2. Впервые исследована зависимость поглощения света сверхпроводниковой нанополоски из нитрида ниобия от её геометрических размеров: длины, ширины и зазора между полосками.

3. Впервые исследована зависимость показателя поглощения сверхпроводниковой нанопроволоки из нитрида ниобия от геометрических размеров волновода: ширины и глубины травления.

4. Впервые обнаружено насыщение эффективности детектирования и внутренней квантовой эффективности сверхпроводниковых однофотонных детекторов на волноводе из нитрида кремния для токов близких к критическому при освещении фотонами с длиной волны 1550 нм и шириной полосок менее 80 нм. Исследованы скорость темнового счёта, эффективность детектирования на чипе, время спада и джиттер нанопроволоки на волноводе из нитрида кремния.

5. Впервые исследована зависимость внутренней эффективности детектирования сверхпроводниковой нанополоски, интегрированной с оптическим волноводом из нитрида кремния для одно-, двух- и трёхфотонных процессов поглощения.

6. Впервые созданы и исследованы интегральные однофотонные спектрометры с центральной длиной волны 1550 им и 740 им.

7. Впервые продемонстрирован прототип полностью интегральной кван-тово-оптической микросхемы с электрически управляемым источником одиночных фотонов и сверхпроводниковыми однофотонными детекторами.

Практическая значимость работы связана с возможностью использования полученных результатов для создания коммерческих интегральных квантово-оптических устройств, решающих задачи, в том числе недоступные для моделирования и расчёта современными вычислительными средствами.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Поглощение инфракрасного излучения сверхпроводниковой МЬМ нано-полоской на волноводе из нитрида кремния зависит как от её геометрических размеров (длины, ширины, зазора между полосками), так и от геометрических размеров волновода (высоты, ширины, глубины травления) и определяется взаимодействием нанополоски с волноводной модой.

2. Время релаксации горячего пятна в сверхпроводниковой нанополоске МЬМ уменьшается с уменьшением тока смещения, достигая значения 22 ± 1 пс при токе смещения равном 0,5 от критического тока и рабочей температуре 1,7 К. Характерный масштаб времени релаксации горячего пятна определяется временем электрон-фононного взаимодействия и коэффициентом диффузии квазичастиц.

3. Однофотонный спектрометр видимого и инфракрасного диапазона длин волн, созданный путём интеграции планарных дифракционных решёток и сверхпроводниковых однофотонных детекторов, позволяет получать как спектральную, так и временную информацию о фотонах за

одно измерение.

4. Одностенная полупроводниковая углеродная нанотрубка при температуре 1,7 К и токе смещения 3-11 нА является источником неклассического света, режим генерации которого зависит от электрического тока. При низком значении тока генерация объясняется локализацией экси-тонов на дефектах и их последующей аннигиляцией, а при высоком значении тока делокализацией экситонов.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих международных конференциях:

1. Single Photon Workshop 2015 (SPW 2015), Женева, Швейцария, 13 - 14 июля, 2015;

2. The Third International Conference on Quantum Technologies (ICQT 2015), Москва, Россия, 15 - 17 июля, 2015;

3. Nanowire Superconducting Single Photon Detectors 2016 (NSSPD 2017), Лейден, Швейцария, 28 ноября - 1 декабря, 2016;

4. Saint-Petersburg OPEN 2017 (SPBOpen 2017), Санкт-Петербург, Россия, 3-6 апреля 2017.

Публикации. Материалы диссертации описаны в 11 статьях, которые опубликованы в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. Список публикаций по теме диссертационного исследования приведён в параграфе 5.3.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованных работах, выполненных автором лично или в соавторстве с коллега-

Разработка технологии изготовления сверхпроводникового однофотонно-14) детектора, интегрированного с волноводом из нитрида кремния, выполне-

на совместно с Владиславом Хартманом (Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germany), Симоне Феррари (KIT, Germany) и Ольвером Каль (KIT, Germany).

Исследование взаимодействия сверхпроводниковой нанополоски с оптической модой волновода выполнены совместно с Владиславом Хартманом (KIT, Germany).

Исследование основных характеристик сверхпроводникового однофотон-ного детектора, интегрированного с волноводом из нитрида кремния, выполнено с Симоне Феррари (KIT, Germany) и Ольвером Каль (KIT, Germany).

Исследование однофотонных спектрометров видимого и инфракрасного диапазона длин волн выполнено совместно с Ольвером Каль (KIT, Germany) и Симоне Феррари (KIT, Germany).

Исследование прототипа полностью интегральной микросхемы с электрически управляемой углеродной нанотрубкой и сверхпроводниковыми детекторами выполнено совместно со Светланой Хасминской (KIT, Germany) и Феликсом Пятковым (KIT, Germany).

Личный вклад автора включал постановку задач, изготовление наноструктур, разработку и адаптацию экспериментальных методик, экспериментальное исследование, участие в обсуждении и анализе полученных данных, а также подготовку статей. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и библиографии. Общий объем диссертации 203 страницы, из них 176 страниц текста, включая 69 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 220 наименований на 27 страницах.

Во введении сформулирована цель и поставлены задачи диссертационного исследования, обусловлена его актуальность и новизна, представлены

защищаемые положения, сделан выбор объекта и предмета исследования, описана практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор литературы по интегральным сверхпроводниковым детекторам, изготовленным на разных волноводных материалах, описаны теоретические и экспериментальные работы, посвященные исследованию эффекта однофотонного детектирования в сверхпроводниковых наноструктурах.

Во второй главе описана технология изготовления интегральных кван-тово-оптических устройств, методики измерений и экспериментальные установки, применяемые для исследования изготовленных оптических и сверхпроводниковых наноструктур на всех этапах диссертационой работы.

В третьей главе исследовано взаимодействие сверхпроводниковой нано-полоски из нитрида ниобия с затухающей волноводной модой нитрида кремния в зависимости как от геометрических размеров МЬМ детектора: длины, ширины и зазора между нанополосками, так и от параметров оптического волновода: ширины и глубины травления.

В четвёртой главе исследованы основные характеристики сверхпроводникового однофотонного детектора, интегрированного с волноводом из нитрида кремния, включая эффективность детектирования, скорость темпового счёта и временную стабильность, а также получена зависимость времени релаксации горячего пятна в МЬМ от тока смещения.

В пятой главе исследованы два типа интегральных квантово-оптических микросхем со сверхпроводниковыми детекторами. Первый тип представляет собой однофотонные спектрометры видимого (740 им) и инфракрасного диапазона длин волн (1550 им), позволяющие получать как спектральную, так и временную информацию о фотонах одновременно. Второй тип устройств _ ПрОТОТИП полностью интегральной микросхемы, включающей в себя источник одиночных фотонов (электрически смещаемую углеродную нанотрубку),

оптический волновод и два сверхпроводниковых однофотонных детектора.

В заключении обобщены результаты диссертационной работы и сделаны выводы.

Глава 1

Обзор литературы и постановка задачи

Основной мотивацией для создания и исследования сверхпроводникового однофотонного детектора, интегрированного с оптическим волноводом (анг. Waveguide integrated Superconducting Single Photon Detector, WSSPD), является реализация полностью интегральной квантово-оптической микросхемы (QPIC), общий вид которой показан на рис. 1.1(a).

По исполняемым функциям структуру QPIC можно разделить на три основных блока: блок однофотонных источников (Source), блок логических элементов (Circuit) и блок однофотонных детекторов (Detection).

На рис. 1.1(6) показан прототип QPIC, изготовленный на платформе из GaAs и включающий в себя квантовую точку в качестве источника фотонов, волновод в качестве проводника фотонов и сверхпроводниковую нанополоску NbN, выступающую в качестве однофотонного детектора [45]. Для демонстрации работоспособности подхода в статье были измерены время жизни фото-люминисценции (0,95 не) и эффективность детектора (0,1% при Л = 910 им). Несмотря на то, что в работе показана принципиальная возможность интеграции источников и детекторов на чипе, из-за низкой эффективности, область применения такой микросхемы существенно ограничена. Эффективность схемы не позволяет превысить порог шума, ниже которого длительные кван-тово-оитические вычисления не могут быть осуществлены. В зависимости от используемой схемы порог шума составляет от 0,01% до 33% [10, 11, 46]. В некоторых случаях потери фотонов могут быть включены в эффективность источника или детектора. По этой причине интегральный однофотонный детектор, исследуемый в диссертационной работе, является одним из ключевых элементов, от параметров которого зависит как возможность реализации оп-

Рис, 1.1. (а) Схема интегральной квангово-онгичеекой микросхемы, которая включает в себя три основных блока: блок однофотоппых источников (Source), блок логических элементов (Circuit) и блок интегральных однофотонных детекторов (Detectors) |34|. (б) Прототип квантово-онтической интегральной микросхемы, которая включает волновод из GaAs, квантовую точку в качестве однофотонного источника и сверхнроводниковую наноно.иоску в качестве однофотонного детектора |45|

тических квантовых вычислений, так и их производительность. Без понимая неравновесных процессов, происходящих внутри сверхпроводниковой нано-полоски, создание высокоэффективных детекторов и, соотвественно, QPICs невозможно. Однако, на сегодняшний день не существует теории, последовательно и непротиворечиво объясняющей все экспериментальные факты, полученные для SSPDs, поэтому мы бы хотели начать обзор литературы с работ по изучению механизма детектирования SSPDs.

В параграфе 1.1 описаны теоретические и экспериментальные работы по исследованию эффекта однофотонного детектирования в сверхпроводниковых наноструктурах. Подобно работе [47] обзор выполнен в историческом аспекте, начиная с самых ранних и заканчивая наиболее последними исследованиями по данной теме, однако дополнен новыми данными и расширен.

В параграфе 1.2 описаны основные оптические компоненты на чипе, необходимые для создания WSSPDs, а также приведён обзор литературы по интегральным сверхпроводниковым однофотонным детекторам, изготовленным

на различных полноводных материалах. Дана характеристика не только детекторам, но и рассмотрены основные преимущества каждой из платформ, на которых они реализованы.

В параграфе 1.3, на основании проведенного анализа литературы, выбран объект исследования и поставлены задачи исследования.

1.1. Механизм детектирования

Наряду с практическим применением ББРО изучение механизма детектирования и поиск новых материалов для сверхпроводниковых детекторов является актуальной научной задачей. Ниже приводится обзор теоретических и экспериментальных исследований, посвященных её решению. Нужно отметить, что большинство работ проводилось на стандартных (не интегральных) ББРОн, свет на которые падал перпендикулярно поверхности. Но благодаря тому, что после поглощения фотона физические процессы, происходящие как в обычном, так и в полноводном ББРО одинаковы, представленные данные могут быть использованы при разработке, изготовлении и исследовании интегральных детекторов. Кроме того, анализ экспериментальных данных показал, что использование \¥88РОн может представлять значительный интерес при исследовании некоторых особенностей физики работы ЗБРОн. Это связано, с возможностью точной калибровки оптической мощности, достигающей детектора и с расчётом точного значения поглощения. Кроме того, небольшие размеры \VSSPD позволяют уменьшить влияние различного рода дефектов, возникающих при его изготовлении, увеличивая выход годных структур и их качество.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ковалюк, Вадим Викторович, 2018 год

Список используемой литературы

1. Bennett C. H., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing // Theoretical Computer Science. 2014. Vol. 560, no. PI. Pp. 7 11.

2. Grover L. K. A fast quantum mechanical algorithm for database search // Proceedings of the XXVIII Annual ACM Symposium on Theory of Computing - STOC '96. ACM Press, 1996. Pp. 212 219.

3. Deutsch D., Jozsa R. Rapid Solution of Problems by Quantum Computation // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. Vol. 439. 1992. Pp. 553 558.

4. Shor P. W. Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer // SI AM Journal on Computing. 1997. Vol. 26, no. 5. Pp. 1484 1509.

5. T.D. Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y. Nakamura, C. Monroe J. O. Quantum computers. // Nature. 2010. Vol. 464, no. 7285. Pp. 45 53.

6. O'Brien J. L. Optical Quantum Computing // Science. 2007. Vol. 318, no. 5856. Pp. 1567 1571.

7. Schmidt H., Imamogdlu A. Giant Kerr nonlinearities obtained by electro-magnetically induced transparency. // Optics Letters. 1996. Vol. 21, no. 23. P. 1936.

8. Duan L. M., Kimble H. J. Scalable photonic quantum computation through cavity-assisted interactions // Physical Review Letters. 2004. Vol. 92, no. 12. Pp. 127902 1.

9. Knill E., Laflamme R., Milburn G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. // Nature. 2001. Vol. 409, no. 6816. Pp. 46 52.

10. Knill E. Quantum computing with realistically noisy devices. // Nature. 2005. Vol. 434, no. 7029. Pp. 39 44.

11. Dawson С. M., Haselgrove H. L., Nielsen M. A. Noise thresholds for optical cluster-state quantum computation // Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2006. Vol. 73, no. 5. Pp. 1 26.

12. Kiesel N., Schmid C., Weber U. et al. Linear optics controlled-phase gate made simple // Physical Review Letters. 2005. Vol. 95, no. 21. Pp. 1 4.

13. Nielsen M. A. Optical quantum computation using cluster states // Physical Review Letters. 2004. Vol. 93, no. 4. Pp. 040503 1.

14. Dautet H., Deschamps P., Dion B. et al. Photon-counting techniques with silicon avalanche photodiodes // Applied Optics. 1993. Vol. 32, no. 21. Pp. 3894 3900.

15. Zappa F., Lacaita A. L., Cova S. D., Lovati P. Solid-state single-photon detectors // Optical Engineering. 1996. Vol. 35, no. 4. Pp. 938 945.

16. Cova S., Ghioni M., Lacaita a. et al. Avalanche photodiodes and quenching circuits for single-photon detection. // Applied Optics. 1996. Vol. 35, no. 12. Pp. 1956 1976.

17. Eisaman M. D., Fan J., Migdall A., Polyakov S. V. Invited Review Article: Single-photon sources and detectors // Review of Scientific Instruments. 2011. Vol. 82. P. 071101.

18. Buller G. S., Collins R. J. Single-photon generation and detection // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 21, no. 1. P. 012002.

19. Itzler M. a., Jiang X., Entwistle M. et al. Advances in InGaAsP-based avalanche diode single photon detectors // Journal of Modern Optics. 2011. Vol. 58, no. 3-4. Pp. 174 200.

20. Tosi A., Mora A. D., Zappa F., Cova S. Single-photon avalanche diodes for the near-infrared range: detector and circuit issues // Journal of Modern Optics. 2009. Vol. 56, no. 2-3. Pp. 299 308.

21. Rosenberg D., Lita A. E., Miller A. J., Nam S. W. Noise-free high-efficiency photon-number-resolving detectors // Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2005. Vol. 71, no. 6. Pp. 1 4.

22. Gol'tsman G. N., Okunev O., Chulkova G. et al. Picosecond superconducting single-photon optical detector // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 79, no. 6. Pp. 705 707.

23. Semenov A. D., Goltsman G. N., Korneev A. A. Quantum detection by current carrying superconducting film // Physica C: Superconductivity and its Applications. 2001. Vol. 351, no. 4. Pp. 349 356.

24. Hadfield R. H. Single-photon detectors for optical quantum information applications // Nature Photonics. 2009. Vol. 3, no. 12. P. 696.

25. Natarajan C. M., Tanner M. G., Hadfield R. H. Superconducting nanowire single-photon detectors: Physics and applications // Superconductor Science and Technology. 2012. Vol. 25, no. 6. P. 063001.

26. Beveratos A., Brouri R., Gacoin T. et al. Single photon quantum cryptography. // Physical Review Letters. 2002. Vol. 89, no. 18. P. 187901.

27. Shadbolt P. J., Verde M. R., Peruzzo A. et al. Generating, manipulating

and measuring entanglement and mixture with a reconfigurable photonic circuit // Nature Photonics. 2011. Vol. 6, no. 1. Pp. 45 49.

28. O'Brien J. L., Furusawa A., Vuckovic J. Photonic quantum technologies // Nature Photonics. 2010. Vol. 3, no. 12. Pp. 687 695.

29. Giovannetti V., Lloyd S., Maccone L. Quantum Enhanced Measurement: Beating the Standard Quantum Limit // Science. 2004. Vol. 306, no. November. Pp. 1330 6.

30. Boto A., Kok P., Abrams D. et al. Quantum interferometric lithography: exploiting entanglement to beat the diffraction limit // Physical Review Letters. 2000. Vol. 85, no. 13. Pp. 2733 2736.

31. Wiseman H. M. Adaptive Phase Measurements of Optical Modes: Going Beyond the Marginal Q Distribution // Physical Review Letters. 1995. Vol. 75, no. 25. Pp. 4587 4590.

32. Armen M. a., Au J. K., Stockton J. K. et al. Adaptive homodyne measurement of optical phase. // Physical Review Letters. 2002. Vol. 89, no. 13. P. 133602.

33. Matthews J. C. F., Politi A., StefanovAndre et al. Manipulation of multiphoton entanglement in waveguide quantum circuits // Nature Photonics. 2009. Vol. 3, no. 6. Pp. 346 350.

34. Aspuru-Guzik A., Walther P. Photonic quantum simulators // Nature Physics. 2012. Vol. 8, no. 4. Pp. 285 291.

35. Peruzzo A., McClean J., Shadbolt P. et al. A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor. // Nature Communications. 2014. Vol. 5, no. May. P. 4213.

36. Wang Y., Dolde F., Biamonte J. et al. Quantum Simulation of Helium Hydride Cation in a Solid-State Spin Register // ACS Nano. 2015. Vol. 9, no. 8. Pp. 7769 7774.

37. Politi A., Matthews J. C. F., Thompson M. G., O'Brien J. L. Integrated quantum photonics // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. No. January. 2009. Pp. 1 12.

38. Sprengers J. P., Gaggero a., Sahin D. et al. Waveguide superconducting single-photon detectors for integrated quantum photonic circuits // Applied Physics Letters. 2011. Vol. 99, no. 18. Pp. 2013 2016.

39. Pernice W., Schuck C., Minaeva O. et al. High-speed and high-efficiency travelling wave single-photon detectors embedded in nanophotonic circuits // Nature Communications. 2012. Vol. 3. P. 1325.

40. Bogdanov S., Shalaginov M., Boltasseva A., Shalaev V. Material platforms for integrated quantum photonics // Optical Materials Express. 2016. Vol. 7, no. 1. Pp. Ill 132.

41. Tien M.-C., Bauters J. F., Heck M. J. R. et al. Ultra-high quality factor planar Si3N4 ring resonators on Si substrates // Optics Express. 2011. Vol. 19, no. 14. Pp. 13551 13556.

42. Hosseini E. S., Yegnanarayanan S., Atabaki A. H. et al. High quality planar silicon nitride microdisk resonators for integrated photonics in the visible wavelength range. // Optics Express. 2009. Vol. 17, no. 17. Pp. 14543 14551.

43. Zwickl B. M., Shanks W. E., Jayich A. M. et al. High quality mechanical and optical properties of commercial silicon nitride membranes // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, no. 10. Pp. 1 4.

44. Ramelow S., Farsi A., Clemmen S. et al. Silicon-Nitride Platform for Narrowband Entangled Photon Generation // ArXiv:1508.04358vl. 2015. Pp. 1 10. 1508.04358.

45. Reithmaier G., Lichtmannecker S., Reichert T. et al. On-chip time resolved detection of quantum dot emission using integrated superconducting single photon detectors. // Scientific Reports. 2013. Vol. 3. P. 1901.

46. Varnava M., Browne D. E., Rudolph T. How good must single photon sources and detectors Be for efficient linear optical quantum computation? // Physical Review Letters. 2008. Vol. 100, no. 6. Pp. 1 4.

47. Корнеева Y. Квантовая эффективность сверхнроводникового однофотонного детектора на основе тонкой плёнки NbN: Ph.D. thesis / Московский педагогический государственный университет. 2014. Р. 201.

48. Antonova Е. A., Dzhuraev D. R., Motulevich G. P., Sukhov V. A. Superconducting energy gap of niobium nitride // Sov. Phys. JETP. 1981. Vol. 53, no. December 1980. Pp. 1270 1271.

49. Semenov A., Engel A., Hiibers H. W. et al. Spectral cut-off in the efficiency of the resistive state formation caused by absorption of a single-photon in current-carrying superconducting nano-strips // European Physical Journal B. 2005. Vol. 47, no. 4. Pp. 495 501.

50. Engel A., Semenov A. D., Hiibers H. W. et al. Fluctuation effects in superconducting nanostrips // Physica C: Superconductivity and its Applications. 2006. Vol. 444, no. 1-2. Pp. 12 18.

51. Semenov A. D., Haas P., Hiibers H. W. et al. Vortex-based single-photon

response in nanostructured superconducting detectors // Physica C: Superconductivity and its Applications. 2008. Vol. 468, no. 7-10. Pp. 627 630.

52. Likharev K. K. Superconducting weak links // Reviews of Modern Physics. 1979. Vol. 51, no. 1. Pp. 101 159.

53. Sergeev A. V., Reizer M. Y. Photoresponse Mechanism of thin superconducting films and superconducting detectors // International Journal of Modern Physics. 1996. Vol. 10, no. 6. Pp. 635 667.

54. Bulaevskii L. N., Graf M. J., Batista C. D., Kogan V. G. Vortex-induced dissipation in narrow current-biased thin-film superconducting strips // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2011. Vol. 83, no. 14. Pp. 1 9.

55. Bulaevskii L. N., Graf M., Kogan V. G. Vortex-assisted photon counts and their magnetic field dependence in single-photon superconducting detectors // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2012. Vol. 86, no. 2. Pp. 1 10.

56. Baek B., Lita A. E., Verma V., Nam S. W. Superconducting a-WxSil-x nanowire single-photon detector with saturated internal quantum efficiency from visible to 1850 nm // Applied Physics Letters. 2011. Vol. 98, no. 25. Pp. 148 151.

57. Tinkham M. Introduction to superconductivity. 2-nd edition. McGraw-Hill, 1996.

58. Zotova A. N., Vodolazov D. Y. Photon detection by current-carrying superconducting film: A time-dependent Ginzburg-Landau approach // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2012. Vol. 85, no. 2. Pp. 1 9.

59. Giazotto F., Heikkilä T. T., Luukanen A. et al. Opportunities for mesoscopics in thermometry and refrigeration: Physics and applications // Reviews of Modern Physics. 2006. Vol. 78, no. 1. Pp. 217 274.

60. Kramer L., Watts-Tobin R. J. Theory of dissipative current-carrying states in superconducting filaments // Physical Review Letters. 1978. Vol. 40, no. 15. Pp. 1041 1044.

61. Maingault L., Tarkhov M., Florya I. et al. Spectral dependency of superconducting single photon detectors // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 107, no. 11. Pp. 9 12.

62. Hofherr M., Rail D., Ilin K. et al. Intrinsic detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors with different thicknesses // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 108, no. 1.

63. Zotova A. N., Vodolazov D. Y. Intrinsic detection efficiency of superconducting nanowire single photon detector in the modified hot spot model // Superconductor Science and Technology. 2014. Vol. 27, no. 12. P. 125001.

64. Kerman A. J., Dauler E. A., Keicher W. E. et al. Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88, no. 11. P. 111116.

65. Annunziata A. J., Santavicca D. F., Frunzio L. et al. Tunable superconducting nanoinductors. // Nanotechnology. 2010. Vol. 21, no. 44. P. 445202.

66. Yang J. K. W., Kerman A. J., Dauler E. A. et al. Modeling the electrical and thermal response of superconducting nanowire single-photon detectors // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2007. Vol. 17, no. 2. Pp. 558 581.

67. Skocpol W. J., Beasley M. R., Tinkham M. Selfheating hotspots in superconducting thinfilm microbridges // Journal of Applied Physics. 1974. Vol. 45. Pp. 44 45.

68. Annunziata A. J., Quaranta O., Santavicca D. F. et al. Reset dynamics and latching in niobium superconducting nanowire single-photon detectors // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 108, no. 8.

69. Kerman A. J., Yang J. K. W., Molnar R. J. et al. Electrothermal feedback in superconducting nanowire single-photon detectors // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2009. Vol. 79, no. 10. Pp. 1 4.

70. Kerman A. J., Rosenberg D., Molnar R. J., Dauler E. A. Readout of superconducting nanowire single-photon detectors at high count rates // Journal of Applied Physics. 2013. Vol. 113, no. 14.

71. Day P. K., Leduc H. G., Mazin B. A. et al. A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays // Letters to Nature. 2003. Vol. 425, no. 23 October. Pp. 817 821.

72. Gao J., Vissers M. R., Sandberg M. O. et al. A titanium-nitride near-infrared kinetic inductance photon-counting detector and its anomalous electrodynamics // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101, no. 14. Pp. 2010 2014.

73. Peacock A., Verhoeve P., Rando N. et al. Single optical photon detection with superconducting tunnel junction // Letters to Nature. 1996. Vol. 381, no. 9 May. Pp. 135 137.

74. Semenov A. D., Goltsman G. N., Sobolewski R. Hot-electron effect in superconductors and its applications for radiation sensors // Superconductor Science and Technology. 2002. Vol. 15, no. 4. Pp. RI R16.

75. Marsiii F., Stevens M. J., Kozorezov A. et al. Hotspot relaxation dynamics in a current-carrying superconductor // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2016. Vol. 93, no. 9. Pp. 1 10.

76. Kozorezov A. G., Lambert C., Marsiii F. et al. Quasiparticle recombination in hotspots in superconducting current-carrying nanowires // Physical Review B. 2015. Vol. 92, no. 6. P. 064504.

77. Zhou Z., Frucci G., Mattioli F. et al. Ultrasensitive N-photon interferometric autocorrelator // Physical Review Letters. 2013. Vol. 110, no. 13. Pp. 1 5.

78. Heeres R. W., Zwiller V. Superconducting detector dynamics studied by quantum pump-probe spectroscopy // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101, no. 11. Pp. 1 4.

79. Yariv A., Yeh P. Photonics (Optical Electronics in Modern Communications), Ed. by A. Sedra. 6-th edition. New York: Oxford University Press, 2007. P. 836.

80. Liu J.-m. Photonic Devices. Cambridge,: Cambridge University Press, 2005. P. 1052. ISBN: 9780521551953.

81. Vivien L. Handbook of Silicon Photonics. 2013. P. 851. ISBN: 1439836108.

82. Taillaert D., Bienstman P., Baets R. Compact efficient broadband grating coupler for silicon-on-insulator waveguides. // Optics letters. 2004. Vol. 29, no. 23. Pp. 2749 2751.

83. Taillaert D., Van Laere F., Ayre M. et al. Grating Couplers for Coupling between Optical Fibers and Nanophotonic Waveguides // Japanese Journal of Applied Physics. 2006. Vol. 45, no. 8A. Pp. 6071 6077.

84. Mekis A., Gloeckner S., Masini G. et al. A grating-coupler-enabled CMOS photonics platform // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2011. Vol. 17, no. 3. Pp. 597 608.

85. Scheerlinck S., Schrauwen J., Taillaert D. et al. Efficient, Broadband and Compact Metal Grating Couplers for Silicon-on-Insulator Waveguides // Optics Express. 2007. Vol. 15, no. 15. Pp. 9625 9630.

86. Halir R., Cheben P., Janz S. et al. Waveguide grating coupler with subwave-length microstructures // Optics Letters. 2009. Vol. 34, no. 9. P. 1408.

87. Chen X., Tsang H. K. Nanoholes grating couplers for coupling between sili-con-on-insulator waveguides and optical fibers // IEEE Photonics Journal. 2009. Vol. 1, no. 3. Pp. 184 190.

88. Liu L., Pu M., Yvind K., Hvam J. M. High-efficiency, large-bandwidth sil-icon-on-insulator grating coupler based on a fully-etched photonic crystal structure // Applied Physics Letters. 2010. Vol. 96, no. 5. Pp. 17 20.

89. Halir R., Cheben P., Schmid J. H. et al. Continuously apodized fiber-to-chip surface grating coupler with refractive index engineered subwavelength structure // Optics Letters. 2010. Vol. 35, no. 19. P. 3243.

90. Waldhäusl R., Schnabel B., Dannberg P. et al. Efficient Coupling into Polymer Waveguides by Gratings // Applied Optics. 1997. Vol. 36, no. 36. P. 9383.

91. Chen X., Tsang H. K. Polarization-independent grating couplers for sili-con-on-insulator nanophotonic waveguides // Optics Letters. 2011. Vol. 36, no. 6. P. 796.

92. Laere F. V. L. F. V., Kotlyar M. V. K. M. V., Taillaert D. T. D. et al. Compact Slanted Grating Couplers Between Optical Fiber and InP–InGaAsP Waveguides // IEEE Photonics Technology Letters. 2007. Vol. 19, no. 6. Pp. 151 156.

93. Kopp C., Augendre E., Orobtchouk R. et al. Enhanced fiber grating coupler integrated by wafer-to-wafer bonding // Journal of Lightwave Technology. 2011. Vol. 29, no. 12. Pp. 1847 1851.

94. Roelkens G., Van Thourhout D., Baets R. High efficiency Silicon-on-Insula-tor grating coupler based on a poly-Silicon overlay // Optics Express. 2006. Vol. 14, no. 24. P. 11622.

95. Roelkens G., Vermeulen D., Van Thourhout D. et al. High efficiency diffrac-tive grating couplers for interfacing a single mode optical fiber with a nanophotonic silicon-on-insulator waveguide circuit // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, no. 13. Pp. 2 4.

96. Vermeulen D., Selvaraja S., Verheyen P. et al. High-efficiency fiber-to-chip grating couplers realized using an advanced CMOS-compatible Silicon-On-In-sulator platform // Optics Express. 2010. Vol. 18, no. 17. P. 18278.

97. Van Laere F., Claes T., Schrauwen J. et al. Compact focusing grating couplers for silicon-on-insulator integrated circuits // IEEE Photonics Technology Letters. 2007. Vol. 19, no. 21-24. Pp. 1919 1921.

98. Gerrits T., Thomas-Peter N., Gates J. C. et al. On-chip, photon-number-resolving, telecommunication-band detectors for scalable photonic information processing // Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2011. Vol. 84, no. 6. Pp. 1 4.

99. Calkins B., Mennea P. L., Lita A. E. et al. High quantum-efficiency photon-number-resolving detector for photonic on-chip information processing // Optics Express. 2013. Vol. 21, no. 19. Pp. 22657 22670.

100. Barnoski M. K., Rourke M. D., Jensen S. M., Melville R. T. Optical time domain reflectometer // Applied Optics. 1977. Vol. 16, no. 9. Pp. 2375 2379.

101. Barnoski M. K., Jensen S. M. Fiber waveguides: a novel technique for investigating attenuation characteristics // Applied Optics. 1976. Vol. 15, no. 9. P. 2112.

102. Eraerds P., Legre M., Zhang J. Z. J. et al. Photon Counting OTDR: Advantages and Limitations // Journal of Lightwave Technology. 2010. Vol. 28, no. 6. Pp. 1 12.

103. Schuck C., Pernice W. H. P., Ma X., Tang H. X. Optical time domain re-flectometry with low noise waveguide-coupled superconducting nanowire single-photon detectors // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 102, no. 19.

104. Schuck C., Pernice W. H. P., Tang H. X. NbTiN superconducting nanowire detectors for visible and telecom wavelengths single photon counting on Si3N4 photonic circuits // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 102, no. 5.

105. Schuck C., Pernice W. H. P., Tang H. X. Waveguide integrated low noise NbTiN nanowire single-photon detectors with milli-Hz dark count rate // Scientific Reports. 2013. Vol. 3. Pp. 1 6.

106. Schuck C., Guo X., Fan L. et al. Quantum interference in heterogeneous superconducting-photonic circuits on a silicon chip // Nature Communications. 2016. Vol. 1511.07081. Pp. 1 7.

107. Politi A., Cryan M. J., Rarity J. G. et al. Silica-on-Silicon Waveguide Quantum Circuits // Science. 2008. Vol. 320, no. 5876. Pp. 646 649.

108. Kawachi M. Silica waveguides on silicon and their application to integrat-ed-optic components // Optical and Quantum Electronics. 1990. Vol. 22, no. 5. Pp. 391 416.

109. Pavesi L., Editors D. J. L. Silicon Photonics III Systems and Applications, Ed. by L. Pavesi, David J. Lockwood. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2016. P. 524. ISBN: 9783642105029.

110. Silverstone J., Bonneau D., O Brien J., Thompson M. Silicon Quantum Photonics // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2016. Vol. 22, no. 6. Pp. 1 1.

111. Gentry C. M., Shainline J. M., Wade M. T. et al. Quantum-correlated photon pairs generated in a commercial 45 nm complementary metal-oxide semiconductor microelectronic chip // Optica. 2015. Vol. 2, no. 12. P. 1065.

112. Silverstone J. W., Santagati R., Bonneau D. et al. Qubit entanglement between ring-resonator photon-pair sources on a silicon chip // Nature Communications. 2015. Vol. 6. P. 7948.

113. Masada G., Miyata K., Politi A. et al. Continuous-variable entanglement on a chip // Nature Photonics. 2015. Vol. 9, no. March. Pp. 10 13.

114. Ishii A., Yoshida M., Kato Y. K. Exciton diffusion, end quenching, and ex-citon-exciton annihilation in individual air-suspended carbon nanotubes // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2015. Vol. 91, no. 12.

115. Yao X.-C., Wang T.-X., Xu P. et al. Observation of eight-photon entanglement // Nature Photonics. 2012. Vol. 6, no. 4. Pp. 225 228.

116. Wang X.-l., Chen L.-k., Li W. et al. Experimental ten-photon entanglement. 2016. Arxiv. 1605.08547.

117. Silverstone J. W., Bonneau D., Ohira K. et al. On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources // Nature Photonics. 2014. Vol. 8, no. 2. Pp. 104 108.

118. Xiong C., Zhang X., Liu Z. et al. Active temporal multiplexing of indistinguishable heralded single photons // Nature Communications. 2016. Vol. 7. P. 10853.

119. Collins M. J., Xiong C., Rey I. H. et al. Integrated spatial multiplexing of heralded single-photon sources // Nature Communications. 2013. Vol. 4, no. May. P. 2582.

120. Gondarenko A., Levy J. S., Lipson M. High confinement micron-scale silicon nitride high Q ring resonator. // Optics Express. 2009. Vol. 17, no. 14. Pp. 11366 70.

121. Okawachi Y., Saha K., Levy J. S. et al. Octave-spanning frequency comb generation in a silicon nitride chip. // Optics letters. 2011. Vol. 36, no. 17. Pp. 3398 3400.

122. Boitier F., Orieux A., Autebert C. et al. Electrically Injected Photon-Pair Source at Room Temperature // Physical Review Letters. 2014. Vol. 112, no. 18. P. 183901.

123. Arcari M., Sollner I., Javadi A. et al. Near-Unity Coupling Efficiency of

a Quantum Emitter to a Photonic Crystal Waveguide // Physical Review Letters. 2014. Vol. 113, no. 9. Pp. 1 5.

124. Salter C. L., Stevenson R. M., Farrer I. et al. An entangled-light-emitting diode // Nature. 2010. Vol. 465, no. 7298. Pp. 594 597.

125. Boretti A., Rosa L., Mackie A., Castelletto S. Electrically Driven Quantum Light Sources // Advanced Optical Materials. 2015. Vol. 3, no. 8. Pp. 1012 1033.

126. Petruzzella M., Xia T., Pagliano F. et al. Fully tuneable, Purcell-enhanced solid-state quantum emitters // Applied Physics Letters. 2015. Vol. 107, no. 14.

127. Buckley S., Rivoire K., Vuckovic J. Engineered quantum dot single-photon sources // Reports on Progress in Physics. 2012. Vol. 75, no. 12. P. 126503.

128. Sahin D., Gaggero A., Hoang T. B. et al. Integrated autocorrelator based on superconducting nanowires // Optics Express. 2013. Vol. 21, no. 9. Pp. 11162 11170.

129. Rath P., Ummethala S., Nebel C., Pernice W. H. P. Diamond as a material for monolithically integrated optical and optomechanical devices // Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science. 2015. Vol. 212, no. 11. Pp. 2385 2399.

130. Schroder T., Mouradian S. L., Zheng J. et al. Quantum nanophotonics in diamond [Invited] // Journal of the Optical Society of America B. 2016. Vol. 33, no. 4. P. B65.

131. Rath P., Gruhler N., Khasminskaya S. et al. Waferscale nanophotonic circuits

made from diamond-on-insulator substrates // Optics Express. 2013. Vol. 21, no. 9. P. 11031.

132. Jahnke K. D., Naydenov B., Teraji T. et al. Long coherence time of spin qubits in 12C enriched polycrystalline chemical vapor deposition diamond // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101, no. 1. Pp. 19 24.

133. Doherty M. W., Manson N. B., Delaney P. et al. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond // Physics Reports. 2013. Pp. 1 45.

134. Rogers L. J., Jahnke K. D., Teraji T. et al. Multiple intrinsically identical single-photon emitters in the solid state. // Nature Communications. 2014. Vol. 5. P. 4739.

135. Iwasaki T., Ishibashi F., Miyamoto Y. et al. Germanium-Vacancy Single Color Centers in Diamond // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. P. 12882.

136. Gaebel T., Popa I., Gruber A. et al. Stable single-photon source in the near infrared // New Journal of Physics. 2004. Vol. 6. Pp. 1 7.

137. Aharonovich I., Castelletto S., Johnson B. C. et al. Chromium single-photon emitters in diamond fabricated by ion implantation // Physical Review B -Condensed Matter and Materials Physics. 2010. Vol. 81, no. 12. Pp. 1 4.

138. Martinovich V. A., Turukhin A. V., Zaitsev A. M., Gorokhovsky A. A. Photoluminescence spectra of xenon implanted natural diamonds // Journal of Luminescence. 2003. Vol. 102-103, no. SPEC. Pp. 785 790.

139. Kolkowitz S., Jayich A. C. B., Unterreithmeier Q. P. et al. Coherent Sensing of a Mechanical Resonator with a Single-Spin Qubit // Science. 2012. Vol. 335, no. 6076. Pp. 1603 1606.

140. Schirhagl R., Chang K., Loretz M., Degen C. L. Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond: Nanoscale Sensors for Physics and Biology // Annual Review of Physical Chemistry. 2014. Vol. 65, no. November. Pp. 83 105.

141. Evans R. E., Sipahigil A., Sukachev D. D. et al. Narrow-Linewidth Homogeneous Optical Emitters in Diamond Nanostructures via Silicon Ion Implantation // Physical Review Applied. 2016. Vol. 5, no. 4. Pp. 1 8.

142. Wang C., Kurtsiefer C., Weinfurter H., Burchard B. Single photon emission from SiV centres in diamond produced by ion implantation // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2006. Vol. 39, no. 1. P. 37.

143. Sipahigil A., Jahnke K. D., Rogers L. J. et al. Indistinguishable photons from separated silicon-vacancy centers in diamond // Physical Review Letters. 2014. Vol. 113, no. 11. Pp. 1 5.

144. Awschalom D. D., Epstein R., Hanson R. The diamond age of spintronics. // Scientific American. 2007. Vol. 297, no. 4. Pp. 84 91.

145. Rath P., Kahl O., Ferrari S. et al. Superconducting single-photon detectors integrated with diamond nanophotonic circuits // Light: Science & Applications. 2015. Vol. 4, no. 10. P. e338.

146. Kahl O., Pernice W., Kahl O. et al. High efficiency, on-chip single-photon detection for diamond nanophotonic circuits // Journal of Lightwave Technology. 2015. Vol. 8724, no. c. Pp. 1 1.

147. Rath P., Vetter A., Kovalyuk V. et al. Travelling-wave single-photon detectors integrated with diamond photonic circuits: Operation at visible and telecom wavelengths with a timing jitter down to 23 ps // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. Vol. 9750. 2016.

148. Tanzilli S., Martin A., Kaiser F. et al. On the genesis and evolution of integrated quantum optics // Laser and Photonics Reviews. 2012. Vol. 6, no. 1. Pp. 115 143.

149. Kanno A., Sakamoto T., Chiba A. et al. 120-GB/S NRZ-DQPSK signal generation by a thin-lithium-niobate-substrate modulator // IEICE Electronics Express. 2010. Vol. 7, no. 11. Pp. 817 822.

150. Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Applied Physics Reviews. 2015. Vol. 2, no. 4.

151. Jin H., Liu F. M., Xu P. et al. On-chip generation and manipulation of entangled photons based on reconfigurable lithium-niobate waveguide circuits // Physical Review Letters. 2014. Vol. 113, no. 10. Pp. 1 5.

152. Tanner M. G., Alvarez L. S. E., Jiang W. et al. A superconducting nanowire single photon detector on lithium niobate. // Nanotechnology. 2012. Vol. 23, no. 50. P. 505201.

153. Madar R. Silicon carbide in contention // Nature. 2004. Vol. 430, no. August. Pp. 974 975.

154. Castelletto S., Johnson B. C., Boretti A. Quantum effects in silicon carbide hold promise for novel integrated devices and sensors // Advanced Optical Materials. 2013. Vol. 1, no. 9. Pp. 609 625.

155. Lienhard B., Schroder T., Mouradian S. et al. Bright and photostable single-photon emitter in silicon carbide // Optica. 2016. Vol. 3, no. 7. P. 768.

156. Castelletto S., Johnson B. C., Ivady V. et al. A silicon carbide room-temperature single-photon source // Nature Materials. 2013. Vol. 12, no. 11. Pp. 1 6.

157. Меапу Т., Grafe M., Heilmann R. et al. Laser written circuits for quantum photonics // Laser and Photonics Reviews. 2015. Vol. 9, no. 4. Pp. 363 384.

158. Najafi F., Mower J., Harris N. C. et al. On-chip detection of non-classical light by scalable integration of single-photon detectors. // Nature Communications. 2015. Vol. 6. P. 5873.

159. Heeres R. W., Kouwenhoven L. P., Zwiller V. Quantum interference in plas-monic circuits // Nature Nanotechnology. 2013. Vol. 8, no. 10. Pp. 719 722.

160. Philipp H. R. Optical Properties of Silicon Nitride // Journal of The Electrochemical Society. 1973. Vol. 120, no. 2. P. 295.

161. Malitson I. H. Interspecimen Comparison of the Refractive Index of Fused Silica // Journal of the Optical Society of America. 1965. Vol. 55, no. 10. P. 1205.

162. Calandri N., Zhao Q. Y., Zhu D. et al. Superconducting nanowire detector jitter limited by detector geometry // Applied Physics Letters. 2016. Vol. 109, no. 15.

163. Зотова A. H. Вклад поворотов и сужений сверхпроводящей пленки в процесс детектирования однофотонным сверхпроводящим детектором // Письма в ЖЭТФ. 2016. Vol. 149, по. 5. Pp. 949 954.

164. Sidorova М., Semenov A., Hiibers H.-W. et al. Physical mechanisms of timing jitter in photon detection by current carrying superconducting nanowires // Phisical Review B. 2017. Vol. 96. P. 184504.

165. Kahl O., Ferrari S., Kovalyuk V. et al. Waveguide integrated superconducting single-photon detectors with high internal quantum efficiency at telecom wavelengths. // Scientific reports. 2015. Vol. 5. P. 10941.

166. Fox M. Quantum Optics: An Introduction. Oxford University Press, 2006. P. 397. ISBN: 978-0-19-856672-7.

167. Khasminskaya S., Pyatkov F., Slowik K. et al. Fully integrated quantum photonic circuit with an electrically driven light source // Nature Photonics. 2016. Vol. 10. Pp. 727 733.

168. Hu X. Efficient Superconducting-Nanowire Single-Photon Detectors and Their Applications in Quantum Optics: Ph.D. thesis / Massachusetts Institute of Technology. 2011. P. 131.

169. Kovalyuk V., Hartmann W., Kahl O. et al. Absorption engineering of NbN nanowires deposited on silicon nitride nanophotonic circuits // Optics Express. 2013. Vol. 21, no. 19. Pp. 22683 22692.

170. Murphy A., Semenov A., Korneev A. et al. Three temperature regimes in superconducting photon detectors: quantum, thermal and multiple phase-slips as generators of dark counts. // Scientific Reports. 2015. Vol. 5, no. April. P. 10174.

171. Achilles D., Silberhorn C., Sliwa C. et al. Fiber-assisted detection with photon number resolution. // Optics Letters. 2003. Vol. 28, no. 23. Pp. 2387 9.

172. Kume H., Koyama K., Nakatsugawa K. et al. Ultrafast microchannel plate photomultipliers. // Applied Optics. 1988. Vol. 27, no. 6. Pp. 1170 8.

173. Eraerds P., Legré M., Rochas a. et al. SiPM for fast Photon-Counting and Multiphoton Detection. // Optics Express. 2007. Vol. 15, no. 22. Pp. 14539 14549.

174. Elezov M. S., Semenov A. V., An P. P. et al. Investigating the detection

regimes of a superconducting single-photon detector // Journal of Optical Technology. 2013. Vol. 80. Pp. 435 438.

175. Lusche R., Semenov A., Ilin K. et al. Effect of the wire width on the intrinsic detection efficiency of superconducting-nanowire single-photon detectors // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 116, no. 4.

176. Ferrari S., Kahl O., Kovalyuk V. et al. Waveguide-integrated single-and multi-photon detection at telecom wavelengths using superconducting nanowires // Applied Physics Letters. 2015. Vol. 106, no. 15. P. 151101.

177. Ferrari S., Kovalyuk V., Hartmann W. et al. Hot-Spot Relaxation Time Current Dependence in Niobium Nitride Waveguide- Integrated Superconducting Nanowire Single- Photon Detectors // Optics Express. 2017. Vol. 25, no. 8. Pp. 8739 8750.

178. Hortensius H. L., Driessen E. F. C., Klapwijk T. M. et al. Critical-current reduction in thin superconducting wires due to current crowding // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 100, no. 18. Pp. 1 5.

179. Vetter A., Ferrari S., Rath P. et al. Cavity-Enhanced and Ultrafast Superconducting Single-Photon Detectors // Nano Letters. 2016. Vol. 16, no. 11. Pp. 7085 7092.

180. Kaplan S. B., Chi C. C., Langenberg D. N. Quasiparticle and phonon lifetimes in superconductors // Physical Review B. 1976. Vol. 14, no. 11. Pp. 4854 4873.

181. Barends R., Baselmans J. J. A., Yates S. J. C. et al. Quasiparticle Relaxation in Optically Excited High- Q Superconducting Resonators // Physical Review Letters. 2008. Vol. 100. P. 257002.

182. Sidorova M., Semenov A., Korneev A. et al. Electron-phonon relaxation time in ultrathin tungsten silicon film // arXiv:1607.07321. 2016. Pp. 1 15.

183. Illin K. S., Lindgren M., Currie M. et al. Picosecond hot-electron energy relaxation in NbN superconducting photodetectors Picosecond hot-electron energy relaxation in NbN superconducting photodetectors // Applied Physics Letters. 2000. Vol. 76, no. 19. Pp. 2752 2754.

184. Gousev Y. P., Gol'Tsman G. N., Semenov A. D. et al. Broadband ultrafast superconducting NbN detector for electromagnetic radiation // Journal of Applied Physics. 1994. Vol. 75, no. 7. Pp. 3695 3697.

185. Lee J., Lee S., Ragunathan K. et al. Single-molecule four-color FRET // Angewandte Chemie - International Edition. 2010. Vol. 49, no. 51. Pp. 9922 9925.

186. Hoppe A. D., Scott B. L., Welliver T. P. et al. N-Way FRET Microscopy of Multiple Protein-Protein Interactions in Live Cells // PLoS ONE. 2013. Vol. 8, no. 6.

187. Betzig E., Patterson G. H., Sougrat R. et al. Imaging Intracellular Fluorescent Proteins at Nanometer Resolution // Science. 2006. Vol. 313, no. 5793. Pp. 1642 1645.

188. Schmied J. J., Gietl A., Holzmeister P. et al. Fluorescence and super-resolution standards based on DNA origami // Nature Methods. 2012. Vol. 9, no. 12. Pp. 1133 1134.

189. Giepmans B. N. G., Adams S. R., Ellismann M. H., Tsien R. Y. The Fluorescent Toolbox for Assessing Protein Location and Function // Science. 2006. Vol. 312, no. 5771. Pp. 217 224.

190. Kirchhofer A., Helma J., Schmidthals K. et al. Modulation of protein properties in living cells using nanobodies // Nature Structural & Molecular Biology. 2010. Vol. 17, no. 1. Pp. 133 138.

191. Okabe K., Inada N., Gota C. et al. Intracellular temperature mapping with a fluorescent polymeric thermometer and fluorescence lifetime imaging microscopy // Nature Communications. 2012. Vol. 3. P. 705.

192. Borst J. W., Visser A. J. W. G. Fluorescence lifetime imaging microscopy in life sciences // Measurement Science and Technology. 2010. Vol. 21. P. 102002.

193. Smit M. New focussing and dispersive planar component based on an optical phased array // Electronics Letters. 1988. Vol. 24, no. 7. Pp. 385 386.

194. Smit M. K., Member A., Dam С. V. PHASAR-Based WDM-Devices : Principles, Design and Applications // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 1996. Vol. 2, no. 2. Pp. 236 250.

195. Сдепоь H. Оптические мультиплексоры и демудьтипдексоры систем WDM // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004. Vol. 8. Pp. 42 47.

196. Burns W. К., Milton A. F., Lee A. B. Optical waveguide parabolic coupling horns // Applied Physics Letters. 1977. Vol. 30, no. 1. Pp. 28 30.

197. Ohno F., Sasaki K., Motegi A., Baba T. Reduction in sidelobe level in ultracompact arrayed waveguide grating demultiplexer based on Si wire waveguide // Japanese Journal of Applied Physics. 2006. Vol. 45, no. 8 A. Pp. 6126 6131.

198. Kahl O., Ferrari S., Kovalyuk V. et al. Spectrally multiplexed single-photon detection with hybrid superconducting nanophotonic circuits // Optica. 2017. Vol. 4, no. 5. Pp. 557 562.

199. Quantum optics route to market // Nature Physics. 2015. Vol. 11, no. 4. Pp. 293 295.

200. Vijayaraghavan A., Oron-Carl M., Blatt S. et al. Ultra-large-scale directed assembly of single-walled carbon nanotube devices. Supporting Information // Nano Letters. 2007. Vol. 7, no. 6. Pp. 1556 1560.

201. Pyatkov F., Fiitterling V., Khasminskaya S. et al. Cavity enhanced light emission from electrically driven carbon nanotubes // Nature Photonics. 2016. no. April. Pp. 1 9.

202. Miura R., Imamura S., Ohta R. et al. Ultralow mode-volume photonic crystal nanobeam cavities for high-efficiency coupling to individual carbon nanotube emitters // Nature Communications. 2014. Vol. 5. P. 5580.

203. Khasminskaya S., Pyatkov F., Flavel B. S. et al. Waveguide-integrated light-emitting carbon nanotubes // Advanced Materials. 2014. Vol. 26, no. 21. Pp. 3465 3472.

204. Flavel B. S., Kappes M. M., Krupke R., Hennrich F. Separation of Single-Walled Carbon // ACS Nano. 2013. no. 7. Pp. 3557 3564.

205. Liu H., Tanaka T., Kataura H. Large-scale single-chirality separation of single-wall carbon nanotubes by simple gel chromatography // Nature Communications. 2011. Vol. 2. P. 309.

206. Bachilo S. M., Strano M. S., Kittrell C. et al. Structure-Assigned Optical

Spectra of Single-Walled Carbon Nanotubes // Science. 2002. Vol. 298, no. 5602. Pp. 2361 2366.

207. Misewich J. A., Martel R., Avouris P. et al. Electrically Induced Optical Emission from a Carbon Nanotube FET // Science. 2003. Vol. 300, no. 5620. Pp. 783 786.

208. Mori T., Yamauchi Y., Honda S., Maki H. An electrically driven, ultrahigh--speed, on-chip light emitter based on carbon nanotubes // Nano Letters. 2014. Vol. 14. Pp. 3277 3283.

209. Pyatkov F., Khasminskaya S., Kovalyuk V. et al. Sub-nanosecond light-pulse generation with waveguide-coupled carbon nanotube transducers // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2017. Vol. 8. Pp. 38 44.

210. Hogele A., Galland C., Winger M., Imamoglu A. Photon antibunching in the photoluminescence spectra of a single carbon nanotube // Physical Review Letters. 2008. Vol. 100, no. 21. Pp. 5 8.

211. Hofmann M. S., Gliickert J. T., Noé J. et al. Bright, long-lived and coherent excitons in carbon nanotube quantum dots. // Nature Nanotechnology. 2013. Vol. 8, no. 7. Pp. 502 5.

212. Ma X., Hartmann N. F., Baldwin J. K. S. et al. Room-temperature single-photon generation from solitary dopants of carbon nanotubes // Nature Nanotechnology. 2015. Vol. 10, no. 8. Pp. 671 675.

213. Hambury Brown R., Twiss R. Q. Correlation between photons in two coherent beams of light // Journal of Astrophysics and Astronomy. 1994. Vol. 15, no. 1. Pp. 13 19.

214. Stiirzl N., Hennrich F., Lebedkin S., Kappes M. M. Near monochiral single-walled carbon nanotube dispersions in organic solvents // Journal of Physical Chemistry C. 2009. Vol. 113, no. 33. Pp. 14628 14632.

215. Marquardt C. W., Grunder S., Blaszczyk A. et al. Electroluminescence from a single nanotube molecule nanotube junction // Nature Nanotechnology. 2010. Vol. 5, no. 12. Pp. 863 867.

216. Pfeiffer M. H. P., Stiirzl N., Marquardt C. W. et al. Electroluminescence from chirality-sorted (9,7)-semiconducting carbon nanotube devices // Optics Express. 2011. Vol. 19, no. November. P. 6.

217. Jakubka F., Backes C., Gannott F. et al. Mapping Charge Transport by Electroluminescence in Chirality- Selected Carbon Nanotube Networks // ASC Nano. 2013. no. 8. Pp. 7428 7435.

218. Chen J., Perebeinos V., Freitag M. et al. Bright infrared emission from electrically induced excitons in carbon nanotubes. // Science. 2005. Vol. 310, no. 5751. Pp. 1171 1174.

219. Mizuochi N., Makino T., Kato H. et al. Electrically driven single-photon source at room temperature in diamond // Nature Photonics. 2012. Vol. 6, no. 5. Pp. 299 303.

220. Mueller T., Kinoshita M., Steiner M. et al. Efficient narrow-band light emission from a single carbon nanotube p-n diode // Nature Nanotechnology. 2010. Vol. 5, no. 1. Pp. 27 31.