Die Integration optischer Bauteile mit hoher Präzision und Genauigkeit wird für künftige Quantenanwendungen in den Bereichen der Kommunikation und Sensorik unerlässlich sein. Dafür benötigen wir verlustarme Wellenleiter, Erzeugung von Quantenzuständen, aktive Modulation und Einzelphotonendetektion. In dieser Arbeit präsentiere ich die Herstellung von Bauteilen für jedes Element dieser Liste in Titan-eindiffundiertem Lithiumniobat (Ti:LN) mittels maskenloser optischer Lithografie. Mit einem einzigem Lithografiesystem können wir Strukturen, deren Größen sich über sechs Größenordnungen erstrecken (von hunderten Nanometern bis zu mehreren Zentimetern), herstellen. Wir demonstrieren verlustarme Wellenleitung, periodische Polung, elektrooptische Modulation und supraleitenden Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) auf Silizium mit Mikrometerbreite. Die Vielseitigkeit, die durch den Einsatz einer maskenlosen Lithografie gewonnen wird, trägt dazu bei, Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation und Sensorik voranzutreiben. Während die Herstellung von SNSPDs auf Lithiumniobat eine Herausforderung bleibt, haben wir mehrere der in Ti:LN realisierten Bauteile kombiniert, um eine erste Implementierung der Homodyne-Detektion mit Off-Chip SNSPDs zu zeigen. Die Interferenz mit dem Vakuum zeigte, dass der Detektor als linearer Detektor verwendet werden kann und dass das Signal durch Schrotrauschen limitiert ist. Wir haben festgestellt, dass die Lokaloszillatorleistung um 49 dB reduziert werden kann, bevor der Detektor nicht mehr schrotrauschbegrenzt ist. Dies ist der bisher größte gemessen Bereich. Die Ergebnisse zeigen die vielseitige Verwendbarkeit dieser Detektoren zur Erforschung des Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts.

Integration of optical components with high precision and accuracy will be essential for future quantum applications in communications and sensing. For this, we need low-loss waveguides, quantum-state generation, active modulation, and single photon detection. In this work, I present the fabrication of devices for each element of this list in titanium in-diffused lithium niobate (Ti:LN) using a maskless optical lithography. Using a single lithography system, we can fabricate devices whose structure sizes span six orders of magnitude (from hundreds of nanometers to several centimeters). We demonstrate low-loss waveguiding in Ti:LN, periodic poling for quasi-phase matching, electro-optic modulation, and fabrication of superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs) on silicon with widths in the micrometer range. The versatility gained by using a maskless laser lithography will help developing applications in the field of quantum communications and sensing. While fabrication of SNSPDs on z-cut lithium niobate remains a challenge, we combined multiple devices realized in Ti:LN to demonstrate a first implementation of homodyne detection with off-chip SNSPDs. Interference with vacuum showed that the detector can be used as a linear detector by evaluating the count rate of a SNSPD and that the signal is shot-noise limited. We were able to measure a shot-noise clearance of 49 dB, which is the highest reported clearance for an optical homodyne detector. The results demonstrate the versatility of these detectors for exploring the wave-particle duality of light.