Femtosecond laser writing of polarization insensitive photonic circuits for quantum optics and astrophotonics applications

In this thesis we present the optimization of a fabrication process, based on conventional femtosecond laser waveguide microfabrication, that allows to realize integrated optical circuits in glass with highly reduced birefringence and, consequently, a strong polarization insensitive behavior. Such process relies on performing a thermal annealing of the sample after the laser irradiation step, for eliminating the mechanical stress that accumulates inside the material during the waveguide inscription. With this method we can fabricate single mode waveguides for 701 nm and 1310 nm light, with measured propagation loss < 0.3 dB/m and a polarization sensitivity of the evanescent coupling coefficient smaller than 1%. For benchmarking the effectiveness of our new fabrication process, we present the realization and the characterization of an integrated optical circuit, capable of producing the quantum walk of pairs of photons entangled in both the polarization and the path degree of freedom (a so-called hyperentangled state). Such application, very relevant for the development of quantum technologies, is especially demanding in terms of photon loss and polarization insensitivity of the devices, as these aspects might deteriorate unavoidably the fragile quantum state of the input light. The quantum walk device is composed by a network of polarization insensitive directional couplers and reconfigurable phase shifters, forming a complex multimode interferometric circuit. A characterization of this device performed with classical light testified its correct functioning, with measured fidelities of the output intensity distribution as high as 97% with respect to what expected from theory. As a further confirmation of the validity of our method, we present in this thesis also the successful fabrication and the characterization of a low loss and polarization insensitive discrete beam combiner, a device which finds application in the field of astrophotonics.

In questa tesi riportiamo l’ottimizzazione di un processo fabbricativo, basato sulla microfabbricazione di guide con laser a femtosecondi, che permette di ottenere circuiti ottici integrati in vetro con bassa birifrangenza, e di conseguenza con un comportamento fortemente insensibile alla polarizzazione. Questo processo si basa su un trattamento termico del campione dopo la fase di scrittura, per eliminare lo stress meccanico accumulato nel materiale in seguito alla modifica indotta dal laser. Con questo metodo siamo riusciti ad ottenere guide a singolo modo per le lunghezze d’onda di 701 nm e 1310 nm, caratterizzate da un coefficiente di accoppiamento con sensibilità alla polarizzazione minore dell’1% e da perdite di propagazione misurate inferiori a 0.3 dB/cm. Per dimostrare l’efficacia del nostro nuovo metodo di fabbricazione, presentiamo in questa tesi anche la realizzazione, e successiva caratterizzazione, di un circuito ottico integrato per l’implementazione di un quantum walk a tempo discreto. Il dispositivo, progettato per una coppia di fotoni entangled sia in polarizzazione sia in cammino ottico (un cosiddetto stato hyperentangled), rappresenta un’applicazione rilevante nel campo delle tecnologie quantistiche. Per non deteriorare inevitabilmente il fragile stato quantistico della luce in ingresso, il circuito deve avere basse perdite e bassa birifrangenza. Il quantum walk che riportiamo è composto da una cascata di accoppiatori direzionali, la cui riflettività non dipende dalla polarizzazione, e da una serie di sfasatori termici riconfigurabili, in modo da formare un circuito complesso di interferometri. Caratterizzando il dispositivo con luce classica, abbiamo verificato il suo corretto funzionamento, misurando valori di fidelity tra la distribuzione di intensità in uscita e quella teorica fino al 97%. Come ulteriore conferma della validità del nostro metodo, presentiamo in questa tesi anche la fabbricazione e caratterizzazione di un discrete beam combiner con basse perdite e insensibile alla polarizzazione, dispositivo che trova la sua applicazione nel campo dell’astrofotonica.