Integrated photonic devices for quantum information processing

This thesis work deals with the realization of integrated optical circuits for the generation and manipulation of quantum states of light. Integrated devices have been mainly realized through femtosecond laser micromachining technique. Regarding the generation of quantum states, integrated sources of entangled photon-pair have been fabricated and characterized. Concerning the manipulation of quantum states and in particular of polarization encoded qubits, a fully polarization insensitive device has been theoretically studied and then fabricated and characterized. In addition, the performance of thermal phase shifters in femtosecond laser written circuits has been optimized, reaching state-of-the art values of control parameters. Lastly, leveraging on lithographic processes and exploiting PoliFab, the micro- and nano-fabrication facility of Politecnico di Milano, we developed a new platform based on silicon oxynitride.

In questo lavoro di tesi vengono utilizzate diverse tecniche di micro-fabbricazione per la realizzazione di dispositivi ottici integrati con applicazioni nell'ambito dell'informazione quantistica, in particolare per la generazione e la manipolazione di stati quantistici basati su fotoni. Sfruttando la tecnica di fabbricazione tramite laser a femtosecondi, sorgenti di singoli fotoni e fotoni entangled sono state integrate su chip. In aggiunta, la stessa tecnica ha permesso la realizzazione di dispositivi insensibili alla polarizzazione per la manipolazione di stati quantistici codificati nella polarizzazione dei singoli fotoni. L'ottimizzazione delle prestazioni e del controllo degli sfasatori termici, che rappresentano componenti essenziali per ampliare le funzionalità dei circuiti ottici integrati, ha permesso di estendere ulteriormente le capacità di tale tecnica di fabbricazione. Infine, una nuova piattaforma basata su guide in ossinitruro di silicio è stata sviluppata all'interno di PoliFab, il centro per le micro- e nano-fabbricazioni del Politecnico di Milano.