Femtosecond laser writing of integrated photonic circuits for multi-photon indistinguishability quantification

Multi-photon states play a crucial role in quantum metrology and in the photonic implementations of quantum computers. Therefore, the generation of many indistinguishable photons is one of the challenges of the current quantum technologies. It is then required to develop tools and techniques for the characterization of the indistinguishability of multiple photons. In fact, while the photon-pair indistinguishability can be directly measured by means of the Hong-Ou-Mandel experiment, when higher number of photons are involved pairwise comparisons are not sufficient to assess the overall photons indistinguishability. In this Thesis, we use an unpublished theoretical scheme to implement a reconfigurable integrated circuit which can be used to assess the genuine indistinguishability of four single photons. The circuit is fabricated by means of the femtosecond laser micromachining technology. The device consists in a 8x8 multiport interferometer, equipped with three integrated microheaters patterned on top, for the thermo-optical tuning of the internal phases. The design of the circuit fully exploits the unique potentialities of the fabrication technique, with the realization of 3D waveguide crossings. Optical waveguides and directional couplers have been optimized for the typical spectral range of quantum dot single photon sources (904 nm - 940 nm). These waveguides yield propagation losses as low as 0.18 dB/cm, and the circuit operation shows good independence from the polarization of impinging light. To enhance the device portability, the integrated device was pigtailed with optical fiber arrays, achieving input-output losses lower than 2 dB. This interferometer can be used for the verification and qualification of single photon sources, or as a tool for the empirical equalization of various degrees of freedom (e.g., temporal delays, polarization states) to obtain indistinguishable photons.

La generazione di diversi fotoni indistinguibili è una delle sfide delle attuali tecnologie quantistiche. Infatti gli stati multi-fotone hanno un ruolo rilevante in metrologia quantistica e per l'implementazioni di quantum computers basati sulla fotonica. Risulta necessario, quindi, sviluppare delle tecniche per la caratterizzazione dell'indistinguibilità di n-fotoni. Tuttavia, se l'indistinguibilità di una coppia di fotoni può essere misurata direttamente mediante l'effetto Hong-Ou-Mandel, utilizzare dei confronti a coppie per la caratterizzare dell'indistinguibilità complessiva di uno stato multi-fotone non è sufficiente. In questa tesi, utilizziamo uno schema teorico non ancora pubblicato per l'implementazione di un circuito integrato riconfigurabile per la stima dell'indistinguibilità di 4 fotoni. Il dispositivo è fabbricato mediante scrittura laser a femtosecondi. Il dispositivo consiste in un interferometro multiporta 8x8 e dotato di tre micro-riscaldatori utilizzati per la modulazione della fase interna dell'interferometro per mezzo dell'effetto termo-ottico. La progettazione e la realizzazione del circuito sfruttano appieno le potenzialità uniche della tecnica di fabbricazione, realizzando strutture compatte e tridimensionali. Le guide d'onda e gli accoppiatori direzionali sono stati ottimizzati per la tipica gamma spettrale di emissione di sorgenti quantum dots, 904 nm - 940 nm, mostrando perdite di propagazione di 0.18 dB/cm e una buona indipendenza dalla polarizzazione della luce in ingresso. Per aumentare la portabilità e facilitare l'accoppiamento, è stata effettuata una connessione permanente con array di fibre, misurando perdite complessive di inserzione inferiori a 2 dB. L'interferometro può essere utilizzato per caratterizzare di sorgenti di singoli fotoni, oppure come strumento per l'equalizzazione empirica dei vari gradi di libertà dei fotoni (es. ritardi temporali, polarizzazione) utilizzati in esperimenti di informazione quantistica.