Femtosecond laser writing of photonic integrated circuits for quantum technologies

In this thesis work we present the femtosecond laser writing of several photonic circuits for different applications in the field of quantum photonics, including the validation of waveguides for space-based optical communications, the realization of scalable photonic processors for quantum computing and photonic neuromorphic networks, and the fabrication of a device for quantum metrology. Despite their diversity, these works share some common features, such as the reconfigurability and the three-dimensionality of the fabricated circuits, both provided by the unique capabilities of femtosecond laser writing, and the effort towards the implementation of experiments employing a large number of photons. In this respect, we also present the optimization of a quantum dot single photon source, which can be interfaced with the circuits fabricated with this technology for further scaling the complexity of the performed experiments.

In questo lavoro di tesi viene presentata la microfabbricazione tramite laser a femtosecondi di alcuni dispositivi fotonici integrati con applicazioni in diversi ambiti dell’ottica quantistica. In particolare, vengono trattate la validazione di guide ottiche integrate per un uso nelle comunicazioni satellitari, la realizzazione di processori fotonici scalabili con applicazioni nell’informazione quantistica e nell’implementazione di reti fotoniche neuromorfiche, e infine la fabbricazione di un dispositivo per metrologia quantistica. Nonostante la loro diversità, questi lavori hanno in comune alcune caratteristiche, come la riconfigurabilità e la tridimensionalità dei dispositivi fabbricati, entrambe permesse dalle peculiarità della scrittura tramite laser a femtosecondi, e l’impegno verso la realizzazione di esperimenti a molti fotoni. A questo proposito, nella tesi viene anche presentata l’ottimizzazione dell’emissione di una sorgente a singolo fotone basata su quantum dot, che può essere usata con i circuiti fabbricati con questa tecnologia per aumentare in maniera significativa la complessità degli esperimenti eseguiti.