Femtosecond-laser-written wavelength division multiplexer for quantum photonics applications

The implementation of an integrated source capable of generating complex quantum states is a key milestone in the development of photonic quantum technologies. Integrated optics represents one of the most promising platforms to fulfil this task. Indeed, the generation of single photon-pairs, based on non-degenerate spontaneous parametric down conversion in integrated waveguides, represents a promising solution due to the enhanced stability and the increased nonlinear interaction. However, a complete standalone and integrated source should not only encompass the photon pairs generation stage, but it should feature both an efficient pump filtering and the capability to divide idler (heralding) photons from the signal (heralded) ones. In this thesis, the fabrication and characterization of an integrated Wavelength Division Multiplexer (WDM) for a heralded integrated single-photons source is presented. This component relies on the wavelength dependence of the coupling coefficient in directional couplers. This device has been fabricated using the Femtosecond Laser Micromachining technique in a glass substrate. First, we fabricated a WDM at telecom wavelengths of 1550/1310 nm achieving very good extinction ratio, namely 24 and 22 dB respectively. We also fabricated and tested a WDM at closer wavelengths, i.e. 1510/1588 nm, obtaining an extinction ratio of 17 e 16 dB respectively. In addition, with the aim of optimizing the overall performance of this component by reducing its optical losses, we studied a new fabrication process on a different glass substrate, namely the Borofloat 33 instead of EAGLE XG. In particular, for the new substrate we measured propagation losses around 0.03 dB/cm for straight waveguides, which can be considered a state-of-the-art result for waveguides fabricated via femtosecond laser writing and are almost an order of magnitude better with respect to the previous platform. Finally, a 1510/1588 nm WDM was fabricated using this substrate, achieving an extinction ratio of 19 dB for both wavelengths.

L’implementazione di una sorgente integrata in grado di generare stati quantistici complessi è un traguardo fondamentale nello sviluppo delle tecnologie quantistiche fotoniche. L’ottica integrata rappresenta una delle piattaforme più promettenti per realizzare questo compito. Infatti, la generazione di coppie di singoli fotoni, basata sul processo spontaneo di parametric down conversion non degenere in guide d’onda integrate, rappresenta una soluzione promettente grazie alla maggiore stabilità e alla maggiore interazione non lineare. Tuttavia, una sorgente completa, autonoma e integrata, non dovrebbe comprendere solo la fase di generazione delle coppie di fotoni, ma dovrebbe essere dotata sia di un efficiente filtraggio della pompa che della capacità di dividere i fotoni idler (annunciatori) da quelli di signal (annunciati). In questa tesi, viene presentata la fabbricazione e la caratterizzazione di un wavelength division multiplexer per una sorgente integrata di singoli fotoni annunciati. Questo componente si basa sulla dipendenza dalla lunghezza d’onda del coefficiente di accoppiamento negli accoppiatori direzionali. Questo dispositivo è stato fabbricato usando la tecnica di microfabbricazione di guide con laser a femtosecondi in un substrato di vetro. Per prima cosa, abbiamo fabbricato un WDM per le lunghezze d’onda tipiche della telecomunicazione di 1550/1310 nm raggiungendo un ottimo rapporto di estinzione, ovvero 24 e 22 dB rispettivamente. Abbiamo anche fabbricato e testato un WDM a lunghezze d’onda più vicine, cioè 1510/1588 nm, ottenendo un rapporto di estinzione di 17 e 16 dB rispettivamente. Inoltre, allo scopo di ottimizzare le prestazioni complessive di questo componente riducendo le sue perdite ottiche, abbiamo studiato un nuovo processo di fabbricazione su un diverso substrato di vetro, ovvero usando Borofloat 33 invece di EAGLE XG. In particolare, per il nuovo substrato abbiamo misurato perdite di propagazione intorno a 0.03 dB/cm per guide d’onda dritte, il che può essere considerato uno tra i migliori risultati nello stato dell’arte per guide d’onda fabbricate tramite scrittura laser a femtosecondi e risultando essere quasi un ordine di grandezza migliore rispetto alla piattaforma precedente. Infine, un WDM 1510/1588 nm è stato fabbricato utilizzando questo nuovo substrato, ottenendo un rapporto di estinzione di 19 dB per entrambe le lunghezze d’onda.