Monolithic and hybrid semiconductor photonic devices for quantum information

Photonic quantum technologies represent a promising platform for several quantum information applications, ranging from long-distance communications to the simulation of complex phenomena. On the one hand, the advantages offered by single photons (robustness to decoherence, propagation over very large distances) make them the candidate of choice to carry quantum information for many applications. On the other hand, the emergence of integrated quantum photonics has led to the demonstration of photon manipulation on complex circuits with near-perfect phase stability. Among the various investigated platforms, AlGaAs semiconductor chips emerge for their strong nonlinearity and direct bandgap, for their capability of generating non-classical states of light at room temperature and for their high integrability. Here we demonstrate a broadband photon pair source consisting of an AlGaAs waveguide based on Bragg reflectors, supporting all three types of possible phase-matching (PM) and thus providing a high versatility in the polarization of the emitted photons in view of various applications. The nonlinear response of the device is first characterized through second harmonic generation (SHG) measurements: the three types of available PM are retrieved on the same chip, with type 0 and type 2 PM offering a considerably high conversion efficiency (∼120%W−1cm−2). Photon pairs are then generated via spontaneous parametric down-conversion (SPDC), with a measured brightness of 10^3s−1mW−1nm−1 over a bandwidth larger than 80nm. The non-classicality of the emitted state is characterized through an energy-time entanglement measurement, using a fibred Franson interferometer in the folded configuration. The broadband nature of the produced biphoton states combined with the PM versatility of the source offers a testbed to investigate the interplay of chromatic and polarization dispersion in the energy-time entanglement visibility. Visibilities up to 99% are observed for both type 0 and type 2 generation processes. This high visibility, together with its intrinsic robustness to environment perturbations, makes the generated state an appealing resource for quantum information applications, especially in quantum communication. Besides the intrinsic interest, this AlGaAs source is envisioned for its integration with Silicon-on-Insulator (SOI) photonic circuits, in order to leverage the strengths of each material platform. The design and fabrication of a hybrid AlGaAs/SOI device has already been accomplished, together with the optical mode transfer via adiabatic coupling. The demonstration of the quantum properties of this device is the next step towards the validation of the device as hybrid platform to generate and manipulate quantum states of light.

Le tecnologie quantistiche fotoniche rappresentano una piattaforma promettente per diverse applicazioni nell'ambito dell'informazione quantistica, che vanno dalle comunicazioni a lunga distanza alla simulazione di fenomeni complessi. Da un lato, i vantaggi offerti dai singoli fotoni (robustezza alla decoerenza, propagazione su distanze molto grandi) li rendono il candidato d'elezione per trasportare informazioni quantistiche per un'ampia varietà di applicazioni. D'altra parte, l'emergere della fotonica quantistica integrata ha portato alla dimostrazione della manipolazione di fotoni in circuiti complessi con una stabilità di fase quasi perfetta. Tra le varie piattaforme studiate, i chip a semiconduttore in AlGaAs emergono per la loro forte non linearità e il bandgap diretto, per la loro capacità di generare stati non classici di luce a temperatura ambiente e per la loro elevata integrabilità. Qui si dimostra una sorgente di coppie di fotoni a banda larga costituita da una guida d'onda in AlGaAs basata su riflettori di Bragg, che supporta tutti e tre i tipi di phase-matching (PM) possibili e fornisce quindi un'elevata versatilità nella polarizzazione dei fotoni emessi, in vista di varie applicazioni. La risposta non lineare del dispositivo viene innanzitutto caratterizzata attraverso misure di generazione di seconda armonica (SHG): i tre tipi di PM disponibili vengono rilevati sullo stesso chip, con i PM di tipo 0 e 2 che offrono un'efficienza di conversione notevole (∼120%W−1cm−2). Le coppie di fotoni vengono poi generate tramite la conversione parametrica spontanea (SPDC), con una luminosità misurata di 10^3s−1mW−1nm−1 su una larghezza di banda maggiore di 80 nm. La non classicità dello stato emesso è stata caratterizzata attraverso una misura di entanglement energia-tempo, utilizzando un interferometro di Franson fibrato in configurazione folded. La natura a banda larga degli stati bifotonici prodotti, combinata con la versatilità in termini di PM della sorgente, offre un banco di prova per studiare l'interazione tra dispersione cromatica e polarizzazione nella visibilità dell'entanglement energia-tempo. Si osservano visibilità fino al 99% sia per i processi di generazione di tipo 0 che di tipo 2. Questa elevata visibilità, insieme alla sua intrinseca robustezza alle perturbazioni ambientali, rende lo stato generato una risorsa appetibile per applicazioni nell'informazione quantistica, in particolare nella comunicazione quantistica. Oltre al suo interesse intrinseco, questa sorgente in AlGaAs è concepita per l'integrazione con circuiti fotonici in silicio-su-isolante (SOI), al fine di sfruttare i punti di forza di ciascuna piattaforma materiale. La progettazione e la fabbricazione di un dispositivo ibrido AlGaAs/SOI sono già state realizzate, insieme al trasferimento dei modi ottici tramite accoppiamento adiabatico. La dimostrazione delle proprietà quantistiche di tale dispositivo rappresenta un prossimo passo verso la sua validazione come piattaforma ibrida capace di generare e manipolare stati quantistici di luce.