Towards fully reconfigurable and cryogenically compatible Mach-Zehnder interferometers fabricated by femtosecond laser micromachining

The reversible transfer of quantum states of light into and out of matter constitutes a critical building block for future quantum communication applications: it will permit the synchronisation of quantum information and the realisation of quantum repeaters and quantum networks. Consequently, much action has been dedicated to developing such quantum memories, the fundamental property of which is the preservation of entanglement during storage. This quantum revolution aims to bring the research of quantum technologies to real applications. The engineering difficulty is developing proper hardware to achieve it. Photonics help us with the designing of these new types of memory, thanks to the exciting properties of the photon. In addition, photonics can rely on capabilities of miniaturisation and experimental scalability delivered by waveguide-based integrated optics, a well-known technology designed for classical light processing during the last 50 years and mature at the industrial level. This thesis work aims to deal with the design and the implementation of a photonic chip with the femtosecond laser micromachining technique for fabricating high-quality optical waveguides in glass and compatible with a specific rare-earth doped matrix (i.e. $Pr^{3+}:Y_2SiO_5$), one of the best material for the fabrication of integrated quantum memories. The chip structure is composed by different elemental integrated optics devices, such as directional couplers, Mach-Zehnder interferometers and reconfigurable thermal phase shifters. We focused on optimising the fabrication parameters to design high-quality components, with waveguides exhibiting propagation losses in the order of 0,1 dB/cm with good reproducibility of the coupler splitting ratios and compatible with cryogenic environment. The overall experimental activity included an accurate characterisation of the performances of each element using classical laser light at 607 nm.

Il trasferimento reversibile di stati quantistici di luce dentro e fuori la materia costituisce un elemento fondamentale per le future applicazioni di quantum communication: esso consentirà la sincronizzazione delle informazioni quantistiche e la realizzazione di ripetitori e reti quantistiche. Di conseguenza, molta attenzione è stata dedicata allo sviluppo di tali memorie quantistiche, la cui proprietà fondamentale è la preservazione dell'entanglement durante lo storage. Questa rivoluzione quantistica mira a portare la ricerca delle tecnologie quantistiche ad applicazioni reali. La difficoltà ingegneristica è quella di sviluppare l'hardware adeguato per raggiungerlo. La fotonica ci aiuta nella progettazione di questi nuovi tipi di memoria, grazie alle eccitanti proprietà del fotone. Inoltre, la fotonica può fare affidamento sulle capacità di miniaturizzazione e scalabilità sperimentale fornite dall'ottica integrata basata su guida d'onda, una tecnologia ben nota e progettata per l'elaborazione della luce classica negli ultimi 50 anni e matura a livello industriale. Questo lavoro di tesi si propone di affrontare la progettazione e l'implementazione di un chip fotonico con la tecnica di microlavorazione laser a femtosecondi per la fabbricazione di guide d'onda ottiche di alta qualità in vetro e compatibile con una specifica matrice drogata con terre rare (es. $Pr^{3+}:Y_2SiO_5$), uno dei migliori materiali per la fabbricazione di memorie quantistiche integrate. La struttura del chip è composta da diversi dispositivi ottici integrati elementari, come accoppiatori direzionali, interferometri Mach-Zehnder e sfasatori termici riconfigurabili. Ci siamo concentrati sull'ottimizzazione dei parametri di fabbricazione per progettare componenti di alta qualità, con guide d'onda che mostrano perdite di propagazione nell'ordine di 0, 1 dB/cm con una buona riproducibilità degli splitting ratio dell'accoppiatore e compatibile con ambiente criogenico. L'attività sperimentale complessiva prevedeva un'accurata caratterizzazione delle prestazioni di ciascun elemento utilizzando la luce laser classica a 607 nm.