Towards OAM light generation with femtosecond laser written waveguides circuits

Applications with a focus on the orbital angular momentum (OAM) of classical and quantum light states have significant potential due to the ability to encode information in spatial degrees of freedom. Such states form discrete high-dimensional quantum systems, also called qudits, which in principle can have any number of discrete levels. As a result, the qudit enlarges the amount of information that a single quantum carrier can hold. An OAM beams could be produced exploiting the far-field distribution produced by the outputs of an array of N waveguides, placed at the vertices of a regular polygon, endowed with a cyclical phase. In this thesis, the specifications and the design of the integrated circuit to transform eight uncoupled waveguides into an octagonal cross section are presented. It describes in detail the fabrication of the waveguides together with their optical characterization. The design of the circuit fully exploits the unique potentialities of the femtosecond laser micromachining technique to realize three-dimensional waveguides. The device consists of single-mode optical waveguides working at an 808 nm wavelength. The parasitic coupling among the waveguides was quenched by controlling the propagation constant of the waveguides in the region where they are brought close together to produce the final octagonal structure. The optimal devices that have been achieved have more than 95% of the input power remaining in the same arm while the interaction distance was as low as 6.6 μm between the waveguides.

Le applicazioni incentrate sul momento angolare orbitale (OAM) degli stati di luce classici e quantistici hanno un potenziale significativo grazie alla capacità di codificare le informazioni nei gradi di libertà spaziali. Tali stati formano sistemi quantistici discreti ad alta dimensione, chiamati anche qudits, che in linea di principio possono avere un numero qualsiasi di livelli discreti. Di conseguenza, il qudit amplia la quantità di informazioni che un singolo vettore quantistico può contenere. Un fascio OAM potrebbe essere prodotto sfruttando la distribuzione di campo lontano prodotta dalle uscite di un array di N guide d'onda, poste ai vertici di un poligono regolare, dotato di una fase ciclica. In questa tesi vengono presentate le specifiche e il progetto del circuito integrato per trasformare otto guide d'onda disaccoppiate in una sezione ottagonale. Viene descritta in dettaglio la fabbricazione delle guide d'onda e la loro caratterizzazione ottica. Il progetto del circuito sfrutta appieno le potenzialità uniche della tecnica di microlavorazione laser a femtosecondi per realizzare guide d'onda tridimensionali. Il dispositivo è costituito da guide d'onda ottiche monomodali che lavorano a una lunghezza d'onda di 808 nm. L'accoppiamento parassita tra le guide d'onda è stato eliminato controllando la costante di propagazione delle guide d'onda nella regione in cui vengono avvicinate per produrre la struttura ottagonale finale. I dispositivi ottimali ottenuti hanno più del 95% della potenza in ingresso che rimane nello stesso braccio, mentre la distanza di interazione tra le guide d'onda è stata di soli 6,6 μm.