Fully reconfigurable Mach Zehnder interferometers for the storage of photonic entanglement in a laser written photonic chip

Quantum memories are important tools in quantum photonics, in which they allow the syncrhronization of multiple devices when many different probabilistic quantum processes are linked together. The realization of efficient, long-lived quantum memories is of paramount importance for many applications, for example the creation of large scale secure quantum networks. This thesis work aimes the realization of a pair of integrated photonic waveguide circuits containing reconfigurable Mach Zehnder interferometers compatible with solid state quantum memories for the construction of a hybrid glass-crystal integrated platform capable of storing photonic entanglement. The interferometers are fabricated by femtosecond laser micromachining in borosilicate glass. One interferometer will be placed before the quantum memories to create the path entanglement, while the other will be placed after the memories and it will allow to carry out tomography of the output state. Each interferometer is equipped with two microheaters patterned on top of it, to allow for the control of the internal and external phases exploiting the thermo-optic effect. Isolation microstructures are realized by laser ablation beneath each microheater to improve the heating efficiency. The devices have been optimized to work at a wavelength of 607 nm to be used together with the already available quantum memories. Propagation losses as low as 0.13 dB/cm are obtained for the optical waveguides, together with good mode matching with commercial single-mode fibers. The final device can be used to store path-encoded photonic qubits following the Atomic Frequency Comb protocol for operating the quantum memory.

Le memorie quantistiche sono un’importante stromento per la fotonica quantistica, poichè permettono di sincronizzare dispositivi diversi in cui avvengono processi probabilistici. La realizzazione di memorie quantistiche efficienti e con lunghi tempi di coerenza è di primaria importanza per molte applicazioni, tra cui la creazione di network quantistici sicuri su larga scala. Questa tesi è mirata alla realizzazione di una coppia di circuiti fotonici integrati contentnti interferometri Mach Zehnder riconfigurabili, da usare assieme a una coppia di memorie quantistiche a stato solido per l’immagazzinamento entanglement fotonico. Gli interferometri sono fabbricati tramite scrittura laser a femtosecondi in chip di vetro borosilicato. Un interferometro verrà posizionato prima delle memorie quantistiche per la preparazione dello stato da immagazzinare, mentre l’altro seguirà le memorie per condurre una tomografia sullo stato in uscita da esse. Ogni interferometro è dotato di due microriscaldatori per il controllo delle fasi interne ed esterne tramite effetto termo-ottico. Per rendere più efficiente la dissipazione di calore, sono state realizzate microstrutture di isolamento sotto ai microriscaldatori. I dispositivi sono stati ottimizzati per lavorare a 607 nm, così da essere usati assieme alle memorie quantistiche, già disponibili. Le strutture guidanti mostrano perdite di propagazione fino a 0.13 dB/cm e buon mode-matching con fibre ottiche a singolo modo in commercio. Il dispositivo globale può essere usato per l’immagazzinamento di qubit fotonici pathencoded secondo lo schema AFC - atomic frequency comb.