Scaling of universal photonic processors fabricated by femtosecond laser micromachining

In the recent years, huge efforts are made by the research community in the integrated photonics toward a large scale realization of photonic integrated circuits (PICs). An interesting class of PICs are Universal Photonic Processors. In general, these devices consist of a N-modes optical meshes able to implement any arbitrary unitary transformation on a given N-mode input state. Such class of PICs, have direct applications in quantum simulations and in quantum computing, representing the core processor of a photonic quantum computer. Among the different technological platforms available nowadays for PICs fabrication, Femtosecond Laser Micromachining (FLM) offers an agile and cost-effective solution with a wide range of advantages in comparison with standard planar processes. The experimental realization of complex UPPs represent a challenge in (nowadays) integrated photonics. Indeed, as the number of light modes at the input of an UPP increases, so does the complexity of the circuit’s layout, increasing the footprint, electrical and optical losses issues. In this work we will cope with the scaling challenges for the realization of a 8-mode UPP device for a wavelength of 925 \unit{ m} compatible with state-of-the-art quantum dot single photon sources. In particular, in the framework of the FLM fabrication platform, we will discuss several designs and we will follow a complete optimization of the optical components. A thorough optimization of the femtosecond laser-written waveguides led to the fabrication of guiding structures with propagation losses as below 0.25 dB/cm. In addition, the impact of design choices will be investigated on the realization of the electrical part and on the fabrication of thermal isolation structures. This work will aim ultimately in redefine the state of the art for femtosecond laser-written UPPs and open new prospects in the realization of higher mode devices exploiting the advantages of the FLM platform.

Negli ultimi anni, la comunità scientifica della fotonica integrata ha concentrato i propri sforzi per la realizzazione su larga scala di Circuiti Fotonici Integrati (CFI). Una classe in particolare tra i CFI è quella dei Processori Fotonici Universali (PFU). In generale, questi dispositivi sono composti da una rete di N-modi ottici in ingresso. Questa classe di CFI, ha applicazioni dirette per quanto riquarda le simulazioni e la computazione quantistica e rappresenterebbero il nucleo di un possibile computer fotonico quantistico. Tra le diverse tecnologie messe a disposizione oggigiorno per la fabbricazione dei CFI, la Scrittura Laser a Femtosecondi (SLF) offre una soluzione rapida e a basso costo con una serie di vantaggi ad ampio spettro in confronto ad altri processi planari più ordinari. In questo lavoro di Tesi ci occuperemo delle problematiche della scalabilità per la realizzazione di un PFU a 8 modi ottici operante a 925 \unit{ m} e perciò compatibile con lo stato dell'arte delle sorgenti a singolo fotone quantum dot. In particolare, in riferimento alla SLF discuteremo diverse configurazioni e presenteremo un lavoro di ottimizzazione completo dei componenti ottici. L'ottimizzazione per guide d'onda fabbricate in SLF ha portato in particolare a valori di perdita in propagazione al di sotto di 0.25 \unit{decibel/cm}. Inoltre, si investigherà l'impatto delle varie configurazioni sulla realizzazione della parte elettrica e della fabbricazione delle strutture di isolamento termico. Questo lavoro si pone lo scopo di ridefinire lo stato dell'arte per i PFU realizzati con scrittura laser a femtosecondi e apre la strada per la realizzazione di dispositivi a numero di modi superiore a 8 sfruttando i vantaggi della SLF.