Femtosecond Laser Writing in Material Platforms for Quantum Technologies

Color centers in wide bandgap semiconductors have a disruptive potential for quantum technology, as they act as single photon sources and can be used as spin qubits. Recently, femtosecond laser writing of integrated photonic circuits emerged as a valuable technique due to its capability of 3D patterning with low residual lattice damage. In this thesis work, in-depth details of the aforementioned writing method, a study of the optimal parameters, and its application towards the creation of photonic components, such as waveguides and Y-Splitters, is presented. Moreover, the possibility to create vacancy-related defects within the bulk of relevant platforms such as diamond, silicon carbide and hexagonal boron nitride, is explored and findings are reported. This study emphasizes the convenience and adaptability of femtosecond laser fabrication of integrated quantum photonic devices in relevant platforms for quantum applications and looks forward to the development of this technique as a possible game changer for fully exploit and uncover the powerful nature of the 21-th century ‘’particle zoo’’ represented by color centers.

I centri di colore nei semiconduttori a larga banda proibita hanno un potenziale dirompente per le tecnologie quantistiche, poiché agiscono come sorgenti di singolo fotone e possono essere usati come qubit di spin. Recentemente, la scrittura con laser a femtosecondi di circuiti fotonici integrati è emersa come una tecnica di valore data la sua capacità di creare strutture 3D con bassi danni residuali al reticolo cristallino. In questo lavoro di tesi vengono presentati dettagli approfonditi sul metodo sopra mensionato, uno studio dei parametri ottimali e le sue applicazioni verso la creazione di componenti fotonici come guide d'onda e biforcazioni. Inoltre, la possibilità di creare difetti legati a lacune all'interno di piattaforme rilevanti come diamante, carburo di silicio e nitruro di boro esagonale, è esplorato e risultati vengono riportati. Questo studio enfatizza la convenienza e adattabilità della fabricazione tramite laser a femtosecondi di dispositivi di fotonica quantistica integrati in piattaforme rilevanti per le tecnologie quantistiche e guarda con interesse verso lo sviluppo di questa tecnica come un possibile punto di svolta per sfruttare appieno e scoprire la potente natura dello ''zoo delle particelle'' del 21esimo secolo rappresentato dai centri di colore.