Novel semiconductor photon sources for quantum and nonlinear applications

The field of photonics has witnessed significant growth in recent years, finding applications in communication, sensing, and quantum applications. This Ph.D. thesis focuses on two main areas in photonics research. The first part addresses the development of a silicon photon source for secure quantum key distribution (QKD). The proposed device utilizes erbium-oxygen co-doping in a silicon p-n junction, enabling on-chip light emission for QKD applications. The second part investigates the use of AlGaAs doubly-resonant photonic crystals for efficient nonlinear optical effects, such as second harmonic generation (SHG) and spontaneous parametric down-conversion (SPDC). The thesis presents the design, fabrication, and characterization of these photonic crystals, highlighting their potential for enhancing quantum communication and nonlinear optics.

Il campo della fotonica ha assistito a una significativa crescita negli ultimi anni, nella comunicazione, nella sensing e nell’ottica quantistica. Questa tesi di dottorato si concentra su due aree principali di ricerca. La prima parte affronta lo sviluppo di una sorgente di fotoni completamente in silicio per implementare il protocollo di Quantum Key Distribution (QKD). Il dispositivo proposto sfrutta l’elettroluminescenza di centri erbio-ossigeno introdotti in una giunzione p-n. La seconda parte si concentra sulla realizzazione cristalli fotonici risonanza doppia in AlGaAs per effetti ottici non lineari efficienti, come la generazione del secondo armonico (SHG) e la conversione parametrica spontanea (SPDC). La tesi presenta il design, la fabbricazione e la caratterizzazione di tali dispositivi, evidenziandone il potenziale nella comunicazione quantistica e l'ottica non-lineare.