Optimization of femtosecond laser writing for low-loss complex integrated photonic circuits

Integrated, reconfigurable photonic circuits are crucial devices in quantum optics and quantum computing applications: in fact, they enable the implementation of different experiments and quantum protocols on the same hardware. In particular, universal photonic processors are reconfigurable circuits which are able to implement any unitary transformation on a given set of input signals. To this aim, an increase in computational power is required to enable quantum advantage, and therefore compact and efficient devices need to be developed in order to increase the number of input and output modes. In this Thesis, I propose different solutions for the minimization of the optical losses of universal photonic processors fabricated by means of femtosecond laser micromachining (FLM). The preliminary fabrication of an 8-mode interferometric circuit with the standard layout set the reference point for the different figures of losses. Optical waveguides and directional couplers have been optimized for the typical emission wavelength of quantum dot single-photon sources (925 nm). In particular, the optimization involved the propagation losses for these waveguides, a new design of the directional couplers and the reduction of coupling losses with standard fiber arrays, by acting on the fan-in/out section. I was able to achieve propagation losses as low as 0.14 dB cm−1, with almost negligible bending losses. The directional couplers feature a flattened design to distance the two arms, which was able to reduce their losses, due to the small interaction distance, by 40%. Finally, the introduction of a tapering section for the waveguides has been suggested, together with a new polynomial layout for the fan-in/out section, allowing the fabrication of waveguides with almost negligible coupling losses. This work aims to reduce the losses encountered when integrating many optical components on chip within the FLM fabrication platform. These results are promising for the implementation of low-loss, complex femtosecond laser written circuits for quantum applications.

I circuiti fotonici integrati riconfigurabili sono fondamentali nelle applicazioni di ottica e computazione quantistica: infatti, permettono di implementare diversi esperimenti e protocolli quantistici sullo stesso dispositivo. In particolare, i processori fotonici universali sono dispositivi riconfigurabili che sono in grado di implementare qualunque trasformazione unitaria su un set di segnali in ingresso. In quest’ottica, è necessario incrementarne la potenza computazionale per raggiungere la supremazia quantistica, e quindi aumentare il numero di modi attraverso lo sviluppo di dispositivi compatti ed efficienti. In questa Tesi, propongo diverse soluzioni per la minimizzazione delle perdite ottiche dei processori fotonici universali fabbricati mediante scrittura laser a femtosecondi. Il punto di riferimento per i differenti termini di perdite è dato dalla caratterizzazione di un circuito interferometrico a 8 modi, fabbricato con la struttura standard. Le guide d’onda e gli accoppiatori direzionali sono stati ottimizzati per la lunghezza d’onda di emissione tipica di sorgenti quantum dots a singolo fotone (925 nm). In particolare, il processo di ottimizzazione ha coinvolto le perdite di propagazione delle guide d’onda, un nuovo design degli accoppiatori direzionali e la riduzione delle perdite di coupling con i fiber-arrays, agendo sulla sezione di fan-in e fan-out. Ho ottenuto guide che mostrano perdite di propagazione di 0.14 dB cm−1, con trascurabili perdite di curvatura. Un design appiattito per gli accoppiatori direzionali è stato introdotto, che è stato in grado di ridurre le perdite aggiuntive dovute alla piccola distanza di interazione del 40%. Infine, è stata suggerita l’introduzione di una sezione di tapering per le guide che, insieme a una nuova curva polinomiale per la sezione di fan-in/out, ha permesso di ottenere guide d’onda con perdite di accoppiamento trascurabili. Questo lavoro punta a ridurre le perdite incontrate quando numerosi componenti ottici vengono integrati su un dispositivo. Questi risultati sono promettenti per l’implementazione di circuiti ottici complessi a basse perdite per applicazioni quantistiche scritti per mezzo di tecnologia laser a femtosecondi.