Femtosecond Laser Micromachining of ring-core waveguides for quantum communication

The development of quantum communications is strongly influencing technological progress. Using quantum systems, it is indeed possible to explore new ways to encode and transmit information. Photons are often used to implement quantum communication, due to their low interaction with the environment. While manipulation of photon based qubits has been studied deeply in recent decades, nowadays another field of interest is represented by high dimensional quantum states, qudits. Qudits live in Hilbert spaces of higher dimension. This technology has great advantages, in fact qudits allow an increased information capacity and are more robust to environmental noise and more secure from eavesdropping attacks. Qudits can be encoded using orbital angular momentum (OAM) as a degree of freedom to expand Hilbert spaces. The state of the art regarding OAM encoding and transmission is mainly about free-space propagation. However, it is interesting the integrated manipulation of OAM, developing waveguides that are able to support these modes. In literature, very few examples are available about these waveguides. In this thesis we will study waveguides with a ring profile, called "ring-core waveguides", that are able to support higher order modes, in particular, OAM modes. These waveguides are realized with Femtosecond Laser Micromachining technique, and different fabrication approaches will be investigated, analyzing the obtained experimental results. This study represent a preliminary approach in order to be able to develop integrated devices like filters or couplers, that are nowadays still not explored in scientific literature.

Lo sviluppo delle quantum communication sta influenzando fortemente il progresso tecnologico. Utilizzando sistemi quantistici, è infatti possibile esplorare nuovi modi di codificare e trasmettere l'informazione. I fotoni sono spesso utilizzati per l'implementazione, grazie alla loro bassa interazione con l'ambiente. Mentre la manipolazione dei qubit basati su fotoni è stata ampiamente studiata negli ultimi decenni, oggi un altro campo di interesse è rappresentato dai qudit. I qudit vivono in spazi di Hilbert di dimensione superiore. Questa tecnologia ha grandi vantaggi: infatti, i qudit consentono una maggiore capacità di trasmissione dell'informazione, sono più robusti rispetto al rumore ambientale e più sicuri contro gli attacchi. I qudit possono essere codificati utilizzando il momento angolare orbitale (OAM) come grado di libertà per espandere gli spazi di Hilbert. Lo stato dell'arte riguardo alla codifica e trasmissione tramite OAM riguarda principalmente la propagazione nello spazio libero. Tuttavia, è interessante la manipolazione integrata dell'OAM che consente di sviluppare guide d'onda in grado di supportare questi modi. In letteratura, sono disponibili pochi esempi riguardo queste guide d'onda. In questa tesi studieremo le guide d'onda con profilo ad anello, chiamate "ring-core waveguides", in grado di supportare modi di ordine superiore, in particolare i modi OAM. Queste guide d'onda sono realizzate tramite la tecnica di micromachining con laser a femtosecondi; verranno investigati diversi approcci di fabbricazione, analizzando i risultati sperimentali ottenuti. Questo studio rappresenta un approccio preliminare per poter sviluppare dispositivi integrati come filtri o accoppiatori, che al momento non sono ancora esplorati nella letteratura scientifica.