Femtosecond-laser-written time-bin receiver for quantum communication application

The implementation of a robust and efficient quantum key distribution (QKD) receiver is an important milestone for secure quantum communications. Integrated optics represents one of the most promising platforms to fulfill this task. However, a complete standalone receiver should not only have low losses, but also feature the ability to detect light at its maximum visibility regardless of its polarization. In this thesis, we present the design, fabrication and characterization of a time-bin QKD receiver realized through femtosecond laser micromachining in an EAGLE XG glass substrate. Due to its unique properties such as the low and tunable birefringence, we are able to fabricate devices with low insertion losses and to achieve polarization-insensitive devices. Moreover, we realized two identical copies to exploit the reception of two entangled photons, improving the efficiency of data transmission. Our aim is to fabricate each device using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer (MZI). The time delay is 400 ps, corresponding to an unbalanced geometrical path of 8 cm. First, we fabricated the devices to operate at the telecom wavelength of 1550 nm, achieving low propagation losses around 0.17 dB/cm. Subsequently, to reconfigure the phase difference within the MZI, we implemented a thermal phase shifter realized in Cr-Au. In the second part, we focused our work on characterizing the visibility of the interference fringes of the MZI, achieving 99.2 % of visibility. This high value of visibility can be reached for any input polarization by compensating the polarization transformation in the two different path, modifying the birefringence through the use of a Peltier.

La realizzazione di un ricevitore robusto ed efficiente per la distribuzione delle chiavi di decriptazione quantistiche (QKD) è un traguardo fondamentale per le comunicazioni quantistiche. L’ottica integrata rappresenta una delle piattaforme più promettenti per adempiere a questo compito. Tuttavia, un ricevitore autonomo completo non dovrebbe avere solo basse perdite, ma anche la capacità di rilevare la luce alla sua massima visibilità indipendentemente dalla sua polarizzazione. In questa tesi, presentiamo la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di un ricevitore QKD in time-bin realizzato tramite microfabbricazione di guide con laser a femtosecondi in un substrato di vetro EAGLE XG. Grazie alle sue proprietà uniche tra le quali una bassa e tunabile birifrangenza, siamo in grado di ottenere dispositivi con basse perdite e insensibili alla polarizzazione. Inoltre, abbiamo realizzato due copie identiche per sfruttare la ricezione di due fotoni entangled, migliorando l’efficienza della trasmissione dei dati. Il nostro obiettivo è di fabbricare ciascun dispositivo utilizzando un interferometro Mach-Zehnder non bilanciato (MZI). Il ritardo in scala temporale è di 400 ps, corrispondente ad un percorso geometrico sbilanciato di 8 cm. Per gestire la differenza di fase all’interno dell’MZI, abbiamo implementato un phase shifter termico realizzato in Cr-Au. Nella seconda parte, abbiamo incentrato il nostro lavoro sulla caratterizzazione della visibilità delle frange di interferenza del MZI, ottenendo il 99.2 % di visibilità. Questo grande risultato di visibilità può essere raggiunto per ogni polarizzazione in ingresso compensando la trasformazione della polarizzazione all’interno dei due differenti cammini ottici, modificando la birifrangenza tramite l’uso di una Peltier. In questa tesi, presentiamo la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di un ricevitore QKD time-bin realizzato tramite la microfabbricazione di guide con laser a femtosecondi in un substrato di vetro EAGLE XG, una tecnica che già garantisce un basso livello di birifrangenza durante la scrittura delle guide d'onda. In primo luogo, abbiamo fabbricato i dispositivi alla lunghezza d'onda di \SI{1030}{nm} ottenendo ottime perdite, ovvero \SIlist{1.78;1.71}{dB} sulla base Z e \SIlist{2.9;4.5}{dB} sulla base X, rispettivamente. Inoltre, con l'obiettivo di scegliere la base su cui effettuare la misura e manovrare la fase all'interno degli interferometri Mach-Zehnder, abbiamo studiato un processo di fabbricazione di resistenze su un sottile strato d'oro. Infine, i due ricevitori sono stati inseriti tra due piastre metalliche a contatto con un chip Peltier al fine di eliminare l'effetto della birifrangenza residua nelle guide d'onda. Insieme alla resistenza e alla possibilità di ricevere stati entangled, questo può essere considerato un ottimo risultato nello stato dell'arte per guide d'onda fabbricate tramite scrittura laser a femtosecondi ottenendo prestazioni migliori rispetto alla piattaforma precedente.