Quantum well infrared photodetectors for free space quantum communications

Free-space quantum communications in the mid-infrared atmospheric transmission windows benefit from several advantages such as reduced atmospheric absorption, low divergence and reduced scattering. This thesis investigates the suitability of quaternary metamaterial quantum-well infrared photodetectors (QWIPs) for coherent mid-infrared free-space quantum communications and reports a comprehensive noise characterization of both detectors and sources. First, heterodyne measurements of a distributed-feedback quantum-cascade laser (DFB-QCL) using a QWIP are performed. By phase-locking the reference laser to an ultra-stable optical frequency comb and processing the measured beatnote with an analytic-signal pipeline, we extract phase and frequency noise power spectral densities and identify the Schawlow-Townes plateau. From these measurements we infer cavity parameters and quantify the intrinsic linewidth of the source, showing that QWIPs enable high signal-to-noise ratio (SNR) heterodyne detection in the mid-infrared and that DFB-QCLs, thanks to their small intrinsic linewidth, are good candidates for phase-sensitive communications. Second, we develop and validate a full noise model for the detection chain and the QWIP, including thermal, shot, amplifier and source-induced contributions. Using direct detection with a reference HgCdTe (MCT) detector and the QWIP under illumination and dark conditions, we measure the relative intensity noise (RIN) of the DFB-QCL source, dark current noise and photocurrent noise and extract several physical parameters of the QWIP. Results are consistent with the developed noise model and identify the main limitations, notably uncertainties in differential resistance of the QWIP under illumination and significant residual dark current contributions. The thesis concludes that metamaterial QWIPs are promising heterodyne detectors for mid-infrared continuous-variable quantum links and outlines practical steps to reach shot-noise-limited operation.

Le comunicazioni quantistiche in spazio libero nel medio-infrarosso, nelle finestre di trasmissione atmosferica, presentano diversi vantaggi, quali assorbimento atmosferico ridotto, una minore divergenza del fascio e una diffusione meno significativa. Questa tesi valuta l'idoneità dei fotorivelatori a pozzi quantici a composizione quaternaria e struttura metamateriale per comunicazioni quantistiche coerenti nello spazio libero nel medio-infrarosso e presenta una caratterizzazione completa del rumore sia dei rivelatori sia delle sorgenti. In primo luogo sono presentate misure eterodine su un laser a cascata quantica a retroazione distribuita usando un QWIP come rivelatore. Stabilizzando in fase il laser di riferimento su un comb ottico ultra-stabile e processando il battimento ottenuto con un'analisi basata sul segnale analitico, estraiamo le densità spettrali di potenza del rumore di fase e di frequenza e identifichiamo il plateau di Schawlow-Townes. Da queste misure si ricavano i parametri di cavità e si quantifica la larghezza di linea intrinseca della sorgente, dimostrando che i QWIP consentono rilevazioni eterodine ad alto SNR nel medio-infrarosso e che i DFB-QCLs, grazie alla loro ridotta larghezza di riga intrinseca, sono validi candidati nell'ambito di comunicazioni sensibili alla fase. In secondo luogo sviluppiamo e validiamo un modello di rumore per la catena di rivelazione e per il QWIP, che include i contributi termici, lo shot noise, il rumore degli amplificatori e il rumore indotto dalla sorgente. Mediante rivelazione diretta con un rivelatore MCT di riferimento e con il QWIP in condizioni di illuminazione e di buio, misuriamo il RIN della sorgente DFB-QCL, il rumore di corrente di buio e il rumore di fotocorrente ed estraiamo diversi parametri fisici del QWIP. I risultati sono coerenti con il modello sviluppato e mettono in evidenza le principali limitazioni sperimentali, in particolare le incertezze sulla resistenza differenziale del QWIP sotto illuminazione e significativi contributi residui di corrente di buio. La tesi conclude che i QWIP metamateriali sono candidati promettenti nello sviluppo di rivelatori eterodina per collegamenti quantistici a variabili continue nel medio-infrarosso e delinea passi pratici per avvicinarsi ad un funzionamento limitato dal rumore di shot.