Integrated optical circuits for biosensing and quantum information by femtosecond laser microfabrication

Femtosecond laser microfabrication has emerged in the last decade as a powerful technique for direct inscription of low loss optical waveguides in practically any transparent dielectric substrate, showing outstanding versatility. Prototyping of new devices is made rapid, cheap and easy: optical circuits are written in the substrate, in fully three-dimensional fashion, using the laser beam as an optical pen, without the need of the costly masks of conventional photolithography. Many proof-of-principle demonstrations of the main integrated optics devices used in telecommunications have been successfully reported, on both passive and active substrates. Anyway, the road towards applications has just been opened, and the unique capabilities of femtosecond laser micromachining will enable achievements inconceivable with other technologies. In this thesis work, femtosecond laser writing is exploited to demonstrate complex photonic devices, which provide unprecedented functionalities in two applicative contexts: label-free sensing of biomolecules in microfluidic lab-on-chips, and integrated quantum computing and simulation. In the first case, the integration of Mach-Zehnder interferometers with buried microchannels is addressed, implementing interferometry with both classical and quantum light. In the second case, polarization sensitive and insensitive components are developed, which enable integrated quantum information experiments with polarization encoded qubits; in addition, phenomena governed by quantum mechanics are simulated by use of both classical and quantum light.

La microlavorazione tramite laser a femtosecondi è una tecnica estremamente versatile, affermatasi negli ultimi dieci anni, per la fabbricazione diretta di guide d'onda ottiche in praticamente ogni tipo di substrato dielettrico trasparente. Con questa tecnologia, lo sviluppo di prototipi diventa semplice, veloce ed economico: i circuiti ottici sono infatti letteralmente "scritti" nel substrato, in maniera completamente tridimensionale, usando il fascio laser come una "penna" ottica, senza bisogno delle costose maschere della fotolitografia. Negli scorsi anni è stata dimostrata con successo la realizzazione di tutti i principali dispositivi integrati utilizzati in telecomunicazioni, su substrati sia attivi che passivi. Ad ogni modo, la strada verso le applicazioni è solo agli inizi: le capacità uniche della microfabbricazione laser a femtosecondi attendono di essere messe alla prova, per ottenere risultati inconcepibili con altre tecnologie. In questa tesi, la scrittura laser a femtosecondi è utilizzata per dimostrare dispositivi fotonici complessi, che consentono funzionalità innovative in due contesti applicativi: la rivelazione label-free di molecole biologiche in lab-on-chip microfluidici, e la computazione e simulazione quantistica integrata. Nel primo caso, si realizzano interferometri Mach-Zehnder integrati, interfacciati con microcanali sepolti: le misure interferometriche sono svolte sia con luce classica che con stati quantistici di radiazione. Nel secondo caso, si sviluppano e realizzano componenti ottici integrati con comportamento sia dipendente che indipendente dalla polarizzazione. Essi consentono di realizzare in maniera integrata esperimenti con qubit codificati nella polarizzazione dei fotoni, oppure di simulare fenomeni quantomeccanici, iniettando nei circuti luce classica e quantistica.