Four wave mixing in cavità a cristallo fotonico multi-modali.

Integrated quantum photonics is one of the most promising platforms for many applications in the field of quantum technologies, such as quantum communication, quantum computing and quantum metrology. One of the key elements of such platforms are the sources of non-classical light states. It is therefore of fundamental importance to create efficient sources, where the nonlinearities of the materials are sufficiently enhanced. For this reason, in this thesis work we explore, as a possible alternative, nanostructures based on confinement in photonic crystals, which allow to obtain modal volumes, in purely dielectric structures, at the diffraction limit of about (λ/n)^3, where λ is the wavelength and n is the refractive index. We will therefore show that it is possible to design cavities with a multimodal spectrum in which it is possible to find triplets of tuned modes in energy spacing, and that it is possible to experimentally measure the stimulated and, above all, spontaneous emission of pairs of photons. This work is therefore promising for the realization of sources of entangled photon pairs or heralded single photon states in silicon-based integrated devices.

La fotonica quantistica integrata è una delle piattaforme più promettenti per molte applicazioni nel campo delle tecnologie quantistiche, come la comunicazione quantistica, la computazione quantistica e la metrologia quantistica. Uno degli elementi chiave di tale piattaforma sono le sorgenti di stati della luce non classici. E’ quindi di fondamentale importanza realizzare delle sorgenti efficienti, dove le nonlinearità dei materiali siano sufficientemente aumentate. Per questo motivo in questo lavoro di tesi si esplora, come possibile alternativa, delle nanustruttre basate sul confinamento in cristalli fotonici, che consentono di ottenere volumi modali, in strutture puramente dielettriche, al limite della diffrazione di circa (λ/n)^3, dove λ è la lunghezza d’onda ed n è l’indice di rifrazione. Mostreremo dunque che si possono disegnare delle cavità con uno spettro multimodale in cui è possibile trovare delle triplette di modi risonanti che sono accordate in spaziatura di energia, e che sulle quali è possibile misurare sperimentalmente l’emissione stimolata e, soprattutto, spontanea di coppie di fotoni. Questo lavoro è quindi promettente per la realizzazione di sorgenti di coppie di fotoni entangled o di stati di singolo fotone heralded in dispositivi integrati basati su silicio.