Sviluppo di micro-risonatori ad anello in silicio come filtri integrati di soppressione della pompa per la generazione di coppie di fotoni attraverso spontaneous four-wave mixing

Quantum technology is an emerging field in physics and engineering, with applications spanning communications, computation, cryptographic protocols, and sensing. It exploits the quantum mechanical properties of state superposition and non-classical correlations at a distance (entanglement). Photons, which possess these properties, are used as information carriers in quantum communications and computation. Silicon photonics represents a mature, compact, and cost-effective platform for these applications. Silicon photonic integrated circuits (PICs) enable the integration of thousands of optical components on millimeter-scale chips. This platform facilitates the implementation of several functionalities, including photonic qubit generation, coherent manipulation, encoding, and detection. Moreover, silicon is well-known for its notable linear and nonlinear optical properties at telecommunication wavelengths and its compatibility with the complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) industry. These advantages highlight the leading position of silicon PICs in the applications of quantum communications and computation. Among the optical components exploited in these applications, silicon ring resonators are key building blocks for tasks such as on-chip photon pair generation and signal filtering. In this work we conduct a detailed theoretical and experimental study of coupled ring resonators as high-rejection filters for the pump wavelength used for the Spontaneous four-wave mixing (sFWM) process. The goal of these devices is to achieve an efficient suppression of the strong pump while leaving the signal and idler wavelength to pass through with low losses. Currently, such suppression is achieved off-chip using bulk or fiber-based optical filters, which introduce additional losses. In contrast, the primary goal of this work is to provide filtering directly integrated on the chip. The devices analyzed are intended as components of a more complex silicon PIC for quantum experiments, comprising on-chip photon generation via sFWM, filtering, separation of entangled photons, and measurement with single-photon detectors, all on a single chip. While the full integration of quantum photonic circuits remains a distant goal, this work paves the way toward that achievement. The research presented predominantly takes place at Cea-Leti, LIPS laboratory (Laboratoire d’Intégration Photonique sur Silicium) in Grenoble (France), exploiting the facilities of a clean room for fabrication, probe stations for optical measurements, and simulation softwares. Additionally, certain measurements are conducted at the Quantum photonics laboratory of the University of Pavia (Italy). The work comprises various stages, which are briefly summarized as follows: Characterization of filters and sources of entangled photons: spectrum measurements of the devices are conducted using probe stations. Development of analytical models to predict filters’ spectra: an analytical model based on the transfer matrix method formalism is developed and implemented in Python. Comparison between measurements and analytical models: a comparison is made between data from characterization and the predictions of the analytical model. A good agreement is found, with evaluation through fitting procedures. Design and simulation of SiN ring resonators as pump rejection filters for the sFWM: new prototypes based on a different material (SiN) are simulated using finite-difference time-domain (FDTD) simulations with Lumerical software.

Le tecnologie quantistiche rappresentano un campo emergente della fisica e dell'ingegneria, con applicazioni che spaziano dalle comunicazioni, al calcolo, ai protocolli crittografici e alla sensoristica. In questo campo vengono sfruttate le proprietà quantomeccaniche come la sovrapposizione degli stati e le correlazioni non-classiche a distanza (entanglement). I fotoni, che possiedono queste proprietà, sono utilizzati come vettori di informazione nelle comunicazioni e nel calcolo quantistico. La fotonica su silicio rappresenta una piattaforma matura, compatta ed economica per queste applicazioni. I circuiti integrati fotonici (PIC) in silicio permettono l'integrazione di migliaia di componenti ottici su chip di dimensioni millimetriche. Questa piattaforma facilita l'implementazione di diverse funzionalità, tra cui la generazione di qubit fotonici, la manipolazione coerente, la codifica e la rilevazione. Inoltre, il silicio è noto per le sue ottime proprietà ottiche lineari e non lineari alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni e per la sua compatibilità con l'industria del complementary metal-oxide semiconductor (CMOS). Questi vantaggi sottolineano la posizione di leadership dei PIC in silicio nelle applicazioni delle comunicazioni e del calcolo quantistico. Tra i componenti ottici utilizzati in queste applicazioni, i risonatori ad anello in silicio sono elementi fondamentali per compiti come la generazione di coppie di fotoni on-chip e il filtraggio di un segnale ottico. In questo lavoro, conduciamo uno studio teorico e sperimentale dettagliato dei risonatori ad anello accoppiati come filtri per la soppressione della lunghezza d'onda di pompa utilizzata nel processo di Spontaneous four-wave mixing (sFWM). L'obiettivo di questi dispositivi è ottenere una soppressione efficiente dell’intenso segnale di pompa, permettendo al contempo il passaggio delle lunghezze d'onda di signal e idler con basse perdite. Attualmente, tale soppressione viene effettuata off-chip utilizzando filtri ottici bulk o in fibra, che introducono ulteriori perdite. Al contrario, l'obiettivo principale di questo lavoro è fornire un filtraggio direttamente integrato nel chip. I dispositivi analizzati sono pensati come componenti di un PIC in silicio più complesso per esperimenti quantistici, che comprenda la generazione di fotoni on-chip tramite sFWM, filtraggio, separazione dei fotoni entangled e rivelazione con detector a singolo fotone, il tutto in un unico chip. Sebbene l'integrazione completa dei circuiti fotonici quantistici resti un obiettivo distante, questo lavoro apre la strada verso tale realizzazione. La ricerca presentata si è svolta prevalentemente presso il laboratorio LIPS (Laboratoire d’Intégration Photonique sur Silicium) del Cea-Leti di Grenoble (Francia), sfruttando una clean room per la fabbricazione, probers per misure ottiche e software di simulazione. Inoltre, alcune misure sono state effettuate presso il Quantum photonics laboratory dell'Università di Pavia (Italia). Il lavoro comprende varie fasi, che sono brevemente riassunte nel seguito: Caratterizzazione dei filtri e delle sorgenti di fotoni entangled: le misure dello spettro dei dispositivi vengono effettuate utilizzando probers per misure ottiche. Sviluppo di un modello analitico per prevedere gli spettri dei filtri: un modello analitico basato sul formalismo del metodo delle matrici di trasferimento viene sviluppato e implementato su Python. Confronto tra le misure e il modello analitico: viene effettuato un confronto tra i dati della caratterizzazione e le previsioni del modello analitico. Si trova un buon accordo, valutato tramite fit. Progettazione e simulazione di risonatori ad anello in SiN come filtri per la pompa di un processo di sFWM: nuovi prototipi basati su un materiale diverso (SiN) vengono simulati utilizzando simulazioni di finite-difference time-domain (FDTD) con il software Lumerical.