Guide d'onda in film sottile di niobato di litio per la fotonica nonlineare e quantistica

Thin-film lithium niobate on insulator represents a promising platform for integrated photonics, distinguished by its strong second-order (χ(2)) nonlinearity, high electro-optic coefficient, and low propagation losses. These attributes make lithium niobate a highly attractive candidate for a variety of applications, including high-speed optical modulation, frequency conversion, and the generation of non-classical states of light, which are essential for quantum photonics. Furthermore, the compatibility of thin-film lithium niobate with microfabrication techniques enables the realization of compact, stable, and scalable photonic circuits, reinforcing its versatility for both classical and quantum optical technologies. However, the sensitivity of phase matching to statistical deviations during fabrication represents a significant challenge to achieving reliable and high-performance devices for up-conversion and down-conversion processes. This thesis addresses these challenges by investigating the limitations imposed by fabrication imperfections on nonlinear optical processes and exploring potential solutions. The work is structured around three key objectives. First, the characterization of periodically poled thin-film lithium niobate waveguides demonstrates the detrimental impact of fabrication imperfections on the device performance, underscoring the need for improved designs. Second, novel waveguide cross-section geometries are analysed to enhance resilience against these defects, aiming to maintain high efficiency and reliability under practical fabrication conditions. Finally, an alternative strategy known as layer poling will be discussed, which emerged as a promising approach to mitigate the impact of fabrication defects. By leveraging intermodal phase matching, this technique offers greater robustness and enables cascading nonlinear processes within a single waveguide. Having recognized the potential of this solution, this thesis investigates its suitability to realize a compact source of degenerate squeezed states of light in a dual-pump configuration. In addressing these three objectives,this work reviews the state of the art and challenges of nonlinear thin-film lithium niobate technology and devises suitable strategies for its robust and scalable deployment for integrated nonlinear photonics applications.

Il niobato di litio a film sottile su isolante rappresenta una promettente piattaforma per la fotonica integrata, che si distingue per la sua forte nonlinearità del secondo ordine (χ(2)), l’elevato coefficiente elettro-ottico e le basse perdite di propagazione. Queste caratteristiche rendono il niobato di litio un candidato molto attraente per una varietà di applicazioni, tra cui la modulazione ottica ad alta velocità, la conversione di frequenza e la generazione di stati non classici della luce, essenziali per la fotonica quantistica. Inoltre, la compatibilità del niobato di litio a film sottile con le tecniche di microfabbricazione consente di realizzare circuiti fotonici compatti, stabili e scalabili, rafforzando la sua versatilità per le tecnologie ottiche classiche e quantistiche. Tuttavia, la sensibilità del phase matching alle deviazioni statistiche che avvengono durante la fabbricazione rappresenta una sfida significativa per ottenere dispositivi affidabili e ad alte prestazioni per i processi di up-conversion e downconversion. Questa tesi affronta queste sfide studiando i limiti imposti dalle imperfezioni di fabbricazione sui processi ottici non lineari, esplorando potenziali soluzioni. Il lavoro è strutturato intorno a tre obiettivi chiave. In primo luogo, la caratterizzazione di una guida d’onda a film sottile di niobato di litio con poling periodico dimostra l’impatto negativo delle imperfezioni di fabbricazione sulle prestazioni del dispositivo, sottolineando la necessità di nuovi miglioramenti. In secondo luogo, vengono analizzate nuove geometrie di guida più tolleranti a questi difetti, con l’obiettivo di mantenere un’elevata efficienza e affidabilità in condizioni pratiche di fabbricazione. Infine, viene discussa una strategia alternativa nota come layer poling, che è emersa come un approccio promettente per mitigare l’impatto dei difetti di fabbricazione. Sfruttando il phase matching intermodale, questa tecnica offre una maggiore robustezza e consente processi nonlineari in cascata all’interno di una singola guida d’onda. Avendo riconosciuto il potenziale di questa soluzione, questa tesi ne studia l’idoneità a realizzare una sorgente compatta di stati degeneri squeezed in una configurazione a doppia pompa. Nell’affrontare questi tre obiettivi, il lavoro passa in rassegna lo stato dell’arte e le sfide della tecnologia nonlineare in film sottile di niobato di litio ed elabora strategie finalizzate al suo impiego robusto e scalabile per applicazioni integrate di fotonica nonlineare.