Intermodal Nonlinear Devices in Silicon Photonics for Quantum Applications

This thesis presents the design and characterization of an integrated photonics chip that exploits intermodal nonlinear processes to generate pairs of photons correlated at the quantum level. The device was fabricated using a Multi-Project Wafer (MPW) process offered by the Cornerstone foundry, in collaboration with the University of Southampton. The chip design integrates Silicon-on-Insulator (SOI) waveguides and passive components such as directional couplers and Mach-Zehnder interferometers. The thesis provides an in-depth analysis of the intermodal four-wave mixing nonlinear phenomenon, which is a key process for the operation of the designed device. The thesis covers the design, simulation, and layout of the chip, including the test structures, and then explains its experimental characterization, evaluating coupling and propagation losses, as well as the overall performance of the chip.

Questa tesi espone la progettazione e la caratterizzazione di un chip in fotonica integrata che sfrutta processi non lineari intermodali per generare coppie di fotoni correlati a livello quantistico. Il dispositivo è stato fabbricato utilizzando un processo Multi-Project Wafer (MPW) offerto dalla fonderia Cornerstone, in collaborazione con l'Università di Southampton. Il design del chip integra guide d'onda in tecnologia Silicon-on-insulator (SOI) e componenti passivi come accoppiatori direzionali e interferometri di Mach-Zehnder. La tesi include un approfondimento del fenomeno non-lineare di four-wave mixing intermodale, processo chiave per il funzionamento del dispositivo progettato. In questa tesi si presenta il design, la simulazione e il layout del chip, incluse le strutture di test, per poi spiegarne la caratterizzazione sperimentale, valutando le perdite di accoppiamento e di propagazione e le prestazioni complessive del chip.