In collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), un team di ricercatori dell’università di Trento si affida alla tecnologia di misura laser MKS per analizzare il modo di propagazione di un dispositivo quantistico integrato.
Il niobato di litio è un materiale di riferimento per l’ottica integrata, impiegato in applicazioni ottiche quantistiche e non quantistiche. Grazie alla sua non linearità, è particolarmente prezioso nella fabbricazione di dispositivi elettro‑ottici per la generazione e la manipolazione di stati quantistici. In particolare, le reti di guide d’onda non lineari in niobato di litio – strutture fotoniche basate sul materiale cristallino – sono particolarmente adatte alla generazione di stati quantistici. Per ottenere uno stato quantistico squeezed, un laser viene utilizzato come pompa per attivare un processo parametrico non lineare. La luce laser genera coppie di fotoni correlati alla metà della sua frequenza, in cui la fluttuazione di una delle quadrature (fase o ampiezza) si riduce mentre l’altra aumenta. Data l’interazione di campi a lunghezze d’onda diverse, conoscere il profilo del fascio di tutte le modalità è un elemento fondamentale del processo di sviluppo.
In collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), un team di ricercatori dell’Università di Trento ha utilizzato un profilometro di fascio laser Ophir® con software BeamGage® per caratterizzare la modalità di uscita di un dispositivo quantistico integrato.
Perché è importante la fotonica integrata?
Analogamente alla microelettronica, che manipola gli elettroni, la fotonica integrata combina guide d’onda, modulatori, laser e rivelatori su un unico microchip per manipolare la luce. Questa miniaturizzazione rappresenta un fattore chiave per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche e del calcolo quantistico. I dispositivi elettro‑ottici basati su niobato di litio integrano molteplici funzionalità su un solo chip, tra cui la conversione ottica non lineare per la generazione di singoli fotoni e di vuoto compresso tramite down‑conversion parametrica, oltre alla modulazione di ampiezza e di fase attraverso l’effetto elettro‑ottico.
Un team dell’Università di Trento, sotto la guida del Prof. Mirko Lobino, ha sviluppato un circuito integrato in niobato di litio, realizzato mediante la tecnica dello scambio protonico, capace di generare, manipolare e misurare stati quantistici della luce a lunghezza d’onda telecom.
La sfida: caratterizzare il modo in uscita
Le guide d’onda sono il cuore del nuovo dispositivo di fotonica integrata sviluppato. Per garantire l’efficienza delle loro interazioni non lineari, come la generazione di fotoni di luce squeezed, il modo spaziale del fascio di pompa deve sovrapporsi al modo della guida d’onda che si trova alla metà della sua frequenza. Inoltre, il modo deve sovrapporsi al modo di una fibra ottica monomodale standard, così da assicurare un accoppiamento efficiente dei fotoni nella fibra. Nella fase di sviluppo, la sovrapposizione viene simulata teoricamente, ma tali calcoli forniscono solo una stima dell’effettiva efficienza non lineare del dispositivo. Il processo di fabbricazione di una guida d’onda in niobato di litio richiede conoscenze specifiche e impianti di produzione dedicati. Una volta prodotta la guida d’onda, è essenziale verificarne il modo in uscita.
Ed è qui che entrano in gioco gli strumenti di misura MKS: una camera Ophir con rivestimento a fosfori, insieme al software Ophir BeamGage, viene utilizzata per caratterizzare il modo in uscita del dispositivo integrato. Il Prof. Mirko Lobino spiega: “Questa caratterizzazione è importante per verificare se le nostre guide d’onda sono monomodali, se il modo ha una buona sovrapposizione con le fibre ottiche standard e per calcolare la sovrapposizione con il modo di pompa al fine di stimare l’efficienza della down‑conversion spontanea”.
La natura monolitica di questi dispositivi, consente di realizzare in modo stabile la fase corretta in quello che altrimenti sarebbe un interferometro instabile, semplificando notevolmente il compito di implementare circuiti quantistici fotonici sofisticati.
Diagnostica del fascio nel lungo periodo
Sebbene la non linearità del niobato di litio rappresenti un notevole vantaggio per il suo impiego nelle tecnologie quantistiche, il materiale è considerato più difficile da integrare e meno robusto rispetto alla fotonica al silicio. Per questo motivo è essenziale monitorare il comportamento del chip fotonico integrato per un periodo di tempo prolungato.
Oltre alle misure iniziali, che fungono da controllo di qualità della guida d’onda in niobato di litio prodotta, la parte diagnostica riguarda le caratteristiche a lungo termine del dispositivo. I ricercatori misurano regolarmente la potenza in uscita della guida d’onda.
Non appena la potenza diminuisce, il profilo di modalità viene acquisito con il beam profiler Ophir per identificare eventuali cambiamenti nelle caratteristiche ottiche del fascio (Fonte: Integrated photonic platform for quantum information with continuous variables | Science Advances).
di Mirko Lobino e Luca Porcelluzzi
