Generation of Nonclassical States of Light in Silicon Nitride Photonics by Second-Order Nonlinearity

Descripción del proyecto

Llevar la luz cuántica a los chips de silicio

Las fuentes de luz cuántica son fundamentales para las nuevas tecnologías, pero su integración en chips pequeños y escalables plantea muchas dificultades. El nitruro de silicio (SiN), un material de probada eficacia en fotónica, carece de una propiedad crucial (la no linealidad de segundo orden) necesaria para generar luz cuántica de forma eficiente. En el proyecto GLINT, financiado por las acciones Marie Skłodowska-Curie, se investigará una solución prometedora: el uso de una técnica de «polarización totalmente óptica» para inducir esta no linealidad en el SiN, lo que posibilitará generar luz cuántica de forma eficiente en un chip. Centrándose en los microanillos resonadores, el equipo se propone diseñar, fabricar y probar una fuente de luz cuántica de banda estrecha integrada en un chip, con el fin de lograr una prueba de concepto para la comunicación cuántica. Si GLINT alcanza sus objetivos, podría abrir un nuevo camino hacia circuitos fotónicos cuánticos escalables y compatibles con la tecnología de metal-óxido-semiconductor complementario.

Objetivo

Harnessing the quantum properties of light on-chip is the ultimate aim of Integrated Quantum Photonics, bearing the promise of novel quantum technology functionalities to the microscale. A critical step in this process is the generation of quantum light, typically achieved through nonlinear processes such as spontaneous parametric down-conversion (SPDC) in second-order (χ(2)) nonlinear media or spontaneous four-wave mixing (SFWM), through the third-order (χ(3)) response. While the silicon nitride (SiN) integrated photonics platform has proven extremely reliable, low-loss, and compatible with large scale fabrication, its centrosymmetric nature of SiN prevents χ(2) interactions, hindering the implementation of low-noise, highly efficient SPDC-based sources. Lithium Niobate and III-V materials are valid alternatives, but they lack the technological maturity provided by the CMOS fabrication process. Recent research has shown that the coherent photogalvanic effect can endow SiN with a χ(2) response, a photoinduced nonlinearity that automatically satisfies the quasi-phase matching condition, enabling highly efficient frequency conversion. Such “all-optical poling” technique has proven suitable to enable a wide range of functionalities based on χ(2) interactions. The purpose of GLINT is to investigate the potential of all-optical poling in SiN for the generation of quantum light via χ(2) processes. The project will specifically focus on the study of SiN microring-resonator-based SPDC sources, owing to their capability to enhance the efficiency of spontaneous processes and to generate, thanks to their peculiar spectral response, narrow-band states. This will be achieved by i) theoretically modelling a resonator-based SPDC source ii) realizing a chip-scale prototype using commercial-grade technology and providing a full characterization of the generated quantum states iii) demonstrating a proof-of-concept quantum communication protocol using the developed chip-scale source.