Studio di un dispositivo in guida d'onda a canale su substrato di niobato di litio periodicamente polarizzato per la generazione di fotoni quantisticamente correlati mediante fluorescenza parametrica
Autore
Leonardo Papi - Università degli Studi di Firenze - [2002-03]
Documenti
Abstract
Questo lavoro di tesi si colloca in un settore di ricerca che negli ultimi tempi ha assunto un'importanza sempre maggiore. Infatti è consistito nella realizzazione e caratterizzazione di una sorgente di fotoni entangled: ricordiamo che questi trovano impiego sia in misure di verifica del carattere non locale della meccanica quantistica, che in applicazioni nel campo delle comunicazioni quantistiche (sistemi di crittografia, teletrasporto di uno stato quantico ecc.).
In vista di queste ultime applicazioni è importante sviluppare sorgenti efficienti di fotoni entangled a lunghezze d'onda intorno a 1550 nm, dal momento che questo valore rappresenta uno standard per le telecomunicazioni.
La tecnica impiegata per ottenere fotoni entangled a 1550 nm si basa sul processo fisico di fluorescenza parametrica degenere in un cristallo ottico non lineare del secondo ordine: il dispositivo è stato realizzato in una configurazione in guida d'onda: ciò consente di ottenere un'efficienza assai maggiore rispetto al caso della propagazione libera che viene abitualmente utilizzato in misure con fotoni entangled. Questo ha reso il lavoro particolarmente significativo, dal momento che in letteratura non sono stati ancora riportati casi di sorgenti di fotoni entangled in guida d'onda a 1550 nm.
Il lavoro svolto si può suddividere in tre fasi: progettazione del dispositivo, fabbricazione e misure di caratterizzazione.
Per quel che riguarda la fabbricazione sono stati ottimizzati i processi che portano alla realizzazione di una guida d'onda a canale su un substrato di niobato di litio: tecniche fotolitografiche, evaporazione di metalli, tecniche di scambio protonico.
Particolare impegno è stato profuso nella messa a punto di un metodo che consentisse l'inversione periodica dei domini ferroelettrici del niobato di litio: questa operazione, fatta mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno al cristallo, ha consentito di realizzare la struttura necessaria per ottenere l'adattamento di fase tra i campi coinvolti nel processo di fluorescenza parametrica, situazione in corrispondenza della quale si ha la massima efficienza.
Per quel che riguarda la realizzazione e progettazione delle misure di caratterizzazione sul dispositivo fabbricato, si deve tenere presente che una misura diretta del segnale di fluorescenza parametrica non è banale, data l'inefficienza del processo; inoltre, nel nostro caso, la situazione era complicata dal fatto di dover misurare un segnale a circa 1550 nm, cosa che comporta l'utilizzo di rivelatori e strumentazioni particolari non disponibili nel laboratorio dove è stato svolto il lavoro. Si è ovviato a questa difficoltà ricorrendo ad una misura di generazione di seconda armonica nella guida d'onda realizzata, da cui poi è stata stimata l'efficienza del processo inverso di fluorescenza parametrica degenere.
Il risultato ottenuto per questa stima è confrontabile con i migliori risultati riportati in letteratura (per altre lunghezze d'onda), a conferma della validità del lavoro svolto.
Infine è stato fatto un primo studio di possibili schemi sperimentali che consentano in futuro di effettuare misure quantistiche che sfruttino l'entanglement tra i fotoni generati da una sorgente come quella realizzata.
In vista di queste ultime applicazioni è importante sviluppare sorgenti efficienti di fotoni entangled a lunghezze d'onda intorno a 1550 nm, dal momento che questo valore rappresenta uno standard per le telecomunicazioni.
La tecnica impiegata per ottenere fotoni entangled a 1550 nm si basa sul processo fisico di fluorescenza parametrica degenere in un cristallo ottico non lineare del secondo ordine: il dispositivo è stato realizzato in una configurazione in guida d'onda: ciò consente di ottenere un'efficienza assai maggiore rispetto al caso della propagazione libera che viene abitualmente utilizzato in misure con fotoni entangled. Questo ha reso il lavoro particolarmente significativo, dal momento che in letteratura non sono stati ancora riportati casi di sorgenti di fotoni entangled in guida d'onda a 1550 nm.
Il lavoro svolto si può suddividere in tre fasi: progettazione del dispositivo, fabbricazione e misure di caratterizzazione.
Per quel che riguarda la fabbricazione sono stati ottimizzati i processi che portano alla realizzazione di una guida d'onda a canale su un substrato di niobato di litio: tecniche fotolitografiche, evaporazione di metalli, tecniche di scambio protonico.
Particolare impegno è stato profuso nella messa a punto di un metodo che consentisse l'inversione periodica dei domini ferroelettrici del niobato di litio: questa operazione, fatta mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno al cristallo, ha consentito di realizzare la struttura necessaria per ottenere l'adattamento di fase tra i campi coinvolti nel processo di fluorescenza parametrica, situazione in corrispondenza della quale si ha la massima efficienza.
Per quel che riguarda la realizzazione e progettazione delle misure di caratterizzazione sul dispositivo fabbricato, si deve tenere presente che una misura diretta del segnale di fluorescenza parametrica non è banale, data l'inefficienza del processo; inoltre, nel nostro caso, la situazione era complicata dal fatto di dover misurare un segnale a circa 1550 nm, cosa che comporta l'utilizzo di rivelatori e strumentazioni particolari non disponibili nel laboratorio dove è stato svolto il lavoro. Si è ovviato a questa difficoltà ricorrendo ad una misura di generazione di seconda armonica nella guida d'onda realizzata, da cui poi è stata stimata l'efficienza del processo inverso di fluorescenza parametrica degenere.
Il risultato ottenuto per questa stima è confrontabile con i migliori risultati riportati in letteratura (per altre lunghezze d'onda), a conferma della validità del lavoro svolto.
Infine è stato fatto un primo studio di possibili schemi sperimentali che consentano in futuro di effettuare misure quantistiche che sfruttino l'entanglement tra i fotoni generati da una sorgente come quella realizzata.
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