Esplorando la Nonlinearità Quantistica in Fotonica Integrata: dalla Progettazione di Dispositivi alla Fisica Fondamentale

This thesis investigates nonlinear quantum optical processes in integrated photonic platforms, with a focus on spontaneous parametric downconversion and photon-pair generation in resonant structures. Starting from the theoretical framework of second- and third-order nonlinear optics, the work analyzes the main physical constraints governing efficiency in integrated devices, including phase matching, dispersion, confinement, and losses. Building on these considerations, the thesis explores design strategies for enhancing nonlinear interactions in integrated resonant architectures based on linearly uncoupled resonators, which enable independent engineering of linear and nonlinear properties. Finally, the strong confinement provided by integrated photonics is exploited to access regimes of fundamental quantum optics, demonstrating a genuinely quantum interference effect between photon-pair generation processes of different nonlinear order, enabling coherent control of generation rates and spectral correlations.

Questa tesi studia i processi di ottica quantistica non lineare in piattaforme fotoniche integrate, con particolare attenzione alla generazione di coppie di fotoni in strutture risonanti. Partendo dal quadro teorico dei processi non lineari del secondo e del terzo ordine, il lavoro analizza i principali vincoli fisici che ne determinano l’efficienza nei dispositivi integrati, includendo phase matching, dispersione, confinamento e perdite. Sulla base di queste considerazioni, la tesi esplora strategie di progettazione per l’ottimizzazione delle interazioni non lineari in architetture risonanti basate su resonatori linearmente disaccoppiati, che permettono di ingegnerizzare in modo indipendente le proprietà lineari e non lineari del sistema. Infine, il forte confinamento offerto dalla fotonica integrata viene sfruttato per accedere a regimi di fisica quantistica fondamentale, dimostrando un effetto di interferenza quantistica genuina tra processi di generazione di coppie di fotoni di ordine non lineare diverso.