Quantum Key Distribution (QKD) is a promising method for information exchange that relies on quantum mechanical principles to increase the security of encodedinformation in comparison with traditional cryptography. The objective of this degree project was to plan, build and validate a receiver system for Free-Space QKD. To testit, a simple state-preparation setup was built, using a 780 nm laser for the QKD channel and a 680 nm laser for tracking, and both were sent over a single free-spacequantum channel. On the receiver side, the beam is received by a telescope that focuses it into the eye-opening where the receiver is positioned. Here, the tracking laser isdeflected to a camera (intended for a tracking algorithm, to be implemented in the future) and the QKD laser beam is split, and its polarization measured in |H⟩/|V⟩ and|+⟩/|−⟩ basis. Finally, the system is validated by testing that the beam propagates over the free-space channel, that the polarization correction is properly applied and,finally, that each polarization is routed into the right detector. By replacing the test sender with another with a capacity for sending states random number generation, thedeveloped receiver should be able to take part in quantum communication via protocols such as BB84, B92 or Decoy-State. / Kvantnyckeldistribution (QKD) är en lovande metod för informationsutbyte som förlitar sig på kvantmekaniska principer för att öka säkerheten för kodad informationjämfört med traditionell kryptografi. Syftet med detta examensprojekt var att planera, bygga och validera ett mottagarsystem för Fritt Rymd QKD. För att testa det,byggdes en enkel state-preparation setup, med hjälp av en 780 nm laser för QKD kanal och en 680 nm- laser för spårning, och båda skickades över en enda fri-rymdkvantkanal. På mottagarens sida tas strålen emot av ett teleskop som fokuserar den i ögonöppningen där mottagaren är placerad. Här avlägsnas spårningslasern till enkamera (som är avsedd för en spåringsalgoritm, som ska genomföras i framtiden) och QKD-laserstrålen är uppdelad, och polariseringen mäts i |H⟩/|V⟩ och |+⟩/|−⟩ bas.Slutligen valideras systemet genom att testa att strålen sprider sig över den fria rymdkanalen, att polariseringskorrigering tillämpas korrekt och, slutligen, att varjepolarisering riktas till rätt detektor. Genom att ersätta testsändaren med en annan med en kapacitet för att sända stater slumptalsgenerering, bör den utvecklademottagaren kunna delta i kvantkommunikation via protokoll som BB84, B92 eller Decoy-State.

This thesis presents studies on III-V semiconductor waveguides with particular emphasis on second-order optical nonlinearity. The nonlinear processes that were investigated in this thesis are the Second Harmonic Generation (SHG) and the Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC). The optical waveguides are made of InGaP and the waveguide design includes tapered parts for in- and out-coupling of guided light. Simulation of light propagation and modal solutions were done using Lumerical MODE, FDTD, and COMSOL Multiphysics software. The in- and outcoupling for the design of tapered waveguide that utilize the bulk non-linearity is 65 % when the waveguide is 145 nm thick and 2.60 μm wide having PMMA as top cladding. The SHG conversion efficiency for this configuration when the waveguide length is 2 μm long, is found 31 %/W. Three cases of the utilization of the surface non-linearity are proposed too. Preliminary steps toward the fabrication of the waveguide structures are also reported. The particular mesa-isolated substrates are fabricated having a side wall with a negative angle profile that result to a significant undercut. InGaP waveguides were transferred to the target substrates successfully and the process that was used can enable heterogeneous integration of InGaP and SOI platform. / Denna avhandling presenterar studier av III-V-halvledarvågledare med särskild tonvikt på andra ordningens optisk olinjäritet. De olinjära processer som undersöktes i denna avhandling är SHG och SPDC. De optiska vågledarna är gjorda av InGaP och vågledardesignen inkluderar avsmalnande delar för in- och utkoppling av styrt ljus. Simulering av ljusutbredning och modala lösningar gjordes med Lumerical MODE, FDTD och COMSOL Multiphysics mjukvara. In- och utkopplingen för konstruktionen av avsmalnande vågledare som utnyttjar bulkolinjäriteten är 65 % när vågledaren är 145 nm tjock och 2,60 μm bred med PMMA som toppbeklädnad. SHGkonverteringseffektiviteten för denna konfiguration när vågledarlängden är 2 μm lång, är 31 %/W. Tre fall av utnyttjande av ytolinjäriteten föreslås också. Preliminära steg mot tillverkningen av vågledarstrukturerna rapporteras också. De speciella mesa-isolerade substraten är tillverkade med en sidovägg med en negativ vinkelprofil som resulterar i en betydande underskärning. InGaP-vågledare överfördes till målsubstraten framgångsrikt och processen som användes kan möjliggöra heterogen integration av InGaP och SOI-plattformen.

Integrated quantum photonic circuits have gained increasing interest in the field of quantum information, due to their compactness, the intrinsic stability and the potential scalability. Photons are the promising candidate for quantum information processing. Among all the optical platforms, femtosecond-laser waveguide writing technique has shown the extraordinary versatility in producing different components of a complete quantum system. In the last decade, femtosecond-laser writing has greatly expanded its applications in quantum technology. The aim of this thesis is to study and optimize the fundamental optical devices for integrated quantum circuits using femtosecond-laser waveguide writing technique. We investigate relevant theory of optical waveguides, the methods to fabricate and characterize laser-written waveguides in glass. In this work, we demonstrate the femtosecond-laser writing of integrated devices including Mach-Zehnder interferometer and path-encoded CNOT quantum gate. These devices can further serve as building blocks to produce complete integrated quantum system. / Integrerade kvantfotoniska kretsar har fått ett ökande intresse inom området kvantinformation, på grund av deras kompakthet, den inneboende stabiliteten och den potentiella skalbarheten. Fotoner är den lovande kandidaten för bearbetning av kvantinformation. Bland alla optiska plattformar har femtosekund-laservågledarskrivteknik visat den extraordinära mångsidigheten i att producera olika komponenter i ett komplett kvantsystem. Under det senaste decenniet har femtosekundlaserskrivning kraftigt utökat sina tillämpningar inom kvantteknologi. Syftet med denna avhandling är att studera och optimera de grundläggande optiska enheterna för integrerade kvantkretsar med hjälp av femtosekund-laservågledarskrivteknik. Vi undersöker relevant teori om optiska vågledare, metoderna för att tillverka och karakterisera laserskrivna vågledare i glas. I detta arbete demonstrerar vi femtosekundlaserskrivning av integrerade enheter inklusive Mach-Zehnder-interferometer och vägkodad CNOT-kvantgrind. Dessa enheter kan vidare fungera som byggstenar för att producera kompletta integrerade kvantsystem.