We report a novel geometry for OPOs based on nonlinear microcavity resonators. This approach relies on a self-locked scheme that enables OPO emission without the need for thermal locking of the pump laser to the microcavity resonance. By exploiting a CMOS-compatible microring resonator, we achieve oscillation with a complete absence of shutting down, or self-terminating behavior, a very common occurrence in externally pumped OPOs. Further, this scheme consistently produces very wide bandwidth (>300nm, limited by our experimental set-up) combs that oscillate at a spacing of the FSR of the micro cavity resonance.

We report an integrated photon pair source based on a CMOScompatible microring resonator that generates multiple, simultaneous, and independent photon pairs at different wavelengths in a frequency comb compatible with fiber communication wavelength division multiplexing channels (200 GHz channel separation) and with a linewidth that is compatible with quantum memories (110 MHz).It operates in a self-locked pump configuration, avoiding the need for active stabilization, making it extremely robust even at very low power levels.

New propagation regimes for light arise from the ability to tune the dielectric permittivity to extremely low values. Here, we demonstrate a universal approach based on the low linear permittivity values attained in the ε-near-zero (ENZ) regime for enhancing the nonlinear refractive index, which enables remarkable light-induced changes of the material properties. Experiments performed on Al-doped ZnO (AZO) thin films show a sixfold increase of the Kerr nonlinear refractive index (n_{2}) at the ENZ wavelength, located in the 1300 nm region. This in turn leads to ultrafast light-induced refractive index changes of the order of unity, thus representing a new paradigm for nonlinear optics.

Low-frequency currents induced by ultrashort laser-driven ionization can emit extremely broadband, single-cycle terahertz pulses. We present a model that predicts a strong wavelength dependence of the THz emission in good agreement with our experimental study. This reveals that the combined effects of plasma currents rising proportionally to the square of the pump wavelength and wavelength-dependent focusing conditions lead to 30 times higher THz emission at 1800 nm compared to an 800 nm wavelength. Unrivaled single-cycle electric field strengths of 4.4 MV/cm are achieved with this compact table-top setup.

Event horizons of astrophysical black holes and gravitational analogues have been predicted to excite the quantum vacuum and give rise to the emission of quanta, known as Hawking radiation. We experimentally create such a gravitational analogue using ultrashort laser pulse filaments and our measurements demonstrate a spontaneous emission of photons that confirms theoretical predictions.

Abstract Nonlinear optical processes are one of the most important tools in modern optics with a broad spectrum of applications in, for example, frequency conversion, spectroscopy, signal processing and quantum optics. For practical and ultimately widespread implementation, on-chip devices compatible with electronic integrated circuit technology offer great advantages in terms of low cost, small footprint, high performance and low energy consumption. While many on-chip key components have been realized, to date polarization has not been fully exploited as a degree of freedom for integrated nonlinear devices. In particular, frequency conversion based on orthogonally polarized beams has not yet been demonstrated on chip. Here we show frequency mixing between orthogonal polarization modes in a compact integrated microring resonator and demonstrate a bi-chromatically pumped optical parametric oscillator. Operating the device above and below threshold, we directly generate orthogonally polarized beams, as well as photon pairs, respectively, that can find applications, for example, in optical communication and quantum optics.

Recent development in quantum photonics allowed to start the process of bringing photonic-quantum-based systems out of the lab into real world applications. As an example, devices for the exchange of a cryptographic key secured by the law of quantum mechanics are currently commercially available. In order to further boost this process, the next step is to migrate the results achieved by means of bulky and expensive setups to miniaturized and affordable devices. Integrated quantum photonics is exactly addressing this issue. In this paper we briefly review the most recent advancements in the generation of quantum states of light (at the core of quantum cryptography and computing) on chip. In particular, we focus on optical microcavities, as they can offer a solution to the issue of low efficiency (low number of photons generated) typical of the materials mostly used in integrated platforms. In addition, we show that specifically designed microcavities can also offer further advantages, such as compatibility with existing telecom standard (thus allowing to exploit the existing fiber network) and quantum memories (necessary in turns to extend the communication distance), as well as longitudinal multimode character. This last property (i.e. the increased dimensionality necessary for describing the quantum state of a photon) is achieved thanks to the generating multiple photon pairs on a frequency comb corresponding to the microcavity resonances. Further achievements include the possibility to fully exploit the polarization degree of freedom also for integrated devices. These results pave the way to the generation of integrated quantum frequency combs, that in turn may find application as quantum computing platform.

Quantum-enhanced two-photon interactions driven by parametric down-conversion (PDC) were mainly investigated in the photon pairs regime. We report the observation of nonclassical effects in the stimulated PDC regime, beyond the standard one-photon-per-mode threshold.

Ytterbium laser sources are state-of-the-art systems that are increasingly replacing Ti:Sapphire lasers in most applications requiring high repetition rate pulse trains. However, extending these laser sources to THz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) poses several challenges not encountered in conventional, lower-power systems. These challenges include pump rejection, thermal lensing in nonlinear media, and pulse durations exceeding 100 fs, which consequently limit the detection bandwidth in TDS applications. In this article, we describe our design of a THz-TDS beamline that seeks to address these issues. We report on the effectiveness of temperature controlling the Gallium Phosphide (GaP) used to generate the THz radiation and its impact on increasing the generation efficiency and aiding pump rejection while avoiding thermal distortions of the residual pump laser beam. We detail our approach to pump rejection, which can be implemented with off-the-shelf products and minimal customization. Finally, we describe our solution based on a commercial optical parametric amplifier to obtain a temporally compressed probe pulse of 55 fs duration. Our study will prove useful to the increasing number of laboratories seeking to move from the high-energy, low-power THz time-domain spectroscopy systems based on Ti:Sapphire lasers, to medium-energy, high-power systems driven by Yb-doped lasers.