In recent decades, photoluminescence properties of single molecules and ions have opened new possibilities for studies on smaller size scales, below the light-diffraction limit. In this thesis, the advantages of such single photon emitters were harnessed and studied mainly in the field of biophysics, but also, in investigations within solid state photonics. The first aspect encompassed studies on extracellular vesicles (EVs) and nanovesicles derived from red blood cell (RBC) membranes which were bioengineered for drug delivery applications. RBC-derived vesicles demonstrated high biocompatibility and low immunogenicity, offering superior production scalability over physiological EVs. However, thorough physical characterizations of such nanovesicles are yet to be developed. Such investigations are essential for their clinical deployment, for therapeutic and diagnostic purposes. Initially, the morphology and size-stability of vesicles were investigated by applying atomic force microscopy and dynamic light scattering. These studies demonstrated the size heterogeneity and agglomeration tendencies of the vesicles. Comparative studies on physiological EVs revealed a higher size stability, while RBC-produced vesicles showed about 50 % reversible agglomerations. Secondly, a dual-colour coincident fluorescent burst (DC-CFB) experimental analysis technique was developed. DC-CFB was then used to characterize and profile the cargo-loading yields of bioengineered nanovesicles, overcoming challenges related to their small size (below the diffraction limit), their inherent heterogeneity, and the presence of free, non-encapsulated cargoes. The developed methodology was then applied to explore the loading with relatively small single nucleotides (dUTP) as well as larger antibody (Ab) molecules, motivated by the prospective role of such EVs and EV-mimetic bioengineered vesicles as nanocarriers of therapeutic drugs. The studies demonstrated consistent average loading yields of around 14-20 % for both cargo types (dUTP and Ab) into both vesicle categories, i.e., EVs and RBC-derived vesicles. Additionally, the analysis capability of the DC-CFB technique at single-vesicle and single-molecule levels, afforded analyses of the number of loaded molecules inside each vesicle, and how this number varied with the vesicle size. On average, this number was found to be greater than two, for both cargo types. Overall, the developed techniques based on fluorescence single photon counting provided a comprehensive assessment of the drug loading properties of nanovesicles. Such bioengineered nanocarriers have a disruptive potential for pharmaceutical applications. The last part of the thesis investigates the realm of solid-state on-chip photon emitters. Specifically, it considers the integration of erbium ions, exhibiting photoluminescent emission in the telecommunication C-band, into thin film lithium niobate (TFLN) waveguides. An Er-ion implantation process compatible with integrated optical circuits in x-cut TFLN was developed and the erbium photoluminescence properties were investigated versus temperature. These preliminary studies provide a foundation for future integration of Er single photon emitters into TFLN-based photonic components.

Under de senaste årtiondena har fotoluminescens-egenskaper hos enskilda molekyler och joner öppnat nya möjligheter till studier på mindre storleksskalor, under ljusdiffraktionsgränsen. I den här avhandlingen utnyttjades och studerades fördelarna med sådana enskilda foton-källor främst inom biofysik, men också för undersökningar inom fasta tillståndets fotonik. Det första aspekten omfattade studier av extracellulära vesiklar (EVs) och nanovesiklar, genererade från röda blodkroppars (RBC) membran, och utformade för applikationer rörande leverans av läkemedel i kroppen. De RBC-genererade vesiklarna uppvisade hög biokompatibilitet och låg immunogenicitet och erbjöd en överlägsen uppskalbarhet för produktion jämfört med fysiologiska EVs. Emellertid måste noggranna fysiska karakteriseringar av sådana nanovesiklar ännu utvecklas. Sådana undersökningar är nödvändiga för att i förlängningen kunna använda denna typ av vesiklar klinikst, för terapeutiska och diagnostiska ändamål. Inledningsvis undersöktes morfologin och storleksstabiliteten hos vesiklarna genom atomkraftsmikroskopi och dynamisk ljusspridning. Dessa studier visade på storleksheterogenitet och agglomereringstendenser hos vesiklarna. Jämförande studier av fysiologiska EVs avslöjade deras förhållandevis högre storleksstabilitet, medan RBC-producerade vesiklar uppvisade reversibla agglomerationer i omkring 50 % av fallen. För det andra utvecklades en experimentell analysmetod med tvåfärgs-avläsning av sammanfallande fluorescens-signaler (DC-CFB). Metoden användes sedan för att karakterisera och profilera molekylupptaget hos de bioteknologiskt framtagna nanovesiklarna. Därmed var det möjligt att hantera vesiklarnas ringa storlek (under diffraktionsgränsen), deras inneboende heterogenitet och närvaron av fria, icke-inkapslade molekyler. Den utvecklade metoden tillämpades därefter för att utforska upptaget i vesiklarna av relativt små nukleotider (dUTP) såväl som av större antikroppsmolekyl (Ab), motiverat utifrån en möjlig framtida användning av sådana EVs och EV-mimetiska vesiklar som nanobärare av terapeutiska läkemedel. Studierna visade genomgående genomsnittliga upptag runt 14-20 % för båda molekyl-typerna (dUTP och Ab), i både EVs och i de RBC-tillverkade vesiklarna. Dessutom möjliggjorde DC-CFB-tekniken analyser på enstaka-vesikel och enstaka-molekylnivå, av antalet upptagna molekyler inuti varje vesikel i förhållande till dess storlek. I genomsnitt var detta antal större än två för de båda upptagna molekyl-typerna. Sammantaget gav de utvecklade teknikerna, baserade på detektion av enstaka fluorescens--fotoner, en omfattande bedömning av kapaciteten för läkemedelsupptag hos nanovesiklar. Bioteknologiska nanotransportörer av detta slag har en betydande potential för farmaceutiska tillämpningar. Den sista delen av avhandlingen undersöker området för fasta tillståndets on-chip-fotonemitterare. Mer specifikt undersöks integrationen av erbiumjoner, som uppvisar fotoluminescerande emission i telekommunikations-C-bandet, i tunnfilmer av litiumniobat (TFLN) vågledare. En Er-jonimplanteringsprocess som är kompatibel med integrerade optiska kretsar I x-delat TFLN utvecklades och erbiums fotoluminescensegenskaper undersöktes i förhållande till temperaturen. Dessa inledande studier utgör en grund för framtida integration av enskilda fotonemitterare av Er i TFLN-baserade fotoniska komponenter.

Photonic devices play a fundamental role in today’s society and are a central building blocks for numerous applications, ranging from modern internet to sensing and manufacturing, and photonics is foreseen to be the backbone of future quantum internet and quantum communication systems thanks to the long coherence time of light. At variance with electronic integrated circuits, where silicon has been the material of election for many decades, in the case of photonic integrated circuits (PICs) there are numerous options available for the material substrate. One of the most promising platforms for future PICs is thin film lithium niobate (TFLN). 

Lithium niobate (LN) is a ferroelectric crystal characterized by a wide transparency window and excellent electro- and nonlinear optical properties. Additionally the thin film format allows the implementation of submicrometric devices, characterized by a footprint similar to the one realized on silicon and silicon nitride but with improved capabilities in terms of coherent electrical control of light and more efficient on-chip photon-photon interactions. This thesis demonstrates a few novel nanophotonic devices and contributes to the quickly developing TFLN technology platform, encompassing also hybrid integration processes. In term of monolithic TFLN nanowaveguide components, nanostructuring capabilities for ultrasmall footprint photonic devices have been developed and utilized to implement high quality factor resonators based on waveguide integrated phase shifted Bragg gratings (PSBG). The response of these devices, operating at telecom wavelength and characterized by a transmission bandwidth as narrow as 8.8 pm (corresponding to a quality factor Q in excess of 1.7×10⁵) and by a footprint smaller than 500 μm², was analyzed with the help of a model based on coupled mode theory (CMT) showing excellent agreement with the experimental data. This model provides insights on fabricated device losses and useful guidelines for the design of optimized PSBG. While spanning the full parameter space for device fabrication and optimization, deviations from such a model were also experimentally observed. Upon further investigation, these effects were explained as the results of a Fano resonance occurring in the PSBG structure involving the interaction of TE₀₀ and TM₀₁ modes in the supporting waveguide. The effect results in a narrowband and asymmetric response which can be tuned upon changing the waveguide design, as confirmed by experiments and simulations. 

The excellent sensitivity to refractive index changes of PSBG devices was leveraged to develop a comprehensive study of the electro- and the thermo- optical properties of X-cut TFLN. The study highlights the advantages and the limits of both approaches to device trimming and reconfigurability. The thesis includes also experimental contributions to dispersion-engineered TFLN waveguides, whose properties were characterized for fundamental TE and TM modes as function of the waveguide geometry in the telecom band by means of dual comb spectroscopy. 

This thesis addresses also hybrid photonic devices for on-chip light detection and emission, specifically demonstrating the integration of superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) and erbium emitters in TFLN. SNSPDs based on niobium-titanium-nitride (NbTiN) were integrated onto single mode TFLN nanowaveguides and their spectral sensitivity was leveraged to implement on-chip wavelength meters working in the telecom C- and L- bands, achieving photon counting and spectral sensitivity on a single waveguide- integrated device. Furthermore, a process for the effective incorporation of Er ions in TFLN was successfully developed in collaboration with researches at the university of Manchester. Structural and optical characterization of the Er:TFLN samples indicates essentially no disruption to the intrinsic properties of the LN crystal. The photoluminescence from the implanted films, emitting in the C-band, was studied as a function of temperature. 

The results hold promise for the implementation of a complete platform for on-chip quantum photonic circuits in the 1550 nm band, capable of operating at cryogenic temperature comprising on-demand single photon sources, electro-optic photon routing and manipulation as well as detection in TFLN circuits.

Fotoniska komponenter spelar en väsentlig roll i dagens samhälle och utgör centrala byggstenar i många tillämpningar, allt från dagens internet till sensorer och tillverkning, och fotonik förväntas bli ryggraden i framtidens kvantinternet och kvantkommunikationssystem tack vare ljusets långa koherenstid. Till skillnad från elektroniska integrerade kretsar, där kisel har varit det föredragna materialet i många decennier, finns det många tillgängliga alternativ för materialsubstrat för fotoniska integrerade kretsar (PIC). En av de mest lovande plattformarna för framtida PIC:er är tunnfilmslitiumniobat ("thin film lithium niobate", TFLN). 

Litiumniobat (LN) är en ferroelektrisk kristall som kännetecknas av ett brett transparensfönster och utmärkta elektro- och ickelinjära optiska egenskaper. Dessutom tillåter tunnfilmsformatet att man kan lägga till dessa funktioners möjlighet att implementera sub-mikrometriska komponenter som kännetecknas av ett fotavtryck som liknar det som realiseras på kisel och kiselnitrid men med förbättrade egenskaper när det gäller koherent elektrisk styrning av ljus och effektivare foton-foton-interaktioner på chipet. Denna avhandling beskriver några nya nanofotoniska komponenter och bidrar tilltunnfilmslitiumniobat-teknologiplattformen som är under snabb utveckling. Avhandlingen inkluderar också hybrida integrationsprocesser. För monolitiska TFLN nanovågledarkomponenter har nanostruktureringskapabilitet för fotoniska enheter med ultrasmå fotavtryck utvecklats och dessa används för att implementera resonatorer med hög kvalitetsfaktor (Q) baserade på vågledarintegrerade fasförskjutna Bragg-gitter ("phase shifted Bragg gratings", PSBG). Den optiska responsen hos dessa komponenter, som arbetar vid telekomvåglängd och kännetecknas av en överförings-bandbredd så smal som 8.8 pm (motsvarande ett Q överstigande 1.7 x 10⁵) och av ett fotavtryck mindre än 500 um², analyserades med hjälp av en modell baserad på modkopplingsteori ("coupled mode theory", CMT) som visar utmärkt överensstämmelse med experimentell data. Modellen ger insikter om förluster hos tillverkade komponeneter och användbara riktlinjer för design av optimerad PSBG. Med hänsyn till alla parametrar för komponenttillverkning och optimering observerades även experimentella avvikelser från en sådan modell. Vid ytterligare undersökning förklarades dessa effekter som resultaten av en Fano-resonans vilket inträffar i PSBG-strukturen som involverar en interaktion mellan moderna TE₀₀ och TM₀₁ i vågledaren. Effekten resulterar i en smalbandig och asymmetrisk transmissionstopp som kan justeras genom modifiering av vågledardesignen, vilket har bekräftats av experiment och simuleringar. Den utmärkta känsligheten för förändringar av brytningsindex hos PSBG-enheter har utnyttjats för att utveckla en omfattande studie av elektro- och termo-optiska egenskaper hos X-kluven TFLN. Studien belyser fördelarna ochbegränsningarna för båda metoderna för komponenttrimning och omkonfigurerbarhet. Avhandlingen inkluderar även experimentella bidrag till dispersionskonstruerade TFLN-vågledare, vars egenskaper karakteriserades för fundamentala TE och TM moder som funktion av vågledargeometrin i telekombandet med hjälp av dubbelkamsspektroskopi ("dual comb spectroscopy", DCS).

Detta arbete tar även upp hybridfotoniska komponenter för ljusdetektering och emission på chip, vilket demonstrerar integrationen av supraledande nanotråds-enkelfotondetektorer ("superconducting nanowire single photon detectors", SNSPD) och erbiumsändare i TFLN.SNSPD:er baserade på NbTiN integrerades i enkelmods TFLN-nanovågledare och deras spektrala känslighet utnyttjades för att implementera en våglängdsmätare som arbetar i telekom C- och L-banden för att uppnå fotonräkningoch spektral känslighet på en enda vågledarintegrerad komponent. Vidare utvecklades enprocess för effektiv inkorporering av Er-joner i TFLN framgångsrikt i samarbete med forskare från University of Manchester. Strukturelloch optisk karakterisering av Er:TFLN-proverna indikerar ingen störning av LN-kristallens inre egenskaper. Fotoluminescensenfrån de implanterade filmerna, som emitterar i C-bandet, studerades som en funktion av temperatur.

Resultaten är lovande för framtida kvantfotoniska kretsar på chip i 1550 nm-bandet, som kan fungera vid kryogeniska temperaturer med på-begäran-enkelfotonkällor, elektrooptisk fotondirigering och manipulation samt detektering i TFLN-kretsar.