This thesis investigates counter-propagating spontaneous parametric downconversion(CPSPDC) in III-V semiconductor waveguides, wherein photonpairs emerge in opposing directions. These unconventional geometries affordenhanced spectral purity, improved photon pair separation, and extendedcoherence times, albeit at the cost of a substantially larger phase mismatch,which must be compensated. We demonstrate CPSPDC in periodicallypoled KTP with a measured efficiency of 10⁻¹⁰ pairs per pump photon,verified through high-visibility Hong-Ou-Mandel interference. The requiredpoling period to quasi-phase-match the CPSPDC interaction is 433 nm,in contrast to the 10.15 μm period required to phase-match the analogousco-propagating SPDC interaction. However, we demonstrate linewidths of0.34 nm, an order of magnitude smaller than the 3.5 nm exhibited by theco-propagating crystal.

Building upon this foundation, we advance toward the realization of anonlinear platform based on Ga_0.51In_0.49P transferred onto SiO₂, enablingthe exploration of second-order nonlinear processes in subwavelength-scalewaveguides. Surface-induced second-harmonic generation (SHG) serves bothas a diagnostic tool for interface quality and as a mechanism to access polarizationmodes inaccessible via bulk nonlinearities. These advances enabledthe realization of ultra-thin waveguides suitable for twin-photon generationin reverse-engineered systems. Fundamental-mode to fundamental-modeSHG conversion from 1420 nm to 1520 nm is demonstrated in 100 nm-thickwaveguides, with operational bandwidth tailored through waveguide thicknessengineering.

The core achievement is the experimental realization of out-of-planepumped CPSPDC in Ga_0.51In_0.49P subwavelength waveguides. We demonstratephoton pair generation rates on the order of 200 pairs/s/mW in 1 mmlongwaveguides, slightly smaller the 313 pairs/s/mW demonstrated in PPKTP,yet with a footprint a million times smaller and linewidths under 0.3nm. The cornerstone of this work is the demonstration of full individualcontrol over the generated photon pair wavelengths and broadband operationby fine-tuning the waveguide cross-section and pump incidence angle.To illustrate the breadth of spectral tunability, we implement a 250 nmthickGa_0.51In_0.49P waveguide to generate CPSPDC photon pairs with 250nm of spectral separation, one at 1550 nm and the other at 1300 nm, correspondingto the wavelengths at which optical fibers exhibit minimal loss andiiidispersion, respectively. Furthermore, we increase the spectral separationby an additional 80 nm by tilting the pump by 5°. Degenerate CPSPDCis demonstrated, yielding a counter-propagating twin-photon source tunableacross the optical communications band, is achieved by compensatingthe momentum mismatch via pump tilting, demonstrating a novel phasematchingapproach and shifts toward degeneracy exceeding 601 nm.

To overcome the phase-matching limitations of traditional geometries,we introduce and fabricate amplitude-and-phase-matched structures (APMS),which require precise control of the crystallographic orientation within theIII-V waveguide. Theoretical efficiency gains exceeding 13 orders of magnitudeunder ideal conditions are demonstrated. The feasibility of domaininvertedGa_0.51In_0.49P via native oxide self-bonding has been experimentallyvalidated. These results establish III-V semiconductor waveguides notmerely as compact, efficient sources of non-classical light, but as a versatileplatform poised to shape the next generation of tunable, integrated quantumphotonic devices.

Denna avhandling undersöker motpropagerande spontan parametrisk nedkonversion (CPSPDC) i III-V halvledarvågledare, där fotonpar emitterasi motsatta riktningar. Dessa okonventionella geometrier medför förbättrad spektral renhet, ökad separation mellan fotonpar och förlängda koherenstider, om än till priset av en avsevärt större fasmissanpassning som måste kompenseras. Vi demonstrerar CPSPDC i periodiskt polerad KTP med en uppmätt effektivitet på 10⁻¹⁰ par per pumpfoton, verifierad genom Hong-Ou-Mandel-interferens med hög synlighet. Den nödvändiga poleringsperioden för att kvasi-fasanpassa CPSPDC-interaktionen är 433 nm, i kontrast till den 10,15 μm långa period som krävs för att fasanpassa den motsvarande medpropagerande SPDC-interaktionen. Vi uppvisar emellertid linjebredderpå 0,34 nm, en storleksordning smalare än de 3,5 nm som den medpropagerandekristallen uppvisar.

Med detta som grund går vi vidare mot realiseringen av en icke-linjärplattform baserad på Ga_0.51In_0.49P överförd till SiO₂, vilket möjliggör utforskning av icke-linjära processer av andra ordningen i vågledare med undervåglängdsdimensioner. Ytinducerad andra-harmonisk generering (SHG) används både som ett diagnostiskt verktyg för gränssnittskvalitet och som en mekanism för att nå polarisationslägen som är otillgängliga genom bulkicke-linjäriteter. Dessa framsteg möjliggjorde realiseringen av ultratunna vågledare lämpade för generering av tvillingfotoner i omvänd konstruerade system. Konvertering av SHG mellan fundamentalmod från 1420 nm till1520 nm demonstreras i 100 nm tjocka vågledare, där bandbredden anpassas genom ingenjörsmässig utformning av vågledartjockleken.

Den centrala prestationen är den experimentella realiseringen av CPSPDCmed utifrånliggande pumpning i subvåglängds Ga_0.51In_0.49P-vågledare. Vi demonstrerar genereringshastigheter av fotonpar på omkring 200 par/s/mWi 1 mm långa vågledare, något lägre än de 313 par/s/mW som uppvisats i PPKTP, men med en fotavtryck som är en miljon gånger mindre och linjebredder under 0,3 nm. Arbetets kärna är demonstrationen av full individuell kontroll över de genererade fotonparens våglängder samt bredbandigfunktion genom finjustering av vågledarens tvärsnitt och pumpens infallsvinkel. För att illustrera den spektrala justerbarhetens omfattning implementerar vi en 250 nm tjock Ga_0.51In_0.49P-vågledare för att genereraCPSPDC-fotonpar med 250 nm spektral separation—den ena vid 1550 nmoch den andra vid 1300 nm—motsvarande de våglängder där optiska fibreruppvisar minimal förlust respektive dispersion. Vidare ökar vi den spektrala separationen med ytterligare 80 nm genom att luta pumpen med 5". Degenererad CPSPDC, som utgör en motpropagerande tvillingfotonskälla justerbar över det optiska kommunikationsbandet, uppnås genom att kompensera momentummissanpassningen via pumpens lutning, vilket demonstrerar ett nytt fasanpassningssätt och skift mot degenerering som överstiger 601 nm.

För att övervinna fasanpassningsbegränsningarna hos traditionella geometrier introducerar och tillverkar vi strukturer med både amplitud- och fasanpassning (APMS), vilka kräver exakt kontroll över den kristallografiska orienteringen inom III-V-vågledaren. Teoretiska effektivitetshöjningar på mer än 13 storleksordningar under ideala förhållanden demonstreras. Möjligheten till domäninvertering i Ga_0.51In_0.49P via självbondning av naturligaoxider har experimentellt bekräftats. Dessa resultat etablerar IIIV-halvledarvågledare inte bara som kompakta och effektiva källor till ickeklassiskt ljus, utan också som en mångsidig plattform redo att forma nästa generation av justerbara, integrerade kvantfotoniska system.