Integrated thermo-optic modulator realized by femtosecond laser micromachining

Femtosecond Laser Micromachining (FLM) is a powerful and versatile fabrication technique that allows the realization of three-dimensional micrometre-sized structures within a dielectric material. In particular, this approach offers the possibility of both the direct inscription of waveguides and the realization of buried microfluidic channels, by the technique known as FLICE (Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching). In the last years, FLM proved its potential in the quantum photonic field, in which it enabled the manipulation of single photons in complex 3D photonic circuits for advanced quantum simulation and computation, and as well in optofluidics, where Lab-On-Chips have been developed for cell counting and sorting. Many of these applications would strongly benefit from the introduction of optical modulators on-chip, to reconfigure the circuit operation or to switch and modulate the propagating optical signal. Recently, the integration of thermo-optic phase shifters in FLM photonic circuits was demonstrated: they have been implemented by patterning gold resistive heaters on chips surface. This approach exhibits two main issues: it requires the inscription of waveguides close to the device surface, limiting the 3D capabilities of the FLM, and it is constrained by a slow switching time. In order to broaden the possible applications of FLM devices, faster optical switches are demanded, possibly buried deeper in the substrate. Here, we propose the implementation of a totally integrated thermo-optic modulator, whose resistive heater consists of a buried microchannel filled with a conductive material. We report on a design based on an analytical study intended to minimize the switching time and power consumption of the device. Then, we experimentally demonstrate the feasibility of this innovative approach and we characterize the performances of this modulator. In addition, novel geometries are investigated through numerical simulations aiming to carry out a further improvement of the time response. Finally, we experimented advanced techniques for femtosecond-laser writing to enhance the optical properties of waveguides.

La Microlavorazione con Laser a Femtosecondi (FLM) di materiali trasparenti è una tecnica di fabbricazione solida e versatile, che si è rapidamente sviluppata a partire dalla fine degli anni ’90. Essa consente la realizzazione di strutture micrometriche articolate nelle tre dimensioni, permettendo l’implementazione di nuove architetture per dispositivi innovativi. In particolare, questo approccio offre la possibilità sia di inscrivere guide d’onda in modo diretto, sia di realizzare canali microfluidici sepolti, attraverso la tecnica nota come FLICE (Femtosecond Laser Irradiation Followed by Chemical Etching). Negli ultimi anni, la FLM ha dato prova del suo potenziale nel campo della fotonica quantistica, in cui ha permesso la manipolazione di singoli fotoni in circuiti complessi per simulazioni e computazioni quantistiche, così come in applicazioni optofluidiche, nella quale sono stati sviluppati Laboratori su Chip (Lab-On-Chips) per il conteggio e lo smistamento di cellule. Molte di queste applicazioni beneficerebbero notevolmente dell’introduzione di modulatori ottici integrati, ad esempio per la riconfigurazione di circuiti fotonici o per la modulazione di segnali ottici. Recentemente, è stata dimostrata l’integrazione di sfasatori termoottici in circuiti realizzati tramite la FLM. Questi modulatori sono stati implementati strutturando delle resistenze sulla superficie dei dispositivi, precedentemente ricoperta da uno strato nanometrico d’oro. Queste resistenze, tramite effetto Joule, generano un flusso di calore, il quale produce un gradiente di temperatura al’interno del chip. Questo approccio presenta due principali problematiche: da una parte esso necessita di guide d’onda prossime alla superficie, limitando la tridimensionalità della FLM, dall’altra è contraddistinto da lunghi tempi di risposta (nell’ordine dei secondi). Per ampliare le possibili applicazioni dei dispositivi realizzati tramite la FLM sono necessari modulatori ottici più rapidi, possibilmente integrati in profondità all’interno del substrato. In questo lavoro, proponiamo l’implementazione di un modulatore termo-ottico sepolto nel substrato, il cui riscaldatore resistivo consiste di un microcanale riempito con un materiale conduttivo. Anzitutto, discutiamo la progettazione del dispositivo, basata su uno studio analitico, con lo scopo di minimizzare il tempo di risposta e la potenza richiesta. Mostriamo quindi la fattibilità di questo approccio innovativo, caratterizzando le prestazioni del modulatore così realizzato. Il tempo di risposta misurato (circa 2ms) è risultato oltre due ordini di grandezza inferiore rispetto al tempo di risposta del modulatore ad oggi più rapido, realizzato tramite la FLM. La banda di funzionamento del nostro dispositivo è di circa 150 Hz. In aggiunta, abbiamo studiato, tramite simulazioni numeriche, geometrie originali al fine di ridurre ulteriormente il tempo di risposta. In particolare, abbiamo analizzato l’effetto sul tempo di risposta di una regione a temperatura fissata, di aree isolanti e di zone conduttive. Abbiamo stimato una riduzione del tempo di risposta intorno al 37% determinato dalla presenza di due microlastre conduttive poste al di sotto e al di sopra delle guide accoppiate. Infine, per migliorare le prestazioni delle guide d’onda presenti nel dispositivo, abbiamo sperimentato tecniche avanzate di scrittura tramite laser a femtosecondi.