Integrated three-dimensional photonic devices fabricated by femtosecond laser micromachining

Femtosecond laser micromachining is a well established technique that provides unique possibilities in the creation of photonic devices. Through non-linear absorption processes it allows the creation of micron-sized modifications at the focal position, enabling a truly 3D fabrication. In particularly fused silica offers the possibility to be used for both waveguide writing and micro-channel fabrication through the selective etching of the modified structures. This thesis discusses three different applications of femtosecond direct writing in Fused Silica: The main chapter deals with the fabrication of vertical waveguides that are single mode and low loss at telecom wavelengths and can be curved in small angles to match input and output. These waveguides are currently being implemented for the fabrication of high-density interconnections in the context of the European project TERABOARD. Next, we explore the micro-channel fabrication method for the fabrication of Brewster angle windows, creating polarizing elements embedded in glass. We show some results and analysis on the possibility of exploring Fabry-Perot cavity effects in order to have a denser and more efficient devices. Finally, we present the fabrication of channels for the distribution of gas for third harmonic generation in a deep ultraviolet attosecond pulse generation system.

La microlavorazione laser a femtosecondi è una tecnica consolidata che offre possibilità uniche nella creazione di dispositivi fotonici. Attraverso processi di assorbimento non lineare consente la creazione di modifiche di dimensioni micrometriche nella posizione focale, consentendo una vera fabbricazione 3D. Fused silica particolarmente offre la possibilità di essere utilizzata sia per la scrittura di guide d'onda che per la fabbricazione di micro-canali attraverso l'attacco selettivo delle strutture modificate. Questa tesi discute tre diverse applicazioni di scrittura diretta a femtosecondi in Fused Silica: Il capitolo principale riguarda la fabbricazione di guide d'onda verticali che hanno singolo modo guidato e bassa perdita a lunghezze d'onda di telecomunicazione e possono essere curvate in piccoli angoli per far corrispondere input e output. Queste guide d'onda sono attualmente in fase di implementazione per la realizzazione di interconnessioni ad alta densità nel contesto del progetto europeo TERABOARD. Successivamente, esploriamo il metodo di fabbricazione dei micro canali per la fabbricazione delle finestre ai angolo di Brewster, creando elementi polarizzanti incorporati nel vetro. Mostriamo alcuni risultati e analizziamo la possibilità di esplorare gli effetti cavità di Fabry-Perot per avere dispositivi più densi e più efficienti. Infine, presentiamo la fabbricazione di canali per la distribuzione del gas per la generazione di terza armonica in un sistema di generazione degli impulsi ad attosecondi in ultravioletto profondo.