A micro-optomechanical modulator realized by femtosecond laser micromachining

Femtosecond Laser Micromachining (or FLM) is a versatile technique that has shown in the last two decades a profound and widespread development. The extremely high peak intensity associated to ultra-short laser pulses renders them particularly appealing for producing permanent, localized modifications on several types of material. Among these, transparent materials deserve special consideration. In a transparent material, where the energy bandgap is larger than the energy of the impinging photons and linear absorption is therefore suppressed, absorption can only take place through nonlinear processes. If the laser beam is focused in a point deep in the bulk of the substrate, such processes happen only in a very narrow region close to the focal point, creating a small absorption spot where energy is locally deposited and can lead to permanent modifications. By moving the relative position of the focal point with respect to the sample, micromachining with almost arbitrary and three-dimensional geometry becomes possible. In several types of glass, the exposure to femtosecond pulses can lead, when properly executed, to a permanent and localized increase of refractive index which enables to write optical waveguides within the bulk of the substrate. This was among the early discoveries in the history of FLM, and nowadays integrated photonic circuits of great complexity can be realized. Their applications include, among the most prominent examples, the implementation of quantum information protocols where quantum states are encoded in photons and the operations are performed by suitable interferometric schemes. On the other hand, the formation of peculiar self-organized nanocracks was exploited in fused silica and few other glasses for the development of a two-step technique called FLICE (Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching), where the glass is first irradiated and subsequently immersed in hydrofluoridric acid, so that the irradiated regions are selectively etched. This enables the realization of buried channels that have found application in microfluidics. In particular, the integration of microfluidic and optical components on the same substrate has opened the way to optofluidic lab-on-a-chip devices capable of performing microbiological analysis efficiently and compactly. Both applications greatly benefit from a reconfigurability of the optical properties of the device. Very recently, a technique for performing phase modulation in femtosecond laser-written circuits has been demonstrated. Gold resistors are fabricated on top of the glass substrate to act as local heaters, and the thermo-optic effect is exploited to change the refractive index and thus the optical path of the waveguide, up to a complete phase shift of 2 pi. The main drawbacks of this technique are the power consumption in DC operation, the thermal crosstalk between heaters and, most importantly, an intrinsic bandwidth limitation due to heat diffusion time. Reconfiguration times are tipically in the order of tens or hundreds of milliseconds. The fundamental idea at the basis of our work is to obtain optical modulation by exploiting mechanical effects, rather than thermal. Optomechanical modulation could be indeed the key to overcome the fundamental limitations of the currently employed thermal shifters. In fact, micromechanical structures can take advantage of their intrinsic resonant behavior to achieve much faster operation, as their frequency of resonance are tipically in the order of 10^4 to 10^5 Hz. Here we aim at the realization of an optomechanical intensity modulator by integrating a straight waveguide within a cantilever structure. The waveguide will cross the cantilever along its whole length, in such a way that the oscillation of the cantilever will cause a misalignment of the two extremities of the waveguide. The misalignment produces a decoupling of the guided modes, hence the mechanical movement will translate into a modulation of the transmitted optical intensity. In the first chapter of this work we give, with no claim of completeness, a brief review on theory and applications of micromechanical resonators. We specifically focus on the dynamics of a cantilever beam and we introduce a simple harmonic oscillator model to account for its resonant behaviour. We then discuss the concept of quality factor and some theoretical models that try to give a-priori predictions. Chapter 2 introduces the fundamentals of Femtosecond Laser Micromachining. In detail, we discuss waveguide writing and we compare the FLICE technique with other microstructuring techniques, namely water-assisted ablation. We then move to Chapter 3 to give a brief description of our experimental apparatus and the different setups employed for the characterization of a device. In Chapter 4 we discuss the design of our optomechanical modulator: we explain the physical principles of operation, we individuate its critical properties, we discuss the choice of substrate and, consequently, the choice of microstructuring technique. Finally, our experimental results will be presented in Chapters 5 and 6.

La Microfabbricazione con Laser a Femtosecondi (FLM) è una tecnica versatile che negli ultimi due decenni ha avuto un ampio e profondo sviluppo. L'intensità di picco estremamente alta associata agli impulsi laser ultrabrevi li rende particolarmente attraenti per produrre modifiche localizzate permanenti su diversi tipi di materiali. Tra questi, i materiali trasparenti meritano particolare considerazione. In un materiale trasparente, infatti, dove il gap energetico tra le bande è superiore all'energia dei fotoni incidenti e perciò l'assorbimento lineare è soppresso, l'assorbimento può avvenire solo tramite processi non lineari. Se il fascio laser è focalizzato in un punto all'interno del volume del materiale, tali processi accadono solo in una piccola regione attorno al punto focale, creando un piccolo centro di assorbimento dove l'energia può localmente depositarsi e produrre modifiche permanenti. Muovendo la posizione relativa del fuoco rispetto al campione è possibile microfabbricare geometrie tridimensionali di quasi arbitraria complessità. In diversi tipi di vetro, l'esposizione a impulsi a femtosecondi può portare, se correttamente eseguita, ad un aumento localizzato e permanente dell'indice di rifrazione, e ciò consente di scrivere guide d'onda ottiche all'interno del materiale. Questa fu una delle prime scoperte nella storia della FLM, e al giorno d'oggi con questa tecnica vengono realizzati circuiti fotonici di grande complessità. Le loro applicazioni includono, tra gli esempi di maggiore rilievo, l'implementazione di protocolli di informazione quantistica dove gli stati quantistici sono codificati su singoli fotoni e le operazioni sono eseguite tramite opportuni schemi interferometrici. D'altro canto, la formazione di peculiari nano-fratture periodiche nel fused silica e alcuni altri vetri è stata sfruttata per lo sviluppo di una tecnica in due step denominata FLICE (Irraggiamento con Laser a Femtosecondi seguito da Etching Chimico), in cui il vetro viene prima irraggiato e successivamente immerso in acido fluoridrico, in modo che le parti irraggiate vengano selettivamente scavate. Questo ha consentito la realizzazione di canali sepolti che hanno trovato applicazione nella microfluidica. In particolare, l'integrazione di componenti ottici e microfluidici nello stesso substrato ha aperto la strada a dispositivi lab-on-a-chip optofluidici capaci di eseguire analisi microbiologiche in modo efficiente e compatto. Entrambe le applicazioni traggono grande beneficio dalla possibilità di riconfigurare le proprietà ottiche del dispositivo. Molto recentemente, è stata dimostrata una tecnica per eseguire modulazione di fase in circuiti ottici scritti con laser a femtosecondi. Si fabbricano dei resistori d'oro sulla superficie del substrato di vetro per creare dei micro-riscaldatori, e si sfrutta l'effetto termo-ottico per modificare l'indice di rifrazione e dunque il cammino ottico della guida, fino ad uno shift completo di 2 pi-greco. I limiti principali di questa tecnica sono la dissipazione di potenza per il funzionamento in continua, il crosstalk termico tra i resistori, ma soprattutto una limitazione intrinseca della banda dovuta al tempo di diffusione termico. I tempi di riconfigurazione sono tipicamente nell'ordine di decine o centinaia di millisecondi. L'idea fondamentale alla base di questo lavoro è di ottenere una modulazione ottica sfruttando effetti meccanici anziché termici. Una modulazione optomeccanica potrebbe infatti essere la soluzione per superare le limitazioni degli shifter termici attualmente in uso, poiché le strutture micromeccaniche possono trarre vantaggio dal loro comportamento intrinsecamente risonante per raggiungere regimi molto più veloci, avendo frequenze di risonanza tipicamente nell'ordine di 10^4 o 10^5 Hz. Nell'ambito di questo progetto, ci prefiggiamo di realizzare un modulatore di intensità optomeccanico tramite l'integrazione di una guida d'onda all'interno di un cantilever (cioè una struttura con un'estremità libera oscillante). La guida attraverserà il cantilever per tutta la lunghezza, di modo che l'oscillazione del cantilever causi un disallineamento delle due estremità della guida. Il disallineamento produrrà un disaccopiamento dei modi guidati, perciò il movimento meccanico si tradurrà in una modulazione dell'intensità ottica trasmessa. Nel primo capitolo di questa tesi diamo, senza pretesa di esaustività, una breve panoramica sulla teoria e le applicazioni dei risonatori micromeccanici. Ci concentriamo principalmente sulla dinamica del cantilever e introduciamo un semplice modello di oscillatore armonico per dare conto del suo comportamento a risonanza. Discutiamo poi il concetto di quality-factor e alcuni modelli teorici che cercano di darne una previsione a priori. Il Capitolo 2 introduce i fondamenti della Microfabbricazione con Laser a Femtosecondi. In dettaglio, discutiamo la scrittura di guide e confrontiamo la FLICE con altre tecniche di microstrutturazione, in particolare l'ablazione a contatto con acqua. Passiamo poi al Capitolo 3 per dare una breve descrizione del nostro apparato sperimentale e i diversi setup impiegati per la caratterizzazione di un dispositivo. Nel Capitolo 4 discutiamo la progettazione del nostro modulatore optomeccanico: ne spieghiamo i principi fisici, ne individuiamo le proprietà critiche, discutiamo la scelta del substrato e, di conseguenza, la scelta della tecnica di microstrutturazione. Infine, i nostri risultati sperimentali sono presentati nei capitoli 5 e 6. Dimostreremo l'ottimizzazione della tecnica di ablazione a contatto con l'acqua, la sua applicazione per rimuovere efficientemente porzioni significative di volume, ed il suo utilizzo per la fabbricazione del cantilever. Descriveremo il processo di caratterizzazione delle proprietà statiche e dinamiche del cantilever e forniremo modelli teorici in grado di predire con ottima accuratezza i nostri risultati sperimentali. Dimostreremo una modulazione del segnale dell'ordine del 10%.