3D integrated photonic circuit for astrophotonic applications

The implementation of integrated photonic technologies can be beneficial in many fields of physics, ranging from telecommunications to quantum optics. In this respect, a novel application of photonics is related to the field of astronomy, where the small dimension and the high thermo-mechanical stability of the integrated circuits allow to improve the performances of the sky observation. In this work, we present the implementation of a discrete beam combiner, an integrated interferometer capable of combining light of up to eight points of a telescope aperture, in order to increase the angular resolution. To fabricate the circuit, we exploited the Femtosecond Laser Micromachining technique in a glass substrate. Since celestial light is unpolarized, one of the main requirements of stellar interferometry is the polarization insensitivity of the beam combiner. For this reason, after the inscription process, we performed a thermal annealing step, which allowed us to reduce the waveguide birefringence by releasing the internal stresses of glass. The integrated interferometer was tested with classical light in order to validate its functioning. In particular, the device showed insertion losses below 2.5 dB for all the eight different inputs, which can be considered a state-of-the-art result for an 6 cm long chip. Moreover, the device showed a polarization insensitive behavior and, from its interferometrical analysis, a minimum condition number of 8 was measured in the astronomical H band. The last part of this work is devoted to a preliminary study for increasing the operation bandwidth of the device. Due to the complex geometry of the beam combiner, we decided to focus on achieving a broadband directional coupler, obtained by detuning two coupled waveguides. With this technique, we were able to fabricate a directional coupler with a reflectivity of 50 +- 5% in more than 100 nm.

La fotonica integrata ha permesso enormi progressi in molti campi della fisica, dalle telecomunicazioni all'ottica quantistica. Una recente applicazione è da trovare in astronomia dove le piccole dimensioni e l'elevata stabilità termica e meccanica dei circuiti integrati hanno permesso di migliorare notevolmente le osservazioni astronomiche. In questo lavoro presentiamo l'implementazione di un dispositivo chiamato discrete beam combiner. Esso è un interferometro integrato capace di combinare la luce proveniente da otto punti dell'apertura di un telescopio, in modo da aumentarne la risoluzione angolare. Per fabbricare il dispositivo, abbiamo usato la tecnica di microfabbricazione con laser a femtosecondi in un substrato di vetro. Siccome la luce proveniente da un corpo celeste è non polarizzata, è richiesto che il dispositivo abbia un comportamento indipendente dalla polarizzazione della luce in ingresso. Dopo la scrittura del circuito è stato dunque necessario operare un processo di annealing che ha permesso di ridurre la birifrangenza delle guide d'onda. Il dispositivo è stato analizzato con luce classica, per validarne le funzionalità. Per tutti gli otto ingressi, le perdite di inserzione sono state ridotte sotto la soglia di 2.5 dB, un valore mai raggiunto prima per un chip con 6 cm di lunghezza. Inoltre, il dispositivo si comporta in maniera indipendente dalla polarizzazione, come richiesto. Un numero di condizionamento pari a 8 è stato misurato nella banda astronomica H. Infine, è presentato uno studio preliminare sull'aumento della banda operativa del dispositivo. A causa della complessa geometria di quest'ultimo, abbiamo deciso di considerare un accoppiatore direzionale e studiarne in tal caso l'aumento di banda. Ciò può essere realizzato con un accoppiatore detunato, ottenuto variando la costante di propagazione delle due guide d'onda. Siamo stati così in grado di fabbricare un accoppiatore con una riflessione di 50 +- 5% su più di 100 nm.