Low-power and compact thermal phase shifters for reconfigurable femtosecond-laser-written optical circuits

Integrated photonics is today widely employed for the fabrication of photonic circuits featuring a level of complexity, scalability and optical stability that would be otherwise impractical by employing only bulk optical components. In this scenario, Femtosecond Laser Micromachining (FLM) distinguishes itself as a versatile technology for the rapid and cost-effective fabrication of photonic integrated circuits, especially when a complex 3D waveguide geometry is necessary. One of the requirements of many applications is the possibility to reconfigure the circuit during the experiments. This is implemented in FLM devices by thermal phase shifting, namely by fabricating electrical microheaters on the chip surface in order to modulate the phase of the optical signals by thermo-optic effect. However, FLM circuits have never been fabricated with more than a dozen thermal shifters. On one hand, because of the high electrical power dissipation and the significant thermal crosstalk on nearby waveguides. On the other hand, because the use of the same gold film for the entire electrical circuit forces the electrodes to be very large (even millimeters) with respect to the microheaters. In this work we propose two separate solutions for these problems. Firstly, we introduce thermal isolation structures in the circuit, demonstrating the lowest power dissipation (37 mW to induce a 2$ \pi $ phase shift) and the lowest thermal crosstalk (down to 3.5\%) ever reported for an FLM device. In addition, we also demonstrate how these isolation structures can pave the way towards power dissipation in the submilliwatt range and negligible crosstalk by operating the circuit in vacuum. Secondly, we develop a new photolithographic fabrication process that breaks the existing trade-offs, allowing for 100 \textmu m large electrodes and thus dramatically improving the integration density achievable by thermal shifters in reconfigurable FLM devices. When combined, these two solutions will enable the fabrication of low power and extremely compact reconfigurable FLM optical circuits, which will empower both classical and quantum experiments not yet realizable with the current state of the art.

La fotonica integrata è una delle infrastrutture tecnologiche oggi più ampiamente utilizzate nell'elaborazione di informazioni sia classiche che quantistiche. Essa consente la miniaturizzazione senza pari dei dispositivi, integrando funzionalità multiple nello stesso circuito ottico e garantendo un livello di stabilità che sarebbe altrimenti irrealizzabile sfruttando solo componenti discreti. Tra le numerose piattaforme di fabbricazione proposte sin dall'inizio della fotonica integrata negli anni '60, la microlavorazione laser a femtosecondi (FLM) si distingue come una tecnologia versatile che ha mostrato uno sviluppo diffuso negli ultimi due decenni. Questa tecnologia priva di maschere consente la prototipazione rapida di circuiti ottici complessi, anche nel caso di geometrie 3D che sarebbero difficilmente realizzabili con un processo di fabbricazione planare. Sia le applicazioni classiche che quantistiche della fotonica integrata richiedono in genere la manipolazione di uno stato fotonico, che può essere ottenuto attraverso circuiti ottici lineari programmabili. La cella base di tali circuiti è l'interferometro di Mach-Zehnder (MZI) riconfigurabile, che richiede l'implementazione di un modulatore di fase ottica. In questo scenario, lo sfasamento termo-ottico rappresenta la tecnologia prescelta per molte applicazioni, grazie alla sua elevata stabilità nel tempo e al fatto che non introduce ulteriori perdite sui segnali ottici. Tali modulatori possono essere facilmente implementati nella maggior parte delle piattaforme fotoniche integrate fabbricando un microriscaldatore elettrico sulla superficie del substrato e, grazie ai recenti sviluppi, tali sfasatori sono stati introdotti anche nei dispositivi FLM impiegando un sottile film d'oro che viene strutturato dallo stesso laser a femtosecondi usato per scrivere le guide d'onda del circuito. Tuttavia, il lavoro svolto sui circuiti integrati fotonici FLM riconfigurabili è tutt’altro che terminato. Infatti, i circuiti sono ancora interessati da numerosi punti deboli che limitano il numero di sfasatori termici integrabili sullo stesso chip a meno di una dozzina, impedendo lo sviluppo di circuiti ottici lineari complessi e, quindi, l’applicabilità di questi dispositivi in molti campi. In primo luogo, la dissipazione di potenza elettrica richiesta da un singolo sfasatore termico è troppo elevata, nell’ordine di centinaia di milliwatt. In secondo luogo, anche il crosstalk termico indotto sugli interferometri vicini è significativo, ben oltre il 50\% della fase indotta sul MZI obiettivo. Ultimo, ma non meno importante, il design a film singolo impone rigidi vincoli alla geometria dei dispositivi, in particolare sulle interconnessioni metalliche e sui pad di contatto (ovvero gli elettrodi) che portano a un’elevata resistenza serie parassita (intorno al 10\% della resistenza del microriscaldatore) anche in presenza di elettrodi molto larghi, nell’ordine dei millimetri. In questo lavoro proponiamo due soluzioni separate per questi problemi. Innanzitutto dimostriamo una significativa riduzione sia della potenza dissipata (37 mW per indurre uno sfasamento di 2$\pi$) che del crosstalk termico (fino a 3.5\%) mediante l'introduzione di strutture di isolamento termico delineate nel substrato attraverso lavorazione FLM ad immersione in acqua. Questi valori sono i più bassi mai dimostrati in letteratura per dispositivi FLM. Inoltre dimostriamo come queste strutture di isolamento termico possono spianare la strada verso dissipazioni di potenza inferiori a 1 mW e crosstalk termico inferiore allo 0.1\% tramite il loro utilizzo in vuoto. Questi avanzamenti in termini di performance a sua volta portano alla capacità di produrre dispositivi più compatti senza influire negativamente sulle loro prestazioni, diminuendo la lunghezza dei microriscaldatori da 3 a 1.5 mm. In secondo luogo abbiamo sviluppato un nuovo processo fotolitografico per la fabbricazione di sfasatori termici a base di cromo e rame con una geometria più compatta e priva dei vincoli introdotti dal design a singolo film d'oro sviluppato in precedenza. Questo ha portato a una significativa riduzione della resistenza parassita (intorno a qualche per cento della resistenza del microriscaldatore) e delle dimensioni degli elettrodi (dimostrati fino a 100 \textmu m), migliorando ulteriormente il livello di miniaturizzazione che può essere ottenuto e al contempo migliorando l'affidabilità di questi dispositivi. Se combinati, questi due sviluppi apriranno la strada a circuiti ottici integrati FLM riconfigurabili a basso consumo ed estremamente compatti, che consentiranno applicazioni quantistiche non ancora realizzabili con l'attuale stato dell'arte.