Resonant micro-opto-mechanical modulators and switches by femtosecond laser micromachining

Femtosecond laser micromachining has stood out, from its birth in the late nineties, as a powerful and versatile technique for integrated device prototyping. This technique is based on femtosecond laser pulses, focalized with a microscope objective, to obtain permanent and localized modifications on many kind of substrates. The nonlinear nature of the interaction between laser pulses and transparent material confines the modified region to the focal point of the irradiation, thus enabling modifications in the bulk of the material without affecting the surface and providing the technique with a great 3D capability. By controlling the irradiation conditions, several kinds of material alteration can be obtained, such as refractive index modifications, phase changes, structural modification and void formation. Moreover, the reduced cost and dimensions of the equipment and the rapidity of the fabrication process are ideal features for device prototyping. Complex integrated waveguides circuits have been realized in a wide field of applications, ranging from astrophotonics to the experimental evaluation of quantum models. Waveguide writing by the means of refractive index modification is just one of the possibilities of the technique. The creation of self-organized nanogratings in fused silica stands at the basis of the FLICE technique, with which microchannels can be excavated by selective chemical etching of the irradiated region. This paved the way to the realization of microfluidic and lab-on-a-chip devices, which stand at the cutting edge of microbiological analysis. Finally, the possibility of removing material by ablation in almost any substrate has enriched even more the portfolio of applications of femtosecond laser material processing. In several applications, devices able to modulate and route the optical signal, within optical fiber networks or complex integrated-waveguide circuitry, are required. In glass, due to the lack of nonlinearity and conductive properties, this is usually obtained with a phase shifting inside an interferometric structure, which is given by a refractive index variation induced by a local heating. The main limitation of these devices is that in most cases they suffer from a slow response time, due to the thermal diffusion dynamics (in the order of ms). The aim of this work is to achieve faster modulation and switching of an optical signal exploiting oscillations of mechanical microstructures. In particular, the main idea behind this work is to have a waveguide, embedded into a micro-cantilever beam, perfectly aligned with an output waveguide in front of the structure. The mechanical oscillation of the micro-cantilever beam should be able to modulate the coupling of light between the two waveguides, by inducing a lateral misalignment. With a similar idea we intend to realize an opto-mechanical switch by using two output waveguides, instead than just one. In Chapter 1, a summary of the most important aspects of waveguide theory is presented, followed by a brief review of the state of the art of integrated switching technologies, where a particular attention is given to the micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS). Then, some relevant aspects of the theory of mechanical oscillations are presented. The first chapters concludes with the presentation of the micro-opto-mechanical modulator realized in the laboratory of the Physics Departement in the past months, which is the starting point of this thesis work. In Chapter 2, femtosecond laser micromachining is presented, highlighting its microstructuring capabilities and the most important aspects of laser-matter interaction involved in the process. Relevant examples of devices realized by this technique are also given. The equipment used and the methods applied during the fabrication and characterization process are presented in Chapter 3. Chapter 4 concerns the analysis and the development of the optical modulator, with the experimental process followed to optimize such device. This optimized device is then used as a starting point for designing a micro-opto-mechanical switch. In Chapter 5, the design of the new device is presented, together with the choice of the parameters used to obtain a complete device.

La microfabbricazione con laser a femtosecondi si è distinta, sin dalla sua nascita negli ultimi anni novanta, come uno strumento potente e versatile per la protipazione di dispositivi integrati. Questa tecnica è basata sull'impiego di impulsi laser a femtosecondi, focalizzati tramite un obiettivo da microscopio, per ottenere modifiche permanenti e localizzate dei materiali. La natura nonlineare dell'interazione fra gli impulsi laser e il materiale trasparente confina la regione di alterazione al punto focale, permettendo modifiche della parte interna del materiale senza interessarne la superficie e donando così alla tecnica ottime capacità di modellazione tridimensionale. Controllando i parametri di irraggiamento è possibile ottenere dirersi tipi di alterazione del materiale, come modifiche di indice di rifrazione, cambi di fase, modifiche strutturali e formazione di vuoti. Inoltre, le dimensioni e i costi ridotti dell'apparato, uniti alla rapidità del processo di fabbricazione sono caratteristiche ideali per la protipazione dei dispositivi. Tramite questa tecnica sono stati realizzati circuiti integrati in guida d'onda ad elevata complessità, con applicazioni che vanno dall'astrofotonica alla validazione sperimentale di modelli quantistici. La scrittura di guide d'onda per mezzo della modifica di indice di rifrazione è solo una delle possibilità di questa tecnica. In particolari condizioni di irraggiamento, e su particolari tipi di substrato, è possibile impiegare la tecnica cosiddetta FLICE (Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching), con la quale si possono scavare microcanali con geometrie tridimensionali, sottraendo chimicamente e selettivamente la parte irradiata. Questo ha aperto la strada alla creazione di dispositivi microfluidici e dei cosiddetti lab-on-a-chip, per applicazioni d'avanguardia nell'analisi chimica e biologica. La possibilità di rimuovere materiale creando vuoti in praticamente ogni substrato ha arricchito ancor più lo spettro delle applicazioni di questa tecnica. Dispositivi capaci di modulare o commutare il segnale ottico in guida d'onda, o in fibra, sono richiesti in numerose applicazioni. Nel vetro, a causa della mancanza di nonlinearità e di proprietà conduttive, questo è ottenuto solitamente con un cambio di fase all'interno di una struttura interferometrica, attraverso la variazione di indice di rifrazione indotta da un riscaldamento localizzato. La grande limitazione di questi dispositivi è che, nella maggior parte dei casi, hanno tempi di risposta lenti, causati dalla dinamica della diffusione termica (che è nell'ordine dei millisecondi). Lo scopo di questo lavoro è di indurre la modulazione o la commutazione di un segnale ottico attraverso l'oscillazione di microstrutture meccaniche. Sfruttando la risonanza di queste strutture ci aspettiamo di superare le limitazioni imposte dall'attuazione termica. L'idea generale dietro a questo lavoro è quella di sfruttare per la modulazione una guida d'onda, all'interno di un cantilever di dimensioni micrometriche, allineata perfettamente a una guida d'uscita davanti alla struttura. L'oscillazione meccanica dell'asta consente di modulare l'accoppiamento della luce fra le due guide inducendo un disallineamento laterale delle due. Analogamente, realizzeremo un commutatore opto-meccanico utilizzando due guide d'uscita, anzi-chè una. Nel primo capitolo è presentato un breve riassunto degli aspetti più rilevanti della teoria delle guide d'onda, seguito da un'introduzione alle tecnologie all'avanguardia nell'ambito dei commutatori, dove è data particolare attenzione ai sistemi micro-opto-elettro-meccanici (MOEMS). In seguito, sono presentati alcuni aspetti rilevanti della teoria usata per modellare le oscillazioni meccaniche in un'asta. Il primo capitolo si conclude con la presentazione di un modulatore micro-opto-meccanico, realizzato presso i laboratori del Dipartimento di Fisica nei mesi precedenti a questo lavoro di tesi, e su cui quest'ultimo trae il suo sviluppo. Nel secondo capitolo, è presentata la microfabbricazione con laser a femtosecondi, sottolineando le sue capacità di microstrutturazione e gli aspetti più importanti dell'interazione radiazione-materia che la riguardano; sono poi presentati alcuni dispositivi esemplificativi. L'apparato utilizzato e i metodi applicati durante la fabbricazione e la caratterizzazione dei dispositivi sono presentati nel terzo capitolo. Il quarto capitolo rigurda l'analisi e lo sviluppo del modulatore ottico integrato, con il processo sperimentale utilizzato per ottimizzarlo. Si è ottenuto così un modulatore in crado di mostrare un contrasto tra picchi e minimi di 17 dB ad una frequenza di 72 kHz. Il dispositivo ottimizzato è stato quindi usato come punto di partenza per la progettazione del direzionatore micro-opto-meccanico. Nel quinto capitolo, si presenta la progettazione del commutatore a due guide d'onda, assieme alla scelta sperimentale dei parametri utilizzati col fine di ottenere un dispositivo completo. Si è ottenuto così un prototipo in grado di commutare il segnale tra due guide di uscita in un tempo di 10 μs, con un contrasto di 10 dB.