Optimization of thermal reconfigurability for integrated photonic circuits

Compared to bulk and fiber optic systems, photonic integrated circuits (PICs) offer new levels of scalability, optical stability and complexity for the generation, manipulation, and detection of light. The realization of low-loss optical waveguides, which can support passive and active building blocks, opens the system-on-chip implementations to new possibilities. In this framework, different technological platforms have been realized in order to manage the design trade-off between low losses and small bending radii according to the desired performance and circuit footprint. SiON is a very promising material for integrated optics. Indeed, its tunable refractive index allows a favorable compromise between efficient fiber-to-chip coupling, low propagation loss, and small bending radii. In this work, the basic building blocks of passive linear optical circuits on a SiON-based integrated photonic platform were characterized. From the performed measurements, a double-step annealing allowed the achievement of state-of-the-art performance in terms of propagation losses (0.1dB/cm at 1550nm wavelength). Moreover, the measurements performed on unbalanced MZIs underlined the good control that the fabrication facility has on the process. Femtosecond laser writing (FLW) represents a mature technology for the realization of passive linear optical circuits. Phase shifters integrated on PICs offer the possibility to further enhance the functionality of the circuit by enabling a fine and adaptive tuning of its properties. To this purpose, thermal phase shifters have been implemented on FLW-PICs. Here, electrical microheaters are fabricated on the chip surface in order to induce a phase modulation of the optical signal by thermo-optic effect. However, a scalable implementation of reconfigurable FLW-PICs has not been achieved yet. Lithography-based thermal phase shifters to tune FLW-PICs represent a promising solution in terms of scalability and integration density. However, the issues in terms of stability of the microheater resistivity and high power dissipation have not been addressed yet. In this work, the combination of a proper thermal treatment and passivation of the lithography-based thermal shifters allowed one to achieve a stable resistance value for the 3- and 1.5-mm-long resistors aimed at tuning optical circuits operating at 1550nm and 800nm wavelength, respectively. The effectiveness of the fabricated devices for tuning the FLW-PICs has been then demonstrated for the first time. In addition, as reported in literature, 3D-isolating microstructures are necessary in order to reduce static power dissipation and thermal crosstalk. Therefore, lithography-based thermal phase shifters have been subsequently fabricated on a micromachined borosilicate glass in order to realize low power and compact reconfigurable FLW optical circuits. To this purpose, a preliminary photolithographic fabrication based on spin coating was proposed.

Paragonati ai sistemi ottici bulk e in fibra, i circuiti fotonici integrati permettono di realizzare dispositivi ottici più compatti e complessi per la generazione, la manipolazione e la rivelazione della luce. Inoltre, questi assicurano una stabilità ottica ed interferometrica altrimenti difficilmente ottenibile. Per questi motivi, la fotonica integrata si sta affermando come nuova tecnologia di base di dispositivi per applicazioni ad ampio spettro e che consentono l’implementazione di svariate funzioni all’interno di un singolo chip. Poiché la fabbricazione di guide d'onda a basse perdite è fondamentale per la realizzazione di circuiti ottici complessi sia di tipo passivo che attivo, diverse piattaforme tecnologiche sono state studiate con l'obiettivo di superare il trade-off esistente tra basse perdite e raggi di curvatura ridotti. Tra i diversi materiali utilizzabili per la realizzazione di queste piattaforme, il SiON rappresenta una soluzione promettente per il soddisfacimento dei requisiti sopra riportati. Infatti, il suo indice di rifrazione variabile permette un valido compromesso tra un efficiente accoppiamento fibra-guida, basse perdite di propagazione e raggi di curvatura ridotti. In questo lavoro di tesi, sono stati caratterizzati i componenti base di una piattaforma tecnologica in SiON di recente sviluppo al fine di valutare l'efficacia del processo di fabbricazione. In particolare, misure di perdita su guide d'onda sottoposte a diversi processi di fabbricazione hanno evidenziato come un trattamento termico post-deposizione e post-attacco permetta di raggiungere perdite di propagazione paragonabili ai valori riportati nello stato dell'arte (0.1dB/cm alla lunghezza d'onda di 1550nm). Inoltre, le misure ottiche effettuate su interferometri Mach-Zehnder (MZIs) sbilanciati mostrano un controllo robusto dei parametri di processo. La microlavorazione laser a femtosecondi (FLW) è una tecnica di fabbricazione ormai affermata per la realizzazione di circuiti ottici passivi. L'implementazione di modulatori di fase su circuiti fotonici integrati permette di modificare le proprietà ottiche del circuito in modo dinamico. In questo modo, è quindi possibile realizzare un circuito ottico programmabile in grado di implementare diverse funzioni. In particolare, la soluzione comunemente adottata per la modulazione dei dispositivi FLW verte sull'impiego di modulatori termo-ottici. Tali modulatori sono realizzati fabbricando un microriscaldatore elettrico sulla superficie del substrato in modo da indurre una variazione di fase del segnale per effetto termo-ottico. Ad ora, non sono stati ancora realizzati dispositivi FLW programmabili con una geometria compatta, ma la fabbricazione di modulatori termici attraverso un processo fotolitografico potrebbe rappresentare un significativo avanzamento in questa direzione. Tuttavia, l'ottimizzazione delle prestazioni di tali modulatori è un processo ancora in via di sviluppo. Questi infatti presentano una non trascurabile variazione del valore della resistenza nel tempo ed il loro utilizzo richiede una elevata potenza dissipata, precludendone al momento l'utilizzo in dispositivi FLW. In questo lavoro di tesi, lo studio e l'ottimizzazione del processo attraverso il trattamento termico e la passivazione dei dispositivi realizzati ha permesso di ottenere un valore di resistenza stabile nel tempo per i microriscaldatori con lunghezza di 3mm e 1.5mm. Tali modulatori termici possono trovare impiego in applicazioni a lunghezza d'onda di 1550nm e 800nm rispettivamente. A questo proposito, l'effettivo funzionamento dei microriscaldatori fabbricati è stato verificato su diversi dispositivi FLW. In secondo luogo, al fine di limitare la dissipazione di potenza elettrica richiesta da un singolo microriscaldatore e il cross-talk termico, è necessario delineare nel substrato strutture di isolamento termico attraverso la lavorazione FLW ad immersione in acqua. L'efficacia dell'utilizzo di tali strutture nel limitare la diffusione del calore nel substrato è infatti già nota in letteratura. Al fine di coniugare la compattezza dei microriscaldatori realizzati con tecnica fotolitografica con i livelli di dissipazione di potenza ottimali derivanti dalla strutturazione del substrato, è stato investigato un nuovo processo di fabbricazione basato su spin coating di resine ad alta viscosità.