Fabrication of complex programmable photonic processor in a glass-based femtosecond laser writing platform

Photonic integrated circuits (PICs) are today widely employed in classical communication applications and have become the leading platform for implementing photonic quantum technologies. The realization of increasingly complex, stable and miniaturised PICs is the focus of current research in the field of integrated photonics. In this scenario, femtosecond laser micromachining (FLM) is a promising photonic platform for the rapid and cost-effective manufacturing process, and for the capability of realising 3D optical circuits. The reconfigurability of the circuit is a fundamental requirement for many applications, in particular to create universal circuits capable of implementing any linear unitary transformation. This is possible in FLM devices by implementing thermal phase shifters, i.e. by manufacturing microheaters on the device surface, which can be controlled externally and that are able to modulate the phase of the light by exploiting the thermo-optic effect. Even though recent works have shown how the use of thermally isolating structures makes it possible to reduce the required power dissipation, thus allowing an higher number of microheaters that can be realised on a single device, the complexity of FLM reconfigurable circuits is currently limited. The main limiting factor is the use of a single metal for the realisation of the electrical circuit, which forces the electrodes to be very large with respect to the microheaters. In order to completely overcome the limits of scalability, it is necessary to develop a technology different from that of the single metal and compatible with the presence of thermal isolation structures. This is the context in which this thesis work has been developed and, in particular, it is possible to identify a twofold contribution that I gave. The first part of this thesis aims at pushing the complexity of the current FLM technology toward the limit with the fabrication of a six mode universal optical circuit by using the single metal technology. Reconfigurability is implemented with a total number of 30 thermal phase shifters surrounded by suitable isolation structures. This device is the most complex integrated circuit ever built in the FLM platform, with a number of thermal phase shifters that doubles with respect to the current state of the art, and thus represents the upper limit of integration achievable with this technology. The second part of this thesis concerns the optimisation of a new technology to realise phase shifters and electrodes with two different materials (high resistivity chromium for phase shifters and low resistivity copper for electrodes) in order to overcome the constraints on electrode size caused by the use of a single metal film for the entire electrical circuit. The process chosen is photolithography, the effectiveness of which has already been demonstrated on planar substrates. In this thesis I demonstrate that the same process is also compatible with the thermal isolation structures, paving the way toward an increased complexity of reconfigurable optical circuits manufactured by FLM.

I circuiti integrati fotonici (PIC) sono oggi ampiamente impiegati nelle applicazioni di comunicazione classica e sono diventati la piattaforma principale per l’implementazione delle tecnologie quantistiche fotoniche. La realizzazione di PIC sempre pi`u complessi, stabili e miniaturizzati `e al centro della ricerca attuale nel campo della fotonica integrata. In questo scenario, la microlavorazione laser a femtosecondi (FLM) `e una piattaforma fotonica promettente per il processo di produzione rapido ed economico e per la capacit`a di realizzare circuiti ottici 3D. La riconfigurabilit`a del circuito `e un requisito fondamentale per molte applicazioni, in particolare per creare circuiti universali in grado di implementare qualsiasi trasformazione lineare unitaria. Questo `e possibile nei dispositivi FLM implementando degli sfasatori termici, cio`e realizzando dei micro riscaldatori sulla superficie del dispositivo, che possono essere controllati esternamente e che sono in grado di modulare la fase della luce sfruttando l’effetto termo-ottico. Anche se recenti lavori hanno dimostrato come l’uso di strutture termicamente isolanti permetta di ridurre la potenza dissipata richiesta, permettendo cos`ı un numero maggiore di microriscaldatori realizzabili su un singolo dispositivo, la complessit`a dei circuiti riconfigurabili FLM `e attualmente limitata. Il principale fattore limitante `e l’uso di un solo metallo per la realizzazione del circuito elettrico, che costringe gli elettrodi ad essere molto grandi rispetto ai micro riscaldatori. Per superare completamente i limiti di scalabilit`a, `e necessario sviluppare una tecnologia diversa da quella del singolo metallo e compatibile con la presenza di strutture di isolamento termico. Questo `e il contesto in cui si `e sviluppato questo lavoro di tesi e, in particolare, `e possibile individuare un duplice contributo che ho fornito. La prima parte di questa tesi mira a spingere la complessit`a dell’attuale tecnologia FLM verso il limite con la fabbricazione di un circuito ottico universale a sei modi utilizzando la tecnologia a singolo metallo. La riconfigurabilit`a `e implementata con un numero totale di 30 sfasatori termici circondati da adeguate strutture di isolamento. Questo dispositivo `e il circuito integrato pi`u complesso mai realizzato nella piattaforma FLM, con un numero di sfasatori termici che raddoppia rispetto all’attuale stato dell’arte, e rappresenta quindi il limite superiore di integrazione raggiungibile con questa tecnologia. La seconda parte di questa tesi riguarda l’ottimizzazione di una nuova tecnologia per realizzare sfasatori ed elettrodi con due diversi materiali (cromo ad alta resistivit`a per gli sfasatori e rame a bassa resistivit`a per gli elettrodi) al fine di superare i vincoli sulle dimensioni degli elettrodi causati dall’utilizzo di un unico film metallico per l’intero circuito elettrico. Il processo scelto `e la fotolitografia, la cui efficacia `e gi`a stata dimostrata su substrati planari. In questa tesi dimostro che lo stesso processo `e compatibile anche con le strutture di isolamento termico, aprendo la strada verso una maggiore complessit`a dei circuiti ottici riconfigurabili prodotti tramite FLM.