Polarization behaviour of thin film lithium niobate waveguides

In the last years, the development of LNOI (Lithium Niobate on Insulator) technology made possible to overcome several limitations of photonic integrated circuits realized in titanium diffused lithium niobate. Thanks to a higher index contrast, LNOI circuits provide a higher integration scale, reduced energy consumption and a higher transmission rate of modulators. However, today, there are few studies which investigate the polarization effects in this kind of devices. This thesis work aims to fill this gap by investigating the polarization behaviour of optical photonic waveguides realized with the LNOI technology. The study focused on the polarization rotation which takes place in bent waveguides. This phenomenon can degrade the performances of photonic integrated circuits if it is not under control. For this reason, a part of this thesis consists in the design of high birefringence LNOI waveguides, which can maintain the polarization stable. A new algorithm for simulating light polarization inside bent waveguides is proposed. This is based on the transfer matrix method and, differently from other simulations techniques, it can be applied to anisotropic materials such as lithium niobate. It also requires less computational resources compared to 3D electromagnetic simulation techniques, like the FDTD method. Two different waveguide designs have been characterized experimentally: one with high and one with low birefringence. During the characterization, some properties of the waveguides have been estimated, such as the group index and the propagation losses, but more importantly it has been proven experimentally that LNOI waveguides are often affected by polarization rotation. In addition, the polarization cross-talk introduced by bent waveguides has been measured and the experiments confirm that a high birefringence reduces the polarization rotation significantly.

Negli ultimi anni lo sviluppo della tecnologia LNOI (Lithium Niobate On Insulator) ha permesso di superare diverse limitazioni dei circuiti fotonici integrati realizzati in niobato di litio diffuso in titanio. Grazie a un maggiore contrasto d’indice, i circuiti LNOI garantiscono una scala di integrazione aumentata, consumi di energia ridotti e una più alta capacità di trasmissione dei modulatori. Tuttavia, ad oggi, sono pochi gli studi che indagano gli effetti di polarizzazione in questo genere di dispositivi. Questo lavoro di tesi cerca di colmare questo vuoto andando a studiare il comportamento in polarizzazione di guide d'onda ottiche realizzate mediante tecnologia LNOI. In particolare, lo studio si è concentrato sulla rotazione di polarizzazione che ha luogo nelle guide curve. Il fenomeno, se non tenuto sotto controllo, può compromettere le prestazioni dei circuiti ottici integrati. Per questa ragione, parte dello studio consiste nella progettazione di guide LNOI ad alta birifrangenza che siano in grado di mantenere la polarizzazione stabile. Inoltre, si propone un nuovo algoritmo per simulare l’evoluzione della polarizzazione in guide curve basato sul metodo delle matrici di trasferimento. Questo algoritmo, a differenza di altre tecniche di simulazione, può essere applicato anche a materiali anisotropi, come il niobato di litio, e richiede meno risorse computazionali rispetto a simulazioni elettromagnetiche 3D, come il metodo FDTD. Due diversi design di guida sono stati caratterizzati sperimentalmente: uno ad alta e uno a bassa birifrangenza. Durante la caratterizzazione si sono stimate alcune proprietà delle guide, comprese le perdite di propagazione e l'indice di gruppo, ma soprattutto si è provato sperimentalmente che nelle guide in niobato di litio si ha spesso una rotazione di polarizzazione. Si è inoltre misurato il cross-talk in polarizzazione introdotto dalle guide curve. Infine, gli esperimenti hanno confermato che un’alta birifrangenza riduce significativamente la rotazione di polarizzazione.