High integration density of thermal phase shifters for femtosecond-laser-written universal photonic processors

Photonic integrated circuits (PICs) are widely employed for classical communication and today have become a leading platform also for optical quantum information processing and computation. Programmable PICs, in particular, enable the implementation of different operations with the same device; the ultimate level of reconfigurability is provided by devices that are usually referred to as universal photonic processors (UPPs), since they are able to perform any linear operation among N input/output optical signals. Such devices are typically implemented by a mesh of Mach-Zehnder interferometers (MZIs), in which reconfigurability is achieved with the aid of thermal phase shifters, i.e. resistive micro-heaters able to tune the optical properties of the circuit by exploiting the thermooptic effect. Among the many technological platforms available nowadays, femtosecond laser writing (FLW) is demonstrating impressive results in quantum applications. FLW features low optical losses in a wide spectral range (400÷1550 nm) and insensitivity to polarization, thus allowing for polarization-encoded quantum computation. Being FLW practicable on many materials, e.g. glass, crystals and nonlinear materials, it enables the integration of photon sources and quantum memories. Conversely to other photolithography-based platforms, FLW allows also for rapid prototyping and 3D waveguide layouts as well. UPPs have been recently demonstrated also by FLW, however their complexity is constrained by the phase shifter fabrication technology that limits the number of modes to six. In this thesis work, a novel fabrication technology is presented and discussed. Conversely to the current single-metal technology, based on the ablation of a thin gold film, the double-layer technology I propose will allow one to overcome the aforementioned limitation of the number of modes. This technology relies on the photolithographic technique tied to a wet etching processing of two metal layers. In particular, chromium and copper are chosen as metals for phase shifters and interconnections, respectively. The fine optimization of the thermal shifter manufacturing process, integrated with a novel design of the photonic circuit, allows the demonstration of MZI cells able to provide the same performance of the previous generation, with an optical length of only 5.05 mm (almost a factor of 2 shorter than the state of the art for FLW-UPP cells). In particular, the MZI cell I developed is suitable for the fabrication of a 20-mode FLW-UPP in a total length of only 12 cm, with no compromise on the performance. The results presented in this thesis work open new prospects in the fabrication of complex FLW-UPPs and, in turn, in the large set of applications in which such devices are today exploited or envisioned.

I circuiti fotonici integrati (CFI) sono ampiamente utilizzati per telecomunicazioni classiche e oggi sono diventati una piattaforma trainante anche nell’elaborazione di informazioni e computazione ottiche quantistiche. I CFI programmabili, in particolare, permettono l’implementazione di differenti operazioni mediante lo stesso dispositivo; il limite ultimo in questo senso è offerto dai cosiddetti processori fotonici universali (PFU), essendo essi capaci di implementare una qualsiasi trasformazione lineare tra N segnali ottici di ingresso e uscita. Tali dispositivi sono tipicamente implementati da una rete di interferometri di Mach-Zehnder (IMZ), in cui la riconfigurabilità è ottenuta con l’ausilio di sfasatori termici, ossia di micro-scaldatori resistivi capaci di regolare le proprietà ottiche del circuito mediante l’effetto termo-ottico. Tra le molte piattaforme oggi disponibili, la scrittura laser a femtosecondi (SLF) sta dimostrando eccellenti risultati nelle applicazioni quantistiche. La SLF presenta basse perdite ottiche in un ampio range spettrale (400÷1550 nm) e insensitività alla polarizzazione, permettendo così computazioni quantistiche codificate in polarizzazione. Essendo la SLF realizzabile su diversi materiali, ad esempio vetro, cristalli e materiali non lineari, essa permette l’integrazione di sorgenti di luce e memorie quantistiche. Inoltre, differentemente ad altre piattaforme basate sulla tecnica fotolitografica, la SLF permette anche una rapida prototipazione e la possibilità di sviluppare strutture di guide d’onda tridimensionali. I PFU sono stati recentemente dimostrati dalla SLF, tuttavia, la loro complessità è circoscritta dalla tecnologia di fabbricazione degli sfasatori che limita il numero di modi a sei. In questa tesi, un nuovo processo di fabbricazione è presentato e discusso. Diversamente dall’attuale tecnologia a singolo metallo, basata sull’ablazione di un film sottile di oro, la tecnologia a doppio strato che propongo permetterà di superare il già citato limite sul numero di modi. Questa tecnologia si basa sulla tecnica fotolitografica abbinata all’attacco chimico dei due strati metallici. In particolare, cromo e rame sono scelti come metalli per sfasatori e interconnessioni, rispettivamente. La sottile ottimizzazione del processo di fabbricazione degli sfasatori termici, combinata con un nuovo design del circuito fotonico, permette la dimostrazione di celle di IMZ capaci di assicurare le stesse performance della generazione precedente, in una lunghezza di 5.05 mm (circa un fattore due inferiore rispetto all’ultima generazione delle celle dei PFU a SLF). In particolare, la cella di IMZ che ho sviluppato è idonea alla fabbricazione di un PFU a SLF a 20 modi in una lunghezza di 12 cm, senza alcun compromesso sulle performance. I risultati presentati in questa tesi aprono nuove prospettive nella fabbricazione di PFU a SLF, e, a sua volta, nell’ampia serie di applicazioni in cui questi dispositivi sono oggi impiegati e previsti.