Thermo-optic and opto-mechanical switches and modulators by femtosecond laser micromachining

In the last decades, integrated photonics has played an always-increasing role in the development of new technologies and devices, with applications not only in the field of optical communications but, more recently, also in linear-optical quantum computing and simulations. Actually, the possibility of integrating a highly-engineered photonic circuit inside a small glass chip allows to develop ultra-stable platforms for the large-scale processing of classical and quantum optical signals. A key feature of integrated photonic devices is reconfigurability, i.e. the capability of tuning the functionality of the device by means of externally-applied control signals, e.g. for implementing fast optical switches or active routers which can be operated in a flexible and dynamical fashion. The reconfigurability of integrated devices is often implemented by means of thermal shifters, i.e. electrically-driven resistors which induce a local temperature change in some specific points of the circuit, to modulate the waveguides effective index through the thermo-optic effect, thus imposing a controlled phase shift to the propagating light. Inserted in Mach-Zehnder interferometric rings, these components enable to arbitrary route the optical signals through the circuit. Currently, the most advanced reconfigurable integrated photonic chips are realised through lithographic techniques, which provide high precision, miniaturisation and low-loss switching. However, fabrication time is generally long and the requirement of a clean room environment makes these methods less effective in the prototyping of optical circuits with innovative geometries. In the last twenty years, Femtosecond Laser Micromachining (FLM) has progressively attained a relevant role as fabrication technique for integrated optical circuits due to its advantages. It consists in the direct writing of optical circuits by means of focused femtosecond laser pulses. FLM relies on a maskless approach which does not require a clean room environment, and it allows for the fast prototyping of high-quality integrated photonic circuits on glass substrates. Moreover, FLM is intrinsically a 3D fabrication technique as it exploits non-linear absorption phenomena taking place only at the focal point, whose depth in the substrate is chosen freely. In recent years, FLM has been exploited to fabricate integrated photonic devices for numerous applications, including beam dividers, directional couplers, polarisation sensitive elements and wavelength division multiplexers. Furthermore, thermal phase shifting elements can be also fabricated by FLM, by depositing metallic films on the substrate and then ablating them with the femtosecond laser. The choice of thermal tuning to reconfigure integrated circuits is related to its high stability and reliability and to the simplicity of its implementation. Nevertheless, this approach has two main limitations: I) heaters should not be placed too close one with respect to the others in order not to induce excessive cross-talks. II) The temporal response of such devices is limited to the millisecond scale, due to the intrinsic slowness of thermal diffusion processes. Thus, the switching time limits the device operation at frequencies lower than hundreds of Hz. On the other hand, lithium niobate devices find widespread application in the optical communications field, for signal switching and modulation purposes. They provide very high frequency operations (up to 100 GHz) but suffers from significant insertion losses (∼ 7 − 8 dB), which make them not suitable for those applications where the optical signal can not be regenerated or amplified (e.g. quantum optics). A possible way to circumvent the previous limitations could be to take advantage of a different effect for altering the refractive index of the substrate. Specifically, the elasto-optic effect, which produces a refractive index change in response to an applied mechanical stress, looks particularly promising, since it can be exploited in a wide variety of substrates, including glass. Moreover, low-loss optical waveguides have been extensively demonstrated in glass and can be coupled to micromechanical elements thanks to the versatility of FLM. The realisation of integrated opto-mechanical phase shifters would indeed allow to push the operational frequency of the devices up to the MHz regime, in principle with negligible cross-talk between different elements. However, the fabrication of such components is challenging, as it requires the carving of complex 3D mechanical resonating structures inside the bulk substrate, with micrometric resolution. This work aims at improving the temporal response of the existing methods, based on the thermo-optic effect, for signal modulation in reconfigurable photonic circuits on glass substrates and at proposing new alternatives to them, by exploiting the elasto-optic effect to induce controlled refractive index variations related to localised stresses in the material due to the oscillation of micro-mechanical structures.

Negli ultimi decenni, la fotonica integrata ha svolto un ruolo sempre crescente nello sviluppo di nuove tecnologie e dispositivi, con applicazioni nel campo delle comunicazioni ottiche e, più recentemente, in ottica quantistica. La possibilità di integrare un circuito fotonico altamente ingegnerizzato all'interno di un piccolo chip di vetro permette di sviluppare piattaforme ultra-stabili per l'elaborazione su larga scala di segnali ottici classici e quantistici. Una caratteristica fondamentale dei dispositivi fotonici integrati è la riconfigurabilità, ossia la capacità di regolare la funzionalità del dispositivo mediante segnali di controllo applicati dall'esterno, per implementare ad esempio commutatori ottici veloci o router attivi che possono essere utilizzati in modo flessibile e dinamico. La riconfigurabilità dei dispositivi integrati è spesso implementata per mezzo di sfasatori termici, ossia resistenze azionate elettricamente che inducono una variazione locale della temperatura in alcuni punti specifici del circuito, per modulare l'indice efficace delle guide d'onda attraverso l'effetto termo-ottico e imponendo così uno spostamento di fase controllato alla luce in propagazione. Inseriti in anelli interferometrici (Mach-Zehnder), questi componenti consentono di direzionare arbitrariamente i segnali ottici attraverso il circuito. Attualmente, i chip fotonici integrati riconfigurabili più avanzati sono realizzati con tecniche litografiche, che garantiscono alta precisione, miniaturizzazione e commutazioni a basse perdite. Tuttavia, i tempi di fabbricazione sono generalmente lunghi e la necessità di una camera bianca rende questi metodi meno efficaci per la prototipazione di circuiti ottici con geometrie innovative. Negli ultimi vent'anni, la microlavorazione laser a femtosecondi (FLM) ha progressivamente acquisito un ruolo importante come tecnica di fabbricazione di circuiti ottici integrati, grazie ai suoi vantaggi. La FLM consiste nella scrittura diretta di circuiti ottici mediante impulsi laser a femtosecondi. Essa si basa su un approccio che non richiede un ambiente di camera bianca e consente la prototipazione rapida di circuiti fotonici integrati di alta qualità su substrati di vetro. Inoltre, l’FLM è intrinsecamente una tecnica di fabbricazione 3D, poiché sfrutta i fenomeni di assorbimento non lineare che avvengono solo nel punto focale, la cui profondità nel substrato è scelta liberamente. Negli ultimi anni, la FLM è stata sfruttata per fabbricare dispositivi fotonici integrati per numerose applicazioni, tra cui divisori di fascio, accoppiatori direzionali, elementi sensibili alla polarizzazione e multiplexer a divisione di lunghezza d'onda. Inoltre, mediante FLM possono essere fabbricati anche sfasatori termici, depositando film metallici sul substrato e lavorandoli poi con il laser a femtosecondi. La scelta degli sfastori termici per riconfigurare i circuiti integrati è legata alla loro elevata stabilità e affidabilità e alla semplicità di implementazione. Tuttavia, questo approccio presenta due limitazioni principali: I) i resistori utilizzati come elementi riscaldanti non devono essere posizionati troppo vicini l'uno all'altro per non indurre cross-talk. II) La risposta temporale di questi dispositivi è limitata alla scala dei millisecondi, a causa della lentezza intrinseca dei processi di diffusione termica. Pertanto, il tempo di commutazione limita il funzionamento del dispositivo a frequenze inferiori a centinaia di Hz. D'altra parte, i dispositivi in niobato di litio trovano ampia applicazione nel campo delle comunicazioni ottiche, per la commutazione e la modulazione dei segnali. Essi consentono di operare ad altissima frequenza (fino a 100 GHz), ma soffrono di significative perdite di inserzione (∼ 7 - 8 dB), che li rendono poco adatti alle applicazioni in cui il segnale ottico non può essere rigenerato o amplificato (ad esempio, in ottica quantistica). Un possibile modo per aggirare le limitazioni precedenti potrebbe essere quello di sfruttare un effetto diverso per alterare l'indice di rifrazione del substrato. In particolare, l'effetto elasto-ottico, che produce una variazione dell'indice di rifrazione in risposta a una sollecitazione meccanica applicata, sembra particolarmente promettente, poiché può essere sfruttato in un'ampia varietà di substrati, compreso il vetro. Inoltre, guide ottiche con basse perdite sono state ampiamente dimostrate nel vetro e possono essere accoppiate a elementi micromeccanici grazie alla versatilità della FLM. La realizzazione di sfasatori opto-meccanici integrati consentirebbe di spingere la frequenza operativa dei dispositivi fino al regime dei MHz, in linea di principio con un cross-talk trascurabile tra i diversi elementi. Tuttavia, la fabbricazione di tali componenti è impegnativa, in quanto richiede l'irraggiamento di complesse strutture meccaniche risonanti all'interno del substrato, con risoluzione micrometrica. Questo lavoro di tesi mira a migliorare la risposta temporale dei metodi esistenti, basati sull'effetto termo-ottico, per la modulazione del segnale nei circuiti fotonici riconfigurabili su substrati di vetro e a proporre nuove alternative ad essi, sfruttando l'effetto elasto-ottico per indurre variazioni controllate dell'indice di rifrazione legate a sollecitazioni localizzate nel materiale dovute ad elementi micromeccanici.