Photo-thermal Inline Light Sensors in Integrated Photonics

In the last decade, photonic integrated circuits (PICs) have gained interest due to the larger scale of integration that allowed the implementation of more complex architectures, with a consequent increase of data transfer speeds and high energy efficiency. To guarantee that devices operate in their nominal working point it is necessary to cope with temperature fluctuations that cause local variations of the refractive index of the waveguide material. For this purpose, it is paramount to have at our disposal sensors capable of monitoring the optical power propagating in a waveguide and an electronic control system that allows an automatic and real-time calibration of photonic devices. The first part of this thesis illustrates the working principle of a non-invasive transparent plasmonic sensor, based on the photo-thermal effect. It consists of a thin gold layer with micrometric dimensions integrated on top of a waveguide. A small fraction of the optical power is absorbed causing the heating of the metal and the consequent increase of its resistance, proportionally to the optical power propagating in the underlying waveguide. Subsequently, it is demonstrated how, thanks to the information extracted from the sensor, it is possible to control a microring resonator, keeping it at resonance in presence of temperature fluctuations and wavelength shifts. In the second part of this work, the properties of barium titanate (BaTiO3) were studied. It gained popularity in the field of integrated photonics as an electro-optic material. In fact, its large Pockels coefficients make it an excellent candidate in the realization of phase shifters and modulators, possibly taking over its predecessor - lithium niobate (LiNbO3). Lastly, its use as a light sensor is evaluated and a new structure is introduced as a suitable platform to implement a closed-loop control scheme using the information read from the device.

Nell'ultimo decennio i circuiti fotonici integrati (PIC) hanno guadagnato popolarità grazie alla maggiore scala di integrazione che ha permesso l'implementazione di architetture più complesse, con un conseguente aumento della velocità di trasmissione dei data e alta efficienza energetica. Affinché i dispositivi funzionino nel loro punto di lavoro nominale è necessario far fronte alle fluttuazioni di temperature che causano variazioni locali dell'indice di rifrazione del materiale di cui è composta la guida. A tale scopo si rendono necessari sensori in grado di monitorare la potenza ottica che si propaga nella guida d'onda e un sistema di controllo elettronico che consenta una calibrazione automatica e in tempo reale dei dispositivi fotonici. La prima parte di questa tesi illustra il principio di funzionamento di un sensore plasmonico non invasivo, trasparente e basato sull'effetto foto-termico. Esso consiste in una placca d'oro di dimensioni micrometriche posta su una guida d'onda. Una piccolissima frazione della potenza ottica viene assorbita causando un riscaldamento del metallo e il conseguente aumento della sua resistenza è indicativo della potenza ottica che si propaga nella guida d'onda sottostante. Successivamente, viene dimostrato come, tramite l'informazione estratta dal sensore, sia possibile controllare un risonatore ad anello in modo da mantenerlo in risonanza a fronte di fluttuazioni della temperatura o della lunghezza d'onda. Nella seconda parte di questo lavoro vengono studiate le proprietà del titanato di bario (BaTiO3), un materiale elettro-ottico che ha guadagnato popolarità nella fotonica integrata. Infatti, i suoi elevati coefficienti Pockels lo rendono un ottimo candidato nella realizzazione di sfasatori e modulatori, andando potenzialmente a sostituire il suo predecessore - il niobato di litio (LiNbO3). Infine, viene dimostrato il suo uso come sensore di luce e viene presentata una possibile struttura su cui l'informazione letta dal dispositivo può essere usata in uno schema di controllo ad anello chiuso.