Femtosecond laser writing of photonic integrated circuits for structured illumination microscopy

Integrated photonics has become a fundamental platform for advancements in telecommunications, sensing, and biomedical imaging. These fields leverage the manipulation of light at the chip scale to create compact, high-performance devices that are crucial for applications requiring miniaturized, efficient optical components. Femtosecond laser writing has emerged as a powerful technique for fabricating photonic integrated circuits (PICs), offering the ability to induce permanent material modifications with high precision in all three dimensions. This method involves using ultrafast laser pulses to create waveguides directly within transparent materials, such as glass. Femtosecond lasers allow for precise control over the refractive index of the material, enabling the fabrication of complex, three-dimensional structures within a bulk substrate. This thesis explores the use of PICs to fabricate a device that serves as an illumination source for Structured Illumination Microscopy (SIM), a super-resolution technique that enables high-detail imaging of biological samples. The goal of this research is to optimize femtosecond laser parameters to fabricate PICs that enable SIM imaging in both 2D and 3D. To achieve this, a device composed of two bonded chips was developed. The first chip, an optical circuit with integrated thermal shifters, splits the input light into seven outputs with controlled relative phases. The second chip, a fanout, redirects the light to the correct positions at the output. Thermal phase shifters are also fabricated using femtosecond laser micromachining (FLM). A prior optimization through COMSOL Multiphysics was also performed.

La fotonica integrata è diventata una piattaforma fondamentale per i progressi nelle telecomunicazioni, nel sensing e nell'imaging biomedico. Questi campi sfruttano la manipolazione della luce a livello di chip per creare dispositivi compatti e ad alte prestazioni, cruciali in applicazioni che richiedono componenti ottici miniaturizzati ed efficienti. La scrittura laser a femtosecondi è emersa come una tecnica potente per la fabbricazione di circuiti fotonici integrati (PIC), offrendo la capacità di indurre modifiche permanenti nel materiale con alta precisione sfruttando tutte le tre dimensioni. Questo metodo utilizza impulsi laser ultraveloci per creare guide d'onda direttamente all'interno di materiali trasparenti, come il vetro. I laser a femtosecondi permettono un controllo preciso dell'indice di rifrazione del materiale, consentendo la fabbricazione di strutture complesse tridimensionali all'interno di un substrato bulk. Questa tesi esplora l'uso dei PIC per fabbricare un dispositivo che funge da sorgente di illuminazione per la Microscopia a Illuminazione Strutturata (SIM), una tecnica di super-risoluzione che consente l'imaging ad alta definizione di campioni biologici. L'obiettivo di questa ricerca è ottimizzare i parametri del laser a femtosecondi per fabbricare PIC che consentano l'imaging SIM sia in 2D che in 3D. Per raggiungere questo scopo, è stato sviluppato un dispositivo composto da due chip uniti. Il primo chip, un circuito ottico con shifter termici integrati, divide la luce in ingresso in sette uscite con fasi relative controllate. Il secondo chip, un fanout, ridirige la luce nelle posizioni corrette all'uscita. Anche gli shifter termici sono fabbricati utilizzando la microlavorazione laser a femtosecondi (FLM). È stata inoltre effettuata un'ottimizzazione preliminare tramite COMSOL Multiphysics.