Femtosecond lasers are currently widely used in research for applications such as optical telecommunications, ultrafast spectroscopy, and quantum technologies. However, the ones on the market have a large size and high cost. The FEMTOCHIP project addresses this challenge by developing an integrated, CMOS-compatible ultrafast laser on a silicon platform. One of the most important element in this system is the Apodized Chirped Bragg Grating (ACG) integrated on chip, which plays a key role in dispersion compensation and the generation of ultrashort pulses. This thesis focuses on the characterization of ACGs fabricated on a Si₃N₄-on-Si platform and investigates different techniques for measuring group delay and its ripples, which represent on of the main issues in achieving optimal dispersion control. The study compares three different techniques: white-light interferometry, Fabry-Pérot fringe analysis, and a phase-shifted method, analyzing their strengths and limitations. Understanding these techniques is essential for accurately determining the group delay, as even small variations can significantly impact pulse quality and system performance. A major outcome of this work is the successful demonstration of pulse compression down to 62.7 fs, representing one of the best results achieved on a photonic chip. Additionally, an advanced methodology was developed to determine the numerical aperture (NA) of the fabricated waveguide in TM-mode propagation. These findings contribute to the advancement of ultrafast photonics by improving the design and characterization of integrated dispersion compensation structures, paving the way for more efficient and compact ultrafast laser systems.
I laser a femtosecondi sono attualmente ampiamente utilizzati nella ricerca per applicazioni quali le telecomunicazioni ottiche, la spettroscopia ultraveloce e le tecnologie quantistiche. Tuttavia, quelli presenti sul mercato hanno grandi dimensioni e costi elevati. Il progetto FEMTOCHIP affronta questa sfida sviluppando un laser ultrarapido integrato e compatibile con i sistemi CMOS su una piattaforma di silicio. Un elemento cruciale di questo sistema è il reticolo di Bragg chirpato e apodizzato (ACG) integrato su chip, fondamentale per la compensazione della dispersione e la generazione di impulsi ultracorti. Questa tesi si concentra sulla caratterizzazione di ACGs fabbricati su una piattaforma Si₃N₄-on-Si e studia diverse tecniche per misurare il ritardo di gruppo e le sue oscillazioni, che rappresentano uno dei problemi principali per ottenere un controllo ottimale della dispersione. Lo studio confronta tre diverse tecniche: l'interferometria a luce bianca, l'analisi delle frange di Fabry-Pérot e un metodo a sfasamento di fase, analizzandone i punti di forza e i limiti. La comprensione di queste tecniche è essenziale per determinare con precisione il ritardo di gruppo, poiché anche piccole variazioni possono avere un impatto significativo sulla qualità dell'impulso e sulle prestazioni del sistema. Uno dei principali risultati di questo lavoro è la dimostrazione della compressione degli impulsi fino a 62.7 fs, che rappresenta uno dei migliori risultati ottenuti su un chip. Inoltre, è stata sviluppata una metodologia avanzata per determinare l'apertura numerica (NA) della guida d'onda fabbricata nella propagazione TM-mode. Questi risultati contribuiscono al progresso della fotonica ultraveloce migliorando la progettazione e la caratterizzazione delle strutture integrate di compensazione della dispersione, aprendo la strada a sistemi laser ultraveloci più efficienti e compatti.
Characterization of apodized chirped Bragg gratings: fundamentals, GDR comparative analysis, and pulse compression
MOLTENI, FRANCESCA
2023/2024
Abstract
Femtosecond lasers are currently widely used in research for applications such as optical telecommunications, ultrafast spectroscopy, and quantum technologies. However, the ones on the market have a large size and high cost. The FEMTOCHIP project addresses this challenge by developing an integrated, CMOS-compatible ultrafast laser on a silicon platform. One of the most important element in this system is the Apodized Chirped Bragg Grating (ACG) integrated on chip, which plays a key role in dispersion compensation and the generation of ultrashort pulses. This thesis focuses on the characterization of ACGs fabricated on a Si₃N₄-on-Si platform and investigates different techniques for measuring group delay and its ripples, which represent on of the main issues in achieving optimal dispersion control. The study compares three different techniques: white-light interferometry, Fabry-Pérot fringe analysis, and a phase-shifted method, analyzing their strengths and limitations. Understanding these techniques is essential for accurately determining the group delay, as even small variations can significantly impact pulse quality and system performance. A major outcome of this work is the successful demonstration of pulse compression down to 62.7 fs, representing one of the best results achieved on a photonic chip. Additionally, an advanced methodology was developed to determine the numerical aperture (NA) of the fabricated waveguide in TM-mode propagation. These findings contribute to the advancement of ultrafast photonics by improving the design and characterization of integrated dispersion compensation structures, paving the way for more efficient and compact ultrafast laser systems.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/236241