Piezo-actuated phase modulator for femtosecond laser written waveguide interferometers

The development of integrated photonics can benefit from reconfigurable devices, able to modify their optical properties in response to some external stimuli. Conventionally, this modulation relies on the thermo-optic effect, whose bandwidth is constrained in the kilohertz range by thermal diffusion. This thesis addresses this limitation by investigating an alternative approach based on the elasto-optic effect: by inducing a localized mechanical stress inside the substrate through a piezo-electric actuator, it is possible to produce a refractive index change and a significantly faster modulation of the optical signal. The solution here presented involves the design and fabrication of a high-speed modulator operating at 633 nm, realised inside a glass substrate exploiting Femtosecond Laser Micromachining (FLM). This technique enables the direct inscription of three-dimensional optical waveguides through non-linear absorption processes, providing great flexibility in the geometry, fast prototyping and reduced fabrication costs. Then, the integration of a piezoelectric plate allows to modulate the optical signal at the device's output through the elasto-optic effect. To implement the proposed solution a progressive strategy was adopted. The first step was the optimization of FLM parameters to achieve low-loss waveguides at various depths within the substrate, an essential condition for an effective three-dimensional structuring. Later, directional couplers and Mach-Zehnder Interferometers (MZIs) were fabricated. The final modulator consists in a MZI integrated with a piezoelectric actuator to provide optical modulation. The device is characterised through both numerical simulations and experimental measurements. The results demonstrate promising performance, with a dynamic response that exceeds the limitations of thermo-optic mechanisms. This not only validates the feasibility of the proposed approach, but also suggests that the combination of FLM and elasto-optic actuation may open new pathways for the development of high-speed reconfigurable photonic systems.

Il progresso della fotonica integrata ha evidenziato l'importanza di dispositivi riconfigurabili, in grado di modificare le proprie proprietà ottiche in risposta a stimoli esterni. Convenzionalmente, questa modulazione è realizzata grazie all’effetto termo-ottico, il cui funzionamento, in termini di banda, è però limitato al kilohertz a causa dei tempi della diffusione termica. La presente tesi affronta questa limitazione proponendo un approccio alternativo basato sull’effetto elasto-ottico: inducendo una sollecitazione meccanica localizzata all'interno del substrato tramite un attuatore piezo-elettrico, è possibile ottenere una variazione dell’indice di rifrazione e dunque una rapida modulazione del segnale ottico. La soluzione presentata consiste nella progettazione e realizzazione di un modulatore ottico ad alta frequenza operante a 633 nm. Questo è realizzato in un substrato vetroso sfruttando la tecnica di microlavorazione laser a femtosecondi (FLM), che consente di realizzare guide d’onda tridimensionali all’interno di materiali trasparenti, sfruttando processi di assorbimento non lineari ed offrendo grande flessibilità, una prototipazione rapida e una riduzione dei costi di fabbricazione. L’integrazione di un elemento piezoelettrico consente poi di modulare il segnale ottico in uscita dal dispositivo sfruttando l’effetto elasto-ottico. Il dispositivo è stato sviluppato seguendo un approccio incrementale, iniziando dall’ottimizzazione dei parametri di scrittura per ottenere guide d’onda con basse perdite e stabili a diverse profondità, requisiti fondamentali per lo sviluppo di geometrie tridimensionali. Sono stati poi realizzati accoppiatori direzionali e interferometri Mach-Zehnder (MZI). Il modulatore consiste in un interferometro MZI, integrato con un attuatore piezoelettrico: la sua risposta è stata analizzata con simulazioni numeriche e misure sperimentali. I risultati ottenuti evidenziano una risposta capace di superare i limiti dei modulatori termo-ottici. Oltre a dimostrare la concreta fattibilità della soluzione proposta, questo studio suggerisce che l’integrazione tra FLM ed effetto elasto-ottico possa aprire nuove prospettive per lo sviluppo di dispositivi fotonici integrati riconfigurabili ad alta velocità.