Characterization of integrated elasto-optic modulators fabricated by a femtosecond laser

Reconfigurable devices, such as phase and intensity modulators, play a key role in integrated photonics. Modulation is achieved through an external stimulus that temporarily modifies the physical properties of the substrate in the region surrounding the waveguide. One possible fabrication technique for these photonic devices is femtosecond laser micromachining (FLM), which allows buried waveguides to be directly written in glass substrates, with significant cost and manufacturing speed advantages over other techniques. In devices fabricated using FLM, given the nature of the substrate material, modulation is generally achieved by exploiting the thermo-optic effect by integrating microresistors into the system. This solution is effective but has some disadvantages in terms of response speed, limited by the heat diffusion time in the material, and in terms of energy dissipation. This thesis presents the characterization of integrated modulating devices, fabricated with femtosecond lasers, which implement an alternative solution for modulation: the exploitation of the elasto-optic effect through the integration of a piezoelectric actuator into the system. This actuator, activated by a voltage signal, produces strain in the substrate with a resulting change in refractive index. In the first part of the experimental work, a device, consisting of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) integrated with a PZT actuator was characterized: the results obtained show the possibility of achieving effective modulation with a much wider bandwidth than thermo-optic modulators, up to the MHz range. Subsequently, with dedicated measurements on a simpler prototype of modulator, an investigation was conducted into the effects of hysteresis and creep, typical of ferroelectric materials like the one used for the actuation. These effects can, in fact, constitute an intrinsic limit to the reproducibility and stability of the device operation.

Nella fotonica integrata rivestono un ruolo fondamentale i dispositivi riconfigurabili, come i modulatori di fase e di intensità. La modulazione è ottenuta tramite uno stimolo esterno che modifica temporaneamente le proprietà fisiche del substrato nella regione in cui è inscritta la guida d’onda. Una possibile tecnica di fabbricazione di questi dispositivi fotonici è la microlavorazione laser a femtosecondi (FLM) che permette la scrittura diretta di guide d’onda in substrati di vetro, con notevoli vantaggi economici e di velocità di fabbricazione rispetto ad altre tecniche. Nei dispositivi fabbricati con tecnica FLM, data la natura del materiale usato per il substrato, la modulazione è generalmente ottenuta sfruttando l’effetto termo-ottico con l’integrazione di microresistori nel sistema. Questa soluzione è efficace ma presenta alcuni svantaggi in termini di velocità di risposta, limitata dai tempi di diffusione del calore nel materiale, e in termini di dissipazione di energia. In questa tesi viene presentata la caratterizzazione di dispositivi modulatori integrati, fabbricati con laser a femtosecondi, che implementano una soluzione alternativa per la modulazione: lo sfruttamento dell’effetto elasto-ottico tramite l’integrazione nel sistema di un attuatore piezoelettrico che, attivato da un segnale di tensione, produce uno strain nel substrato con una conseguente variazione di indice di rifrazione. Nella prima parte del lavoro sperimentale è stato caratterizzato un dispositivo costituito da un interferometro di Mach-Zehnder (MZI) integrato con un attuatore di PZT: i risultati ottenuti mostrano la possibilità di ottenere una modulazione efficace e con una banda molto più estesa rispetto ai modulatori termo-ottici, fino al range dei MHz. Successivamente, con misure dedicate su un primo prototipo di modulatore più semplice, è stata condotta un’investigazione sugli effetti di isteresi e creep, tipici di materiali ferroelettrici come quello utilizzato per l’attuazione. Tali effetti possono infatti costituire un limite intrinseco alla riproducibilità e stabilità del funzionamento dei dispositivi.