Reducing bending losses by single/multi-mode composite waveguide by femtosecond laser writing

Photonic Integrated Circuits (PICs) are an essential technology for modern quantum optical systems. However, a higher integration density together with an overall footprint reduction is crucial to realize more powerful, scalable, and compact optical circuits. In this context, bending losses in curved waveguides, which constitute a building block in PICs, represent a major limitation for circuit miniaturization. This is particularly true in glass platforms fabricated via the femtosecond laser micromachining (FLM) technique, where lower refractive index contrast and tight radii lead to high losses. In this Thesis, we propose and experimentally demonstrate a novel S-bend composite waveguide configuration that significantly suppresses bending losses at small radii of curvature and can be fabricated directly without requiring post-processing steps or further micromachining of the material. This guiding structure was fabricated in a glass substrate by femtosecond laser writing and characterized at 925 nm. Its basic principle consists of engineering the curved section to operate in a multi-mode (MM) regime, exploiting an enhanced refractive index contrast to improve bend confinement, while maintaining single-mode (SM) behaviour in the straight section. The transition between SM and MM sections was designed using a 250 μm adiabatic tapering with smooth writing speed variation. A comparison between standard SM S-bends and the proposed S-shaped composite waveguides was conducted for radii ranging from 1 mm to 20 mm. The experimental results show that, for small radii, the composite structure strongly reduces bending losses, achieving 1.95 dB/cm at 3 mm and 0.19 dB/cm at 6 mm. These results demonstrate that the composite approach enables reaching tighter bends with associated lower losses than conventional implementations. This work represents a starting point for writing compact, low-loss curved waveguides in glass, paving the way toward more densely integrated, scalable, and low-footprint photonic circuits fabricated by FLM.

I circuiti fotonici integrati (PIC) sono una tecnologia essenziale per i moderni sistemi ottici quantistici. Tuttavia, una maggiore densità di integrazione ed una riduzione complessiva delle dimensioni sono requisiti fondamentali per realizzare circuiti ottici più potenti, scalabili e compatti. A tal proposito, le perdite di curvatura nelle guide d’onda curve, che costituiscono un elemento fondamentale dei PIC, sono un limite importante per la miniaturizzazione dei circuiti. Ciò è particolarmente vero nelle piattaforme in vetro fabbricate tramite microlavorazione laser a femtosecondi (FLM), dove l’inferiore contrasto d’indice di rifrazione e i raggi di curvatura piccoli inducono perdite elevate. In questa Tesi, proponiamo e dimostriamo sperimentalmente una nuova configurazione di guida d’onda curva ad S, detta composita, in grado di ridurre le perdite di curvatura a piccoli raggi e che può essere direttamente fabbricata senza necessità di ulteriori microlavorazioni del materiale. Questa guida è stata realizzata in un substrato di vetro mediante scrittura laser a femtosecondi ed è stata caratterizzata a 925 nm. Il suo principio di base consiste nello scrivere la sezione curva in modo che funzioni in regime multimodale (MM), sfruttando così un contrasto d’indice di rifrazione superiore che aumenta il confinamento in curva, mantenendo invece un comportamento monomodale (SM) nella restante sezione diritta. La transizione tra le sezioni SM e MM è stata progettata utilizzando un tapering adiabatico di 250 μm, ovvero una variazione graduale della velocità di scrittura. Il confronto dei risultati sperimentali delle guide a S standard, cioè scritte con parametri SM, e delle guide a S composite, per raggi compresi tra 1 mm e 20 mm, dimostra che, per raggi piccoli, la struttura composita riduce notevolmente le perdite di curvatura, raggiungendo 1,95 dB/cm a 3 mm e 0,19 dB/cm a 6 mm. Ciò conferma che l’approccio composito consente di ottenere curve più strette con perdite inferiori rispetto alle implementazioni convenzionali. Questo lavoro può considerarsi un punto di partenza per la realizzazione di guide d’onda curve compatte e a bassa perdita realizzate in vetro, aprendo la strada a circuiti fotonici più densamente integrati, scalabili e ridotti nelle dimensioni, fabbricati tramite microlavorazione laser a femtosecondi.