Elasto-optic phase modulators in laser-written Photonic Integrated Circuits

Reconfigurable photonic integrated circuits (PICs) are foundational components for classical and quantum optical signal processing, underpinning applications in quantum computing, neural networks, and programmable routing. While waveguide circuits fabricated via femtosecond laser micromachining (FLM) enable unique three-dimensional geometries with optimal fiber coupling, their tuning speed has historically been bottlenecked in the kilohertz (kHz) range by the slow thermal diffusion dynamics of standard thermo-optic shifters. This thesis investigates the design, fabrication, and characterization of high-speed, low loss integrated phase modulators operating via the elasto-optic effect, utilizing a Lead Zirconate Titanate (PZT) piezoelectric actuator bonded to an FLM-inscribed glass chip. To maximize the mechanical strain field overlapping with the optical modes, a Chemical Mechanical Polishing (CMP) workflow was developed to reliably bring buried single-mode waveguides to within few microns from the top surface. A prototype featuring 14 parallel Mach-Zehnder Interferometers (MZIs) was fabricated with gold electrodes and a PZT crystal adhesively bonded using a thin SU-8 intermediate layer. The experimental characterization demonstrated successful phase modulation. Static test ing achieved a phase shift of ∆ϕ ≃ π/5.4 at ±200 V, exhibiting characteristic ferroelectric hysteresis. Dynamic measurements proved an exceptional small-signal modulation 3-dB bandwidth of 8 MHz, successfully bypassing traditional thermal constraints. To improve process quality, avoid misalignments, and enhance elastic coupling, the bonding process was successfully transferred to a specialized wafer bonder. Following this, photolithography was proposed to pattern the contacts in order to limit cross-talk and increase isolation. To support high-frequency actuation, a custom high-voltage, high-speed electronic driver circuit was designed, simulated in LTspice, and physically prototyped around the Apex PA107 power operational amplifier. The amplifier is capable of driving a 500 pF capacitive load up to 180 V peak-to-peak with a transient of less than 200 ns and limited ringing. These findings demonstrate that elasto-optic transduction offers a high-performance, robust path toward high-speed reconfigurable glass photonics.

I circuiti fotonici integrati (PIC) riconfigurabili sono componenti fondamentali per l’elaborazione ottica del segnale classica e quantistica, e costituiscono la base di applicazioni nel calcolo quantistico, nelle reti neurali e nel routing programmabile. Sebbene i circuiti a guida d’onda fabbricati tramite microlavorazione laser a femtosecondi (FLM) consentano geometrie tridimensionali uniche con un accoppiamento ottimale alle fibre ottiche, la loro velocità di sintonizzazione è storicamente limitata alla banda dei kilohertz (kHz) dalla lenta dinamica di diffusione termica dei tradizionali sfasatori termo-ottici. Questa tesi indaga la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di modulatori di fase integrati ad alta velocità e bassa perdita, operanti tramite l’effetto elasto-ottico, mediante un attuatore piezoelettrico in titanato zirconato di piombo (PZT) incollato su un chip di vetro con guide d’onda inscritte via FLM. Per massimizzare il campo di deformazione meccanica sovrapposto ai modi ottici, è stato sviluppato un processo di lucidatura chimico-meccanica (CMP) per portare in modo affidabile le guide d’onda monomodali sepolte a pochi micrometri dalla superficie superiore. Un prototipo con 14 interferometri di Mach-Zehnder (MZI) paralleli è stato fabbricato con elettrodi in oro e un cristallo PZT incollato adesivamente tramite uno strato intermedio sottile di SU-8. La caratterizzazione sperimentale ha dimostrato con successo la modulazione di fase. I test statici hanno ottenuto uno sfasamento di ∆ϕ ≃ π/5,4 a ±200 V, mostrando la tipica isteresi ferroelettrica. Le misure dinamiche hanno evidenziato un’eccezionale larghezza di banda a 3 dB per la modulazione a piccolo segnale di 8 MHz, superando con successo i tradizionali limiti termici. Per migliorare la qualità del processo, evitare disallineamenti e aumentare l’accoppiamento elastico, il processo di incollaggio è stato trasferito con successo a un bonder per wafer specializzato. Successivamente, è stata proposta la fotolitografia per definire i contatti, al fine di limitare la diafonia e aumentare l’isolamento. Per supportare l’attuazione ad alta frequenza, è stato progettato un circuito driver elettronico personalizzato ad alta tensione e alta velocità, simulato in LTspice e prototipato fisicamente attorno all’amplificatore operazionale di potenza Apex PA107. L’amplificatore è in grado di pilotare un carico capacitivo da 500 pF fino a 180 V picco-picco con un transitorio inferiore a 200 ns e un ringing limitato. Questi risultati dimostrano che la trasduzione elasto-ottica offre un percorso ad alte prestazioni e robusto verso la fotonica su vetro riconfigurabile ad alta velocità.