Guide d’onda a scambio protonico in cristalli ferroelettrici con domini ingegnerizzati superficialmente

Prof. Stefano Riva Sanseverino

Dipartimento Ingegneria Elettrica, Elettronica e delle TLCUniversità di Palermo

Viale delle Scienze - 90128 Palermo, ITALY

&

CRES - Centro per la Ricerca Elettronica in SiciliaVia Regione Siciliana 49 - 90046 Monreale (PA), ITALY

Fabbricazione delle guide ottiche in LN

• In-diffusion di Ti

• Scambio protonico

• Scambio protonico inverso

• In-diffusion di Zn

• Out-diffusion di Li2O

• Scrittura diretta con laser UV

• Etching reattivo o “ion milling” di guide a cresta

• …80 m

In-diffusione di Titanio

(Da P. Bravetti)

Diffusione in Guida

(4-12 ore @ 1000-1050 °C)

Deposizione di TiFilm di Ti

Tracciamento della geometriaPhotoresist

Liftoff

0 2 4 6 8 10 12

2

4

6

8

Prof. [m]

no *

103

Tecnica della provetta sigillata

LiNbO3 xH HxLi1 xNbO3 xLiAcido Benzoico (BA)

+ Benzoato di Litio (LB)

Contrasto d’indice

Campione con maschera in SiO2

widthdepth

T=300 °Ct =1 ÷ 100 h

LiNbO3

AB+BL

2

1

Scambio Protonico

Scambio Protonico: sostituzione Li+ con H+

Aumenta ne e diminuisce no

Li+

H

NbO

H+

H

O

ONb

O

T=350 °Ct =10 ÷ 100 h

RPE H+ Li+ + APE

LiNbO3

1 2

KNO3+

NaNO3+

LiNO3

- 0.03

02 4 6 8

n o

Depth m]

RPE-TE (Strato Guidante a barriera)

APE

Profili d’indice no

Scambio Protonico Inverso… poiché con il PE no diminuisce,con uno “scambio inverso” fra Li+ e H+ (in una miscela di nitrati), si può creare uno strato superficiale “a barriera” guidante –questa volta– modi TE

Ottica integrata nonlineare

- Necessità di emissione in range di non coperti- Esigenza di sorgenti ampiamente accordabili- Elevata densità di potenza in guida

Mezzi Non-LineariP = ε0χ (1)E+ε0 [χ (2)E2+ χ (3)E3+…] = PL + PNL

Effetti del secondo ordine PNL = ε0 χ (2)E2

• DFG – Difference Frequency Generation• SFG – Sum Frequency Generation• SHG – Second Harmonic Generation• OPO – Optical Parametric Oscillation• OPA – Optical Parametric Amplification

“Phase-matching” in guida

• Sfruttando la Birifrangenza

• Per quasi-phase-matching (QPM)

Lunghezza d’onda

Ind

ice

di r

ifra

zio

ne

ne

on

21

Noi possiamo far viaggiare luce di due differenti colori con la stessa velocità, se le polarizzazioni sono scelte in modo che la dispersione cromatica compensi lo scarto fra le velocità di fase dell’onda ordinaria e quella straordinaria

Periodic poling per QPM

Litio

Ossigeno

Niobio

3333 ddPP

A segni opposti nel termine di polarizzazione P corrispondono segni opposti del tensore nonlineare anti-simmetrico quadratico:

Se applichiamo un campo elettrico in direzione Z che sia maggiore del campo coercitivo Ec del LN (21 kV/mm) e possibile invertire il segno della polarizzazione ferroelettrica

In un processo nonlineare si può dunque compensare il disaccordo di fase dovuto alla dispersione invertendo periodicamente il segno della polarizzazione.

SPP-LN

LiNbO3 taglio z

Maschera isolante periodica - litografia UV per contatto - esposizione olografica

Elettrodi di gel conduttivo

Impulso di alta tensione E > Campo coercitivo (21 kV/mm)

t

V

-

+

Cinetica del processo di Surface Poling

First report: A.C.Busacca, et al., Appl.Phys. Lett. 81 pp 4946-4948 (2002)

Surface polingSpostamento dei domini in

direzione trasversa

conducting gel

Bulk poling

1 2 3

4 5

Nucleazione Propagazione delle punte Terminazione delle punte sulla faccia opposta

Photoresist

Coalescenza dei domini

Q > 2 A Ps

Ps= 78 C/cm2

“Phase-matching” in guida

• Sfruttando la Birifrangenza

• Per quasi-phase-matching (QPM)

PompaPompa

Seconda armonicaSeconda armonica

02 Gmkkkkk

integer2

mkG

nn

m

22

nn

m

22dove richiesto è pari a:

• Mark to space ratio 50:50

• La profondità dei domini è dell’ordine delle centinaia di nanometri

= 3 m (Top view) = 2 m analisi con FIB

(Focused Ion Beam)

Risultati sperimentali

Misure di SHG con sorgente impulsata a picosecondi

PFF=2kW , T=20°CCaratteristiche campione

Lunghezza 1 cm

Larghezza guide 1 – 7 m

Periodo SPP 16.8 m

FWHM = 1 nm

QPM = 1540.6 nm

L = 1 cm

I reticoli hanno buona uniformità in quanto contribuiscono alla generazione su tutta la lunghezza

389.2 389.4 389.6 389.8 3900

1

2

3

4

5x 10

-4

(nm)

Psh

/Pf

0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

PFF (mW)C

urre

nt (

nA)

Efficienza di conversione vs. lunghezza d’onda

Risposta del fotodiodo vs. Potenza di pompa

Misure di QPM nell’Ultravioletto

- SPPLN lungo 2 cm- Scambio protonico in fase- Durata scambio: 2 giorni @ 300 °C - Perdite di Fresnel: 14 % Pompa e 16 % SH- Sorgente di pompa accordabile: CW Ti:Sapphire Laser- Temperatura per misure di QPM: 250 °C- Risonanza QPM @ 389.5 nm