Guide d`onda a scambio protonico in cristalli ferroelettrici

Guide d’onda a scambio protonico in
cristalli ferroelettrici con domini
ingegnerizzati superficialmente
Prof. Stefano Riva Sanseverino
Dipartimento Ingegneria Elettrica, Elettronica e delle TLC
Università di Palermo
Viale delle Scienze - 90128 Palermo, ITALY
&
CRES - Centro per la Ricerca Elettronica in Sicilia
Via 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
•…
In-diffusione di Titanio
Tracciamento della geometria
Deposizione di Ti
Photoresist
Film di Ti
Diffusione in Guida
Liftoff
(4-12 ore @ 1000-1050 °C)
no * 103
8
6
4
(Da P. Bravetti)
2
0
2
4
6
Prof. [m]
8
10
12
Scambio Protonico

LiNbO3  xH  Hx Li1 x NbO3  xLi

Campione con
maschera in SiO2
Tecnica della
provetta sigillata
1
T=300 °C
t =1 ÷ 100 h
Li NbO
3
AB
+
BL
2
Acido Benzoico (BA)
+
Benzoato di Litio (LB)
Contrasto d’indice
Scambio Protonico: sostituzione Li+ con H+
Li+
H+
H
O
Nb
O
H
Nb
Aumenta ne e diminuisce no
O
O
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
LiNbO3
Profili d’indice no
KNO3
+
NaNO3
+
LiNO3
Depth  m]
0
2
2
1
T=350 °C
t =10 ÷ 100 h
4
6
 no
RPE-TE (Strato Guidante a barriera)
RPE H+  Li+ + APE
- 0.03
APE
8
Ottica integrata nonlineare
- Necessità di emissione in range di l non coperti
- Esigenza di sorgenti ampiamente accordabili
- Elevata densità di potenza in guida
Mezzi Non-Lineari
P = 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
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
Indice di rifrazione
• Per quasi-phase-matching (QPM)
ne
no
l1
l2
Lunghezza d’onda
Periodic poling per QPM
Litio
Ossigeno
Niobio
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
A segni opposti nel termine di polarizzazione P corrispondono segni opposti del
tensore nonlineare anti-simmetrico quadratico:
P   P  d33  d33
In un processo nonlineare si può dunque compensare il disaccordo di fase dovuto
alla dispersione invertendo periodicamente il segno della polarizzazione.
SPP-LN
V
 LiNbO3 taglio z
t
 Maschera isolante periodica
- litografia UV per contatto
- esposizione olografica
+
-
 Elettrodi di gel conduttivo
 Impulso di alta tensione
 E > Campo coercitivo (21 kV/mm)
Photoresist
Cinetica del processo di Surface Poling
1
2
3
Propagazione delle punte
Terminazione delle punte
sulla faccia opposta
conducting gel
Nucleazione
4
5
Bulk poling
Q > 2 A Ps
Spostamento dei domini in
direzione trasversa
Coalescenza dei domini
Surface poling
Ps= 78 C/cm2
First report: A.C.Busacca, et al., Appl.Phys. Lett. 81 pp 4946-4948 (2002)
“Phase-matching” in guida
• Sfruttando la Birifrangenza
• Per quasi-phase-matching (QPM)
Pompa
w
2w
Seconda armonica
w
w
L
2w
k  kw  kw  k2w  mkG  0
2
k G
dove L richiesto è pari a:
L
m integer
ml
L
2n2w  nw 
Risultati sperimentali
L = 3 m (Top view)
L= 2 m analisi con FIB
(Focused Ion Beam)
•
Mark to space ratio 50:50
•
La profondità dei domini è dell’ordine delle centinaia di nanometri
Misure di SHG con sorgente impulsata a picosecondi
Caratteristiche campione
Lunghezza
1 cm
Larghezza guide
1 – 7 m
Periodo SPP
16.8 m
lQPM = 1540.6 nm
FWHM = 1 nm
h1.62%
L = 1 cm
I reticoli hanno buona uniformità in
quanto contribuiscono alla
generazione su tutta la lunghezza
PFF=2kW , T=20°C
Misure di QPM nell’Ultravioletto
- SPPLN lungo 2 cm
- Scambio protonico in fase a
- 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
-4
5
100
4
80
Current (nA)
Psh/Pf
x 10
3
2
40
20
1
0
60
389.2
389.4
389.6
l (nm)
389.8
390
Efficienza di conversione
vs. lunghezza d’onda
0
0
5
10
PFF (mW)
15
20
Risposta del fotodiodo
vs. Potenza di pompa