guide donda a scambio protonico in cristalli ferroelettrici con domini ingegnerizzati...
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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