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 … 80 mm

In-diffusione di Titanio Tracciamento della geometria Photoresist Deposizione di Ti Film di Ti Liftoff Diffusione in Guida (4-12 ore @ 1000-1050 °C) 2 4 6 8 1 Prof. [m] no * 103 (Da P. Bravetti)

Campione con maschera in SiO2 Scambio Protonico Acido Benzoico (BA) + Benzoato di Litio (LB) Campione con maschera in SiO2 Contrasto d’indice Tecnica della provetta sigillata T=300 °C t =1 ÷ 100 h L i N b O 3 A B + 2 1 width depth

Scambio Protonico: sostituzione Li+ con H+ Nb O H+ Aumenta ne e diminuisce 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 LiNbO3 1 2 KNO3 + NaNO3 LiNO3 Profili d’indice no 2 4 6 8  n o Depth  m] RPE-TE (Strato Guidante a barriera) APE T=350 °C t =10 ÷ 100 h - 0.03 RPE H+  Li+ + APE

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 Per quasi-phase-matching (QPM) 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 Lunghezza d’onda Indice di rifrazione l2 l1

Periodic poling per QPM 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 Litio Ossigeno Niobio A segni opposti nel termine di polarizzazione P corrispondono segni opposti del tensore nonlineare anti-simmetrico quadratico: In un processo nonlineare si può dunque compensare il disaccordo di fase dovuto alla dispersione invertendo periodicamente il segno della polarizzazione.

Maschera isolante periodica SPP-LN t V 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)

Cinetica del processo di Surface Poling Photoresist 1 2 3 conducting gel Nucleazione Propagazione delle punte Terminazione delle punte sulla faccia opposta 4 5 Bulk poling Q > 2 A Ps Spostamento dei domini in direzione trasversa Coalescenza dei domini Ps= 78 mC/cm2 Surface poling 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) w Pompa 2w Seconda armonica L w 2w w dove L richiesto è pari a:

Risultati sperimentali L = 3 mm (Top view) = 2 mm 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 PFF=2kW , T=20°C Caratteristiche campione Lunghezza 1 cm Larghezza guide 1 – 7 mm Periodo SPP 16.8 mm lQPM = 1540.6 nm h = 1.62 % FWHM = 1 nm L = 1 cm I reticoli hanno buona uniformità in quanto contribuiscono alla generazione su tutta la lunghezza

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 Efficienza di conversione vs. lunghezza d’onda Risposta del fotodiodo vs. Potenza di pompa