Tecnologie e materiali ferroelettrici nanostrutturati per l’ottica nonlineare

    Project: Research project

    Project Details

    Description

    La Ricerca intende affrontare gli sviluppi tecnologici necessari all’ingegnerizzazione di nanostrutture compatibili con i processi di fabbricazione di guide d’onda, in cristalli ferroelettrici di Niobato di Litio (LN) e Tantalato di Litio (LT), in coordinamento con un produttore italiano. La disponibilità di soluzioni di questo tipo rappresenta in effetti un nodo critico per lo sviluppo attuale dell’ottica integrata non lineare, in quanto permetterebbe di sperimentare configurazioni di estremo interesse scientifico che hanno applicazione nel settore dei dispositivi per le comunicazioni ottiche. La modellizzazione di alcuni dispositivi fondamentali è stata elaborata da gruppi di ricerca internazionali, ma la loro dimostrazione sperimentale resta ancora una sfida sia tecnologica che scientifica.La tecnologia individuata per creare le nanostrutture è quella della polarizzazione periodica superficiale (SPP, Surface Periodic Poling), che ha già permesso ai Proponenti di dimostrare strutture periodiche con passo fino a 200 nm su LN stabilendo un vero record delle nanotecnologie su tali materiali. Recentemente abbiamo anche osservato in LN strutture con domini ferroelettrici puntiformi di circa 10 nm, ma il controllo di tale processo di nucleazione resta un tema di frontiera della ricerca, insieme all’estensione della tecnologia SPP su LT, su cui non si hanno ancora verifiche sperimentali. Tuttavia, rispetto ai cristalli LN, va sottolineato che gli LT hanno una soglia più elevata del danno fotorifrattivo, trasparenza estesa nell’UV, minore temperatura di Curie e più corti periodi nel poling massivo. L'estensione dell'SPP al Tantalato di Litio rappresenta dunque una migliore approssimazione tecnologica verso la realizzazione di dispositivi di reale impatto funzionale nel campo dell'elaborazione di segnali ottici.I vantaggi della tecnologia SPP vanno dalla possibilità di nanostrutturare non linearmente i cristalli ferroelettrici, sino alla strutturazione lineare ottenuta tramite attacco chimico (d'altro canto, è stato dimostrato dai proponenti, che la SPP consente di ottenere pure periodi “lunghi” - oltre il micron). La possibilità di nano-ingegnerizzare in due dimensioni i cristalli apre inoltre la strada verso lo sviluppo di dispositivi a cristalli fotonici lineari e nonlineari, d’instradatori per onde autoconfinate, di dispositivi tutto-ottici. Le applicazioni sono dispositivi per “quantum cryptography”, oscillatori e amplificatori parametrici ottici, generazione di frequenza differenza e sviluppo di sorgenti IR/UV.Se da un lato la SPP può portare ad una adeguata nano-ingegnerizzazione di strutture, dall’altro i circuiti ottici adoperati devono permettere una efficace interazione con le onde EM a frequenze ottiche. In altri termini, il processo di fabbricazione delle guide ottiche deve essere compatibile con la tecnologia SPP. Nel caso degli effetti non lineari, la configurazione guidata è ancora più efficiente perché le elevate intensità di campo richieste possono essere ottenute con valori relativamente modesti della potenza immessa. Nel progetto saranno quindi studiati processi di scambio protonico (PE) che modifichino le caratteristiche lineari del substrato e che consentano al segnale ottico di essere guidato. Le guide devono essere a basse perdite nelle bande d’interesse. E’ stato recentemente da noi dimostrato che guide a PE debole risultano compatibili con la tecnologia di surface poling in LN; sarà dunque affrontata l’estensione della tecnologia ai cristalli di LT e l’ottimizzazione dei processi PE, così da massimizzare l’efficienz

    Layman's description

    Obiettivo della Ricerca è quello di affrontare gli sviluppi tecnologici necessari a combinare le guide d’onda in Niobato di Litio (LN) e Tantalato di Litio (LT) con la tecnologia della polarizzazione periodica superficiale (SPP, Surface Periodic Poling), che ha già permesso ai Proponenti di dimostrare strutture periodiche con passo fino a 200 nm su LN, stabilendo un vero record delle nanotecnologie su tali materiali. La disponibilità di tali soluzioni permetterebbe non solo di sperimentare configurazioni di estremo interesse scientifico, ma anche di accedere a vantaggiose applicazioni nel campo delle comunicazioni ottiche, finora dimostrate solo sulla carta proprio a causa dei limiti della usuale tecnica di poling di volume. Partendo dai risultati già ottenuti sul LN sono tre le linee di ricerca che si delineano: (a) la recente evidenza di domini superficiali puntiformi di circa 10 nm ci spinge ad esplorare periodi sempre più corti e più in generale di capire quali siano i limiti inferiori o superiori nella dimensione dei domini; (b) le migliori proprietà fisiche del LT (soglia più elevata del danno fotorifrattivo, trasparenza estesa nell’UV, minore temperatura di Curie e periodi più corti nel poling di volume) ne fanno il candidato più promettente per la realizzazione di dispositivi di interesse industriale. A tale scopo risulterà preziosa la collaborazione con il partner industriale italiano che ci fornirà i cristalli; (c) la possibilità di nano-ingegnerizzare in due dimensioni i cristalli apre inoltre la strada verso lo sviluppo di dispositivi a cristalli fotonici lineari e nonlineari. Infatti la tecnologia SPP, accanto alla realizzazione di nanostrutture con modulazione periodica dei tensori nonlineari della costante dielettrica (i cosiddetti cristalli fotonici nonlineari) permette di realizzare anche strutture con costante dielettrica lineare periodica (i cristalli fotonici “tradizionali”) attraverso un successivo attacco chimico che seleziona l’orientazione dei domini.Chiaramente, accanto all’esplorazione di tutte le potenzialità della tecnologia SPP nei due materiali, si dovrà curare anche l’aspetto di compatibilità con la fabbricazione di guide d’onda. Nel caso in cui essa preservi inalterate le proprietà ottiche nonlineari dei cristalli, permette di esaltare queste ultime grazie alle elevate intensità che si possono ottenere nell’ottica guidata. Inoltre le guide dovranno presentare basse perdite nelle bande d’interesse. La compatibilità del processo di scambio protonico (PE), che già abbiamo dimostrato ben combinarsi con la tecnologia SPP sul LN, dovrà quindi essere estesa al LT. In entrambi i casi i processi andranno ottimizzati al fine di massimizzare l’efficienza delle interazioni nonlineari.Tali possibilità tecnologiche serviranno anche come spunto per lo studio teorico della ricca fenomenologia (fenomeni di limitazione, bistabilità e auto-oscillazione, solitoni di gap nonlineare…) che ci si deve aspettare in sistemi di tale complessità.L'attività sperimentale sarà costantemente affiancata da un vasto lavoro di modellizzazione analitica e numerica riguardante i processi SPP, la fabbricazione delle guide, nonché i fenomeni e i dispositivi tutto-ottici che possono essere efficacemente implementati con le tecnologie studiate.Le applicazioni della tecnologia che si intende sviluppare vanno dai generatori di coppie di fotoni per crittografia quantistica (necessari per realizzare dispositivi commerciali di comunicazione ultrasicuri) agli oscillatori e amplificatori parametrici ottici (necessari per creare circuiti ottici comple
    StatusFinished
    Effective start/end date1/30/061/30/08