RICERCA ITALIANA     

Cristalli fotonici a base di Silicio per il controllo della propagazione e dell'emissione di luce

Università degli Studi di Pavia

Abstract

Questo progetto si propone di utilizzare cristalli fotonici di varie dimensionalità a base di Silicio, realizzati dai gruppi proponenti, per studiare vari effetti legati al controllo su scala sub-micrometrica della propagazione e della emissione di luce. Le tecnologie di fabbricazione disponibili combinano crescita per deposizione da fase vapore e per sedimentazione in soluzione colloidale, litografia elettronica e a raggi X, attacco chimico umido (elettrochimico) e a secco (via plasma e via fasci ionici). Queste tecniche permettono di produrre sistemi mono-dimensionali (Silicio microporoso), bi-dimensionali (Silicio macroporoso, guide d'onda planari) e tri-dimensionali (opali, Yablonovite). Inoltre i materiali saranno infiltrati globalmente e localmente con mezzi attivi. Saranno studiati in particolare i seguenti sistemi e fenomeni:

1) Cristalli fotonici 1D di Silicio poroso: multistrati e microcavità accoppiate.
- Si determinerà la dispersione della fase e il rallentamento della velocità di gruppo in corrispondenza delle risonanze di band edge e, per le microcavità accoppiate, nella minibanda risultante dall'accoppiamento dei modi delle singole cavità.
- Si effettueranno misure risolte in tempo della propagazione di impulsi in questi sistemi.

2) Cristalli fotonici 2D e in guida d'onda planare: Silicio macroporoso, Silicio su Isolante, membrane sospese, Nitruro di Silicio.
- Si determinerà la dispersione dei modi fotonici per mezzo di riflettanza risolta in angolo e, per i modi guidati sotto alla linea di luce, per mezzo di riflettanza totale attenuata. Con la stessa tecnica saranno misurate le energie dei modi associati a difetti lineare (guide d'onda fotoniche) e puntuali (nano-cavità).
- Si misurerà la trasmissione in guida da difetti lineari e contenenti curve a 120 gradi, nonché da strutture più complesse quali le cavità e i filtri add-drop.
- Si studieranno in particolare gli effetti di tuning e switching ottenuti mediante foto-eccitazione. Si misurerà inoltre la generazione di terza armonica con effetti di risonanza sui modi fotonici.
- Si effettueranno misure di emissione risolta in frequenza e/o risolta spazialmente da reticoli periodici e da nano-cavità fotoniche infiltrate con ioni Erbio, coloranti e quantum dots colloidali. Si studieranno gli effetti di guadagno ottico in questi sistemi.

3) Cristalli fotonici 3D: opali e opali inversi, Yablonovite.
- Sarà misurata la dispersione delle bande fotoniche nella direzione di propagazione della luce (mediante interferometria) e nel piano parallelo alla superficie del campione (per mezzo di riflettanza risolta in angolo).
- Saranno studiati i fenomeni legati al disordine mediante la propagazione e diffusione di luce risolte in tempo e tramite la retrodiffusione coerente.
- Saranno realizzati effetti di switching via campo magnetico di opali infiltrati con cristalli liquidi.

Queste attività sperimentali saranno affiancate da uno studio teorico delle bande fotoniche, della risposta ottica e dell'emissione spontanea nei cristalli fotonici allo studio. Gli aspetti teorici più innovativi riguarderanno in particolare i difetti lineari e le nano-cavità, considerando gli effetti di disordine strutturale e le proprietà di emissione legate all'infiltrazione con materiali attivi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Lucio ANDREANI Università degli Studi di PAVIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo di questo progetto è la realizzazione e lo studio di effetti legati al controllo della propagazione e della emissione di luce in strutture a scala sub-micrometrica. A tale scopo verranno utilizzati i cristalli fotonici a base di Silicio prodotti dai gruppi partecipanti, che coprono un ampio spettro di dimensionalità e di caratteristiche: sistemi monodimensionali di Silicio microporoso (multistrati e microcavità); sistemi bidimensionali di Silicio macroporoso e in guida d'onda planare quali Silicio su Isolante (SOI), membrane sospese di Silicio, Nitruro di Silicio su Isolante; sistemi tridimensionali quali opali diretti e inversi e (attualmente in fase di realizzazione) Yablonovite. Le procedure di fabbricazione utilizzate combinano tecniche di deposizione (PECVD), litografia a fascio elettronico e a raggi X, attacco chimico umido (etching elettrochimico) e a secco (reactive-ion etching via plasma o via fascio ionico), sedimentazione in soluzione colloidale. Le strutture così realizzate verranno poi infiltrate sia localmente (con micro-dispenser) che globalmente: verrano impiegati cristalli liquidi ed emettitori di luce quali coloranti, quantum dots colloidali e ioni Erbio. Si otterranno così cristalli fotonici con gap nella regione spettrale del vicino infrarosso o del visibile, che si prestano sia al controllo della propagazione di luce in sistemi passivi, sia ad applicazioni attive per il controllo dell'emissione e del guadagno ottico.

Questo progetto rappresenta la continuazione di un precedente programma Cofin 2002, con le stesse unità partecipanti. La disponibilità dei vari tipi di cristalli fotonici e il know-how acquisito sulla tecnologia e sullo studio sperimentale e teorico permettono di focalizzare l'attenzione sulle strutture più avanzate (difetti lineari, nano-cavità fotoniche) e su nuovi effetti quali tuning, switching, ruolo del disordine.

1) Cristalli fotonici mono-dimensionali
Il Silicio poroso è il sistema ideale per la realizzazione di strutture 1D complesse quali le microcavità accoppiate, in quanto la tecnica di etching elettrochimico con variazione della corrente permette di modulare in profondità l'indice di rifrazione e di ottenere strutture con diverse centinaia di strati.
Utilizzando la tecnica di interferometria in luce bianca, si intendono misurare gli effetti di dispersione della fase e della velocità di gruppo sia in prossimità della risonanza di band-edge per i multistrati, sia per i modi risultanti dall'interazione elettromagnetica fra le microcavità. In particolare, si vuole determinare il forte rallentamento della velocità di gruppo in presenza di una minibanda molto stretta formata dai modi di cavità accoppiati.
Sugli stessi sistemi, si intende effettuare misure di propagazione per mezzo di spettroscopia risolta in tempo, al fine di evidenziare gli effetti di "slow wave" e i relativi fenomeni di distorsione dell'impulso.

2) Cristalli fotonici bi-dimensionali e in guida d'onda
La definizione delle strutture 2D mediante nano-litografia ed etching permette di realizzare non solo reticoli periodici, ma anche difetti lineari e puntuali con geometrie ottimizzate dal design teorico. Il prototipo dei sistemi 2D è il Silicio macroporoso; nelle guide d'onda planari si ha inoltre il controllo del campo elettromagnetico nella direzione verticale grazie alla riflessione totale interna. Nelle guide ad alto contrasto dielettrico quali il SOI, le membrane di Silicio e il SiN/SiO2 si hanno modi radiativi o quasi-guidati (sopra alla linea di luce del materiale di cladding) oltre a modi evanescenti nel cladding e realmente guidati (sotto alla linea di luce).
Si intende misurare la dispersione dei modi fotonici di questi sistemi per mezzo della riflettanza risolta in angolo dalla superficie del campione. Finora questa tecnica è stata applicata alla misura dei modi radiativi; al fine di accedere ai modi veramente guidati sotto alla linea di luce, si misureranno gli spettri di riflettanza totale attenuata facendo uso di un prisma. Inoltre saranno determinate le energie dei modi fotonici associati ai difetti lineari (guide d'onda fotoniche) e puntuali (nano-cavità).
Si intende misurare la trasmissione nel piano delle guide d'onda fotoniche in strutture contenenti difetti lineari, curve a 120 gradi e sistemi più complessi quali filtri add-drop e nano-cavità. Si prevede di realizzare effetti di amplificazione in guida d'onda lineare in strutture infiltrate con ioni attivi di Erbio.
Ci si propone di ottenere effetti di tuning e switching nonlineare nella riflettanza e nella trasmissione, da realizzare per effetto Kerr ottico mediante foto-eccitazione. Inoltre si intende misurare gli effetti di risonanza nella generazione di terza armonica in riflessione dalla superficie.
Ci si propone di evidenziare effetti di modifica di emissione spontanea per mezzo di misure di emissione risolta in frequenza e/o risolta spazialmente in campo prossimo. A tale scopo si farà uso sia di reticoli periodici (guide infiltrate globalmente e guide di a-Si(1-x)N(x) luminescente), sia di nano-cavità fotoniche infiltrate localmente con mezzi attivi quali coloranti e quantum dots colloidali. Si prevede inoltre di evidenziare effetti di guadagno ottico, legati alla realizzazione di laser a bassa soglia che utilizzano nano-cavità fotoniche.

3) Cristalli fotonici tri-dimensionali
Le strutture 3D permettono, in linea di principio, di realizzare un gap fotonico completo. Tuttavia questo non è ancora stato dimostrato nella regione del visibile per i sistemi allo studio, a causa del basso contrasto dielettrico (per gli opali diretti), degli effetti di disordine (nel caso degli opali inversi) e delle difficoltà di preparazione (per la Yablonovite). In questo contesto, l'obiettivo del progetto è di effettuare uno studio dettagliato della propagazione di luce e della formazione del gap fotonici, contribuendo nello stesso tempo al miglioramento delle tecniche di preparazione dei materiali.
Si intende misurare la dispersione dei modi fotonici (e quindi la presenza dei gap nelle varie direzioni di propagazione) combinando le tecniche di interferometria e di riflettanza ad angolo variabile. La prima determina lo sfasamento e quindi la dispersione nella direzione di propagazione, mentre la seconda misura la dispersione nel piano parallelo alla superficie del campione.
Ci si propone di effettuare misure risolte in tempo di propagazione e di diffusione di luce. La trasmissione risolta in tempo permetterà di evidenziare gli effetti di rallentamento al band edge. La diffusione risolta in tempo è una tecnica innovativa, particolarmente adatta allo studio degli effetti di disordine e alla misura del cammino libero medio nella propagazione di luce. Il ruolo del disordine sarà studiato anche tramite la retrodiffusione coerente.
Si intendono realizzare effetti di switching delle bande e dei gap fotonici, utilizzando opali infiltrati con cristalli liquidi e posti in campo magnetico. Lo switching sarà evidenziato da misure di riflettanza risolta in angolo.

In parallelo con le attività sperimentali, si intende proseguire lo studio teorico delle bande fotoniche, delle proprietà ottiche di riflessione e trasmissione e dell'emissione di luce. Si utilizzeranno vari approcci basati su sviluppi in onde piane e in base finita, matrici di trasferimento e di scattering, simulazioni finite-difference time domain. L'attività teorica fornirà il design dei campioni e contribuirà all'interpretazione delle misure. Inoltre vi saranno degli aspetti innovativi autonomi, soprattutto in relazione ai difetti lineari e alle nano-cavità nelle guide d'onda fotoniche: si intende studiare in dettaglio le perdite di propagazione e i fattori Q delle cavità, anche in presenza di disordine strutturale e di infiltrazione con materiali attivi, al fine di ottimizzare strutture con basse perdite ed alti fattori di merito e di evidenziare gli effetti di modifica di emissione spontanea. <<<

Risultati parziali attesi

Installazione della strumentazione prevista:
Torino: generatore 13.56 MHz per bias substrato su ECR-RIE
Trento: forno per trattamenti termici o ossidazioni in atmosfera controllata
Pavia: laser Q-switched con impulsi al ns e oscillatore parametrico
Firenze: elettromagnete da 1 Tesla con alimentatore

1) Cristalli fotonici mono-dimensionali
- Preparazione di multistrati e microcavità accoppiate di Silicio micro-poroso
- Misure interferometriche di dispersione della fase e della velocità di gruppo
- Interpretazione teorica e nuovi design
- Misure di slowing down sui multistrati mediante trasmissione risolta in tempo

2) Cristalli fotonici bidimensionali e in guida d'onda
- Preparazione di Silicio macroporoso con gap a 1.55 micron e difetti lineari
- Preparazione di guide d'onda fotoniche di Si/SiO2, SiN/SiO2, a-Si(1-x)N(x)/SiO2 con difetti lineari e puntuali, test per membrane
- Misure di dispersione dei modi fotonici e dei difetti mediante riflettanza risolta in angolo e ATR
- Misure di trasmissione in guida d'onda da reticoli periodici e guide lineari, simulazioni FDTD
- Misure di emissione dal Silicio macroporoso infiltrato e dalle guide d'onda luminescenti
- Test di infiltrazione globale e locale con mezzi attivi delle guide Si/SiO2

3) Cristalli fotonici tri-dimensionali
- Produzione di opali diretti e ottimizzazione del processo di produzione di opali inversi
- Misure di gap e bande fotoniche sugli opali mediante riflettanza risolta in angolo, trasmittanza e interferometria
- Misure di slowing down e di disordine sugli opali mediante trasmissione e diffusione risolta in tempo e retrodiffusione coerente
- Produzione di Yablonovite in PMMA e metallica. Test di infiltrazione e di etching profondo
- Misure di gap e bande fotoniche mediante riflettanza risolta in angolo e trasmittanza su Yablonovite

Attività teoriche (in aggiunta all'interpretazione degli esperimenti):
- Perdite di propagazione dovute al disordine in guide fotoniche W1, ottimizzazione strutture
- Design di strutture di nano-cavità con alto fattore di merito Q: donori e accettori
- Difetti lineari in Yablonovite1) Cristalli fotonici mono-dimensionali
- Preparazione di microcavità accoppiate di Silicio micro-poroso ottimizzate
- Misure interferometriche di dispersione della fase e della velocità di gruppo
- Realizzazione di effetti di "slow wave" e distorsione dell'impulso mediante trasmissione risolta in tempo

2) Cristalli fotonici bidimensionali e in guida d'onda
- Preparazione di Silicio macroporoso con difetti lineari e con nano-cavità, infiltrazione di Erbio e attivazione della luminescenza.
- Misure di amplificazione in guide lineari infiltrate con ioni Erbio
- Preparazione di guide d'onda fotoniche e di membrane di Silicio, anche con dispositivi complessi: nano-cavità, curve a 120 gradi, filtri add-drop
- Misure di dispersione dei modi fotonici mediante riflettanza e ATR su membrane
- Misure di trasmissione in guida da difetti lineari, curve a 120 gradi e filtri add-drop
- Misure di tuning e switching nonlineare: riflettanza e trasmissione in guida foto-modulata. Misure di generazione di terza armonica risonante con i modi fotonici.
- Infiltrazione dei cristalli fotonici 2D e in guida, in particolare delle membrane di Silicio. Infiltrazione locale con micro-dispenser di difetti lineari e nano-cavità.
- Misure di emissione risolte in frequenza dalle guide d'onda fotoniche infiltrate con mezzi attivi. Misure risolte in frequenza e spazialmente da nano-cavità infiltrate. Effetti di guadagno ottico.

3) Cristalli fotonici tri-dimensionali
- Opali inversi con buona omogeneità su aree grandi
- Misure di gap e bande fotoniche su opali inversi
- Misure di trasmissione e diffusione risolta in tempo, retrodiffusione coerente, su opali inversi
- Switching in campo magnetico su opali infiltrati con cristalli liquidi
- Test di produzione di Yablonovite in Silicio mediante infiltrazione e/o etching profondo con FIB
- Riflettanza risolta in angolo e trasmittanza su Yablonovite

Attività teoriche (in aggiunta all'interpretazione degli esperimenti):
- Fattori Q di nanocavità con effetti di disordine
- Studio di nano-cavità infiltrate con mezzi attivi e dell'emissione spontanea
- Studio di add-drop filters e curve a 120 gradi <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I cristalli fotonici sono mezzi caratterizzati da una costante dielettrica periodica in una o più direzioni spaziali. A causa della modulazione dell'indice di rifrazione si formano regioni di energia permesse e proibite, chiamate rispettivamente bande e gap fotonici, in analogia con i livelli degli elettroni nei reticoli cristallini. In presenza di un gap fotonico si può realizzare il controllo dell'emissione spontanea [1] e la localizzazione della luce tramite il disordine [2]. Inoltre, i difetti lineari e puntuali introducono livelli di energia nel gap, che corrispondono rispettivamente a modi di propagazione (guide d'onda lineari) e a modi localizzati (cavità fotoniche) [3,4]. Negli ultimi anni questo campo di ricerca ha avuto una rapida espansione ed è divenuto uno fra i più vivaci a livello internazionale [5-7], in relazione allo sviluppo delle tecniche di nano-fabbricazione che permettono di realizzare strutture su scala sub-micrometrica con gap nel vicino infrarosso o nel visibile.

I cristalli fotonici mono-dimensionali (ben noti come riflettori di Bragg e filtri) possiedono un gap solo in un ristretto cono angolare attorno alla direzione del multistrato, tuttavia sono interessanti per vari motivi. In primo luogo, in una dimensione si ha un gap fotonico per qualunque valore del contrasto fra gli indici di rifrazione. Inoltre, si possono produrre sistemi 1D complessi in cui evidenziare effetti particolari (ad esempio, la propagazione risolta in tempo ed il rallentamento di impulsi) senza le complicazioni legate alla fabbricazione di strutture a dimensionalità maggiore. Recenti lavori hanno mostrato l'importanza della risonanza di band-edge in multistrati per l'ottica nonlineare [8,9]. Infine, il sistema periodico costituito da microcavità accoppiate dà origine a bande molto strette e a un rallentamento notevole della velocità di gruppo [10].

I gruppi proponenti hanno di recente ottenuto vari risultati innovativi sui sistemi 1D. L'unità di Torino ha prodotto cavità Fabry-Pérot basate su nitruro di silicio amorfo (a-Si(1-x)N(x)) in cui sono stati mostrati effetti di risonanza nella generazione di seconda armonica [11]. Le unità di Pavia e Trento hanno fornito una misura diretta della dispersione dello sfasamento e della velocità di gruppo in cristalli fotonici 1D di Si/SiO2 in una ampia regione spettrale: in particolare sono stati misurati il rallentamento della luce vicino al band edge e la velocità di gruppo superluminale nel gap [12]. Le unità di Firenze e Trento hanno misurato le oscillazioni di Bloch per i fotoni in multistrati di Silicio poroso con un gradiente del periodo [13].

Il prototipo dei cristalli fotonici bidimensionali è il Silicio macroporoso, realizzato mediante etching elettrochimico di un substrato di Silicio in presenza di un reticolo regolare di nuclei di invito [14]. Il vantaggio maggiore di questo sistema è l'elevata profondità dei macro-pori, che può essere superiore a 100 micron. Il controllo della propagazione della luce nella direzione verticale può essere ottenuto mediante modulazione del diametro dei pori, tuttavia i dati finora ottenuti su questo punto non sono conclusivi. Negli ultimi anni, i cristalli fotonici bidimensionali in guida d'onda planare [15-17] si sono dimostrati estremamente promettenti per il controllo completo degli stati elettromagnetici. La propagazione della luce è controllata nel piano della guida d'onda dal reticolo 2D, e nella direzione verticale dalla discontinuità degli indici di rifrazione che produce riflessione totale interna. I modi fotonici la cui frequenza sta sopra alla linea di luce del cladding nel piano k-omega sono quasi-guidati (o radiativi) in quanto sono accoppiati ai modi leaky della guida d'onda e sono quindi soggetti a perdite di propagazione intrinseche dovute alla diffrazione fuori dal piano. Nelle guide ad alto contrasto di indice, come le membrane di Silicio o il SOI (Silicio su Isolante), vi sono dei modi veramente guidati (evanescenti nei claddings) che stanno sotto alla linea di luce. Tali modi sono soggetti solo a meccanismi di perdita estrinseci dovuti al disordine, che può essere controllato in linea di principio migliorando le procedure di fabbricazione. I difetti lineari nei cristalli fotonici 2D in guida d'onda introducono dei modi di propagazione nel gap. Il tipo di difetto più studiato è la linea di fori mancanti nel reticolo triangolare (chiamata guida d'onda W1): nelle membrane di Silicio, le perdite di propagazione finora riportate per i modi guidati sono dell'ordine di 2-4 dB/mm [18,19] e risultati più recenti arrivano fino a 0.7 dB/mm [7], che sono quasi confrontabili con le perdite misurate in guide a ridge di SOI (0.3 dB/mm). I difetti puntuali, o nano-cavità fotoniche, producono dei modi localizzati i cui spettri di emissione possono essere misurati per mezzo di filtri add-drop: i fattori di qualità Q finora riportati sono dell'ordine di 45'000 [20], quindi superiori a quelli ottenibili con le microcavità di semiconduttori. In effetti, la realizzazione dei campioni con approccio top-down basato su litografia a fascio elettronico e attacco chimico a secco permette sia di definire le strutture 2D ottimizzate secondo il design teorico, sia di ottenere un controllo delle dimensioni e della micro-rugosità dei fori sulla scala di pochi nanometri. Da questo punto di vista il sistema ideale è la membrana sospesa di Silicio, realizzabile a partire da guide di SOI, che combina il massimo contrasto dielettrico fra core e cladding (per avere la più ampia regione di modi veramente guidati) con una profondità di etching richiesta di soli 200-300 nm per il reticolo bidimensionale.

I gruppi proponenti, anche nell'ambito del precedente programma Cofin 2002, hanno acquisito una solida esperienza nella fabbricazione e nello studio sperimentale e teorico del Silicio macroporoso e delle guide d'onda fotoniche di SOI [21-25]. Fra i risultati innovativi vi sono la realizzazione del Silicio macroporoso su substrati n e p, la determinazione delle bande fotoniche mediante riflettanza risolta in angolo dalla superficie dei campioni, misure preliminari dei modi guidati sotto alla linea di luce per mezzo di riflettanza totale attenuata, l'infiltrazione locale di coloranti laser in file di fori, il calcolo delle perdite di propagazione intrinseche in guide d'onda W1.

I cristalli fotonici tridimensionali permettono in linea di principio di ottenere un gap completo in tutte le direzioni di propagazione [26-30], tuttavia ciò non è ancora stato interamente dimostrato a frequenze ottiche. Fra i risultati più promettenti vi è la forte riduzione della densità degli stati in opali inversi, misurata tramite il tempo di emissione di dyes [31]. Gli opali diretti (sfere di silice o polistirene su reticolo fcc) e inversi (ottenuti tramite infiltrazione con Silicio o altro materiale ad alto indice e successiva rimozione del templato) sono sistemi molto studiati anche perché ottenibili con tecniche di self-assembling, ossia con approcci bottom-up. Se da un lato il gap completo dell'opale inverso è piuttosto fragile rispetto al disordine strutturale, d'altro canto gli opali diretti e inversi costituiscono sistemi 3D di grande interesse per lo studio della formazione dei gap e della propagazione di luce in presenza di disordine, nonché degli effetti di infiltrazione, tuning e lasing. Oltre ai sistemi 3D che vengono prodotti con tecniche di micro-machining e di auto-cloning [7], merita un discorso a parte la struttura della Yablonovite. Questo sistema, ottenuto realizzando tre set di fori inclinati di 35.26 gradi rispetto alla direzione verticale, rappresenta una variazione della struttura del diamante e possiede un gap completo in tre dimensioni che è stato il primo ad essere misurato nella regione delle micro-onde [28]. Tuttavia non è mai stata realizzata a frequenze ottiche in un materiale ad alto indice. In letteratura è riportata la realizzazione della Yablonovite diretta in poli-metil-metacrilato (PMMA) e della Yablonovite inversa di metallo [32]. La robustezza del gap della Yablonovite rispetto a variazioni della geometria e dell'indice di rifrazione [27], insieme con gli sviluppi delle tecnologie di fabbricazione, suggeriscono di proseguire nei tentativi di realizzare questa struttura "paradigmatica".

I gruppi proponenti, nell'ambito del precedente programma Cofin 2002, hanno ottenuto buoni risultati nella realizzazione e nello studio ottico di opali diretti e inversi e progressi nella fabbricazione della Yablonovite [25]. Sono stati prodotti opali diretti di polistirene e di silice, sui quali è stata evidenziata la presenza di gap fotonici per mezzo di riflettanza risolta in angolo. Sono state inoltre effettuate le prime misure di disordine per mezzo di retrodiffusione coerente. Le prime infiltrazioni dei templati mediante CVD termica hanno dato risultati positivi. E' stata prodotta la Yablonovite diretta di PMMA e la Yablonovite inversa di Nickel; le misure ottiche sulle due strutture hanno confermato la presenza di gap e modi fotonici. Le prove di infiltrazione dei templati con Silicio sono tuttora in corso. Inoltre è stata iniziata un'analisi teorica delle proprietà ottiche degli opali e degli stati di difetto nella Yablonovite.

L'evoluzione del campo dei cristalli fotonici a livello internazionale suggerisce fortemente di mantenere il tema centrale di questo progetto sui sistemi a base di Silicio. L'alto indice di rifrazione del materiale e la sua compatibilità con la tecnologia CMOS ne fanno il sistema di maggiore interesse per le applicazioni alla fotonica integrata come sistema passivo. Dal punto di vista delle possibili applicazioni alle interconnessioni ottiche, è chiara in questo momento la superiorità delle guide d'onda fotoniche di SOI (rispetto ad altri tipi di cristalli fotonici) in termini di controllo delle perdite di propagazione e dei fattori Q di cavità. Inoltre la possibilità di realizzare il design teorico mediante litografia ed etching offre grandi possibilità di scelta e di ottimizzazione delle strutture. Per quanto riguarda la fisica di base, il Silicio poroso e gli opali inversi permettono di studiare vari fenomeni fisici legati al controllo degli stati elettromagnetici in cristalli fotonici di diversa dimensionalità.

Fra le direzioni di ricerca più attuali e innovative nel campo dei cristalli fotonici, rilevanti per gli obiettivi di questo progetto, possiamo menzionare:
(i) lo studio di guide d'onda lineari e di nano-cavità fotoniche;
(ii) gli effetti di tuning, switching, nonlinearità nella propagazione di luce;
(iii) gli studi di emissione spontanea e di guadagno ottico in sistemi attivi.

(i) Le perdite di propagazione in difetti lineari di tipo W1 costituiscono un problema cruciale nel contesto delle guide d'onda fotoniche [18,19,33,34]. La riduzione delle perdite dipende sia dall'ottimizzazione delle procedure di fabbricazione per minimizzare gli effetti di disordine strutturale, sia dal design delle strutture per confinare il campo nella regione del dielettrico massimizzando nello stesso tempo la velocità di gruppo del modo guidato sotto alla linea di luce [18]. Sono quindi molto importanti sia il design, sia la misura della relazione di dispersione del modo di difetto sotto alla linea di luce: quest'ultima è riportata in un solo lavoro [35]. Per quanto riguarda le cavità fotoniche, i massimi fattori Q sono ottenuti da difetti costituiti da tre fori mancanti in membrane di Silicio con reticolo triangolare: inoltre le posizioni dei fori adiacenti vengono variate in modo da minimizzare l'accoppiamento con i modi radiativi della guida d'onda, secondo il principio del "gentle confinement" [20]. Riteniamo che vi siano ancora varie possibilità per aumentare i fattori Q, in particolare per cavità di tipo diverso (ad esempio fori più grandi invece di fori mancanti) che si prestano meglio all'infiltrazione con materiali attivi. Inoltre non è chiaro quali sia il ruolo delle perdite radiative estrinseche (ossia legate al disordine), rispetto a quelle intrinseche, nel determinare i fattori Q.
(ii) Gli effetti di tuning delle bande fotoniche, e conseguentemente di switching della trasmissione (o riflessione) di luce, stanno diventando di grande interesse [36-39]. Il tuning può essere realizzato per mezzo di infiltrazione di cristalli liquidi e successivo allineamento [36,37] oppure tramite foto-eccitazione [38,39]. In guide d'onda fotoniche a base di Silicio, il tuning è stato realizzato solo mediante effetto termico (foto-eccitazione al di sopra del gap) [39]. Il tuning via campo magnetico di opali infiltrati con cristalli liquidi non è ancora stato dimostrato. Gli effetti nonlineari in cristalli fotonici sono un argomento di notevole importanza [40], in particolare per quanto riguarda gli effetti di risonanza nella generazione di armoniche in guide d'onda fotoniche: la conversione nonlineare aumenta di ordini di grandezza quando il fascio di pompa e/o il fascio armonico sono risonanti con i modi fotonici nella guida [41].
(iii) Il controllo dell'emissione spontanea, che è stata una delle motivazioni principali per introdurre il concetto di band-gap fotonico [1], è stato finora raggiunto solo parzialmente [31]. Le nano-cavità in guide d'onda fotoniche sono molto promettenti per ottenere effetti di aumento o diminuzione dell'emissione, in quanto possiedono modi di cavità con fattori Q molto elevati. Vi sono alcuni studi di interazione radiazione-materia e di modifiche dell'emissione in cavità fotoniche di semiconduttori III-V [42,43], oltre a varie realizzazioni di laser a cristallo fotonico. Non sembra sia mai stata effettuata l'infiltrazione con mezzi attivi di guide d'onda fotoniche a base di Silicio: uno dei motivi è che il design di queste strutture viene fatto in genere per avere un gap centrato attorno a 1.55 micron, mentre l'emissione dei coloranti laser avviene a lunghezze d'onda inferiori a 1.3 micron. Inoltre non sono mai stati riportati effetti di guadagno in guide d'onda fotoniche infiltrate con ioni Erbio.

A livello nazionale, i gruppi proponenti di Pavia, Torino (che comprende anche il gruppo LILIT del laboratorio TASC-INFM di Trieste), Trento, Firenze comprendono gran parte delle competenze esistenti su fabbricazione, studi ottici e teoria di cristalli fotonici a base di Silicio. L'unità di Torino dispone di notevoli tecnologie in camera bianca: crescita PECVD, litografia a fascio elettronico e a raggi X, attacco chimico a secco via plasma e via fasci ionici; dispone inoltre di un laboratorio chimico con esperienza sulle soluzioni colloidali. L'unità di Trento possiede notevole esperienza nella produzione per via elettrochimica di silicio micro- e macroporoso, nello studio dell'emissione di luce e del guadagno ottico in silicio, e in generale nello sviluppo dell'ottica integrata in silicio, anche in collaborazione con l'istituto IRST-ITC. L'unità di Firenze possiede una solida esperienza nella infiltrazione con dyes e cristalli liquidi di materiali dielettrici complessi, nelle misure di retrodiffusione coerente, emissione di luce, e spettroscopie risolte in tempo. Ha sviluppato di recente un set-up per micro-infiltrazione locale controllata dei cristalli fotonici. L'unità di Pavia è attiva da alcuni anni nel campo dei cristalli fotonici ed ha sviluppato la strumentazione e il know-how necessari per misure di interferometria, riflettanza risolta in angolo, trasmissione in guida, oltre che per l'analisi teorica. La collaborazione fra le unità si è consolidata nel corso del precedente programma Cofin 2002. Altri gruppi universitari nazionali sono attivi nelle seguenti direzioni: fabbricazione e studi ottici di cristalli fotonici di semiconduttori III-V e di materiali organici (Lecce), ottica nonlineare in cristalli fotonici (Roma La Sapienza, Milano Politecnico), teoria delle guide d'onda fotoniche (Udine, Bari) e dei processi nonlineari (Brescia). <<<