RICERCA ITALIANA     

Amplificatori e sorgenti laser integrati in guide solitoniche in Er:LiNbO3

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

Anche se i laser integrati in guida sono stati già realizzati in passato (il primo laser di questo tipo in niobato di litio drogato erbio risale al 1992), la loro realizzazione, a causa delle tecniche di fabbricazione impiegate, è sempre avvenuta nei pressi di una delle facce del materiale, il quale così ha preso il nome di "substrato", strato sottostante. In effetti fino ad ora sono state realizzate esclusivamente strutture planari, perchè è proprio l'ottica integrata ad essere planare: anche i tentativi di realizzare guide sepolte all'interno del substrato (buried waveguides) hanno dato risultati poco incoraggianti, in quanto la distanza raggiungibile dalla superficie non superava mai i 100-200um. Solo recentemente il superamento di questo limite è stato dimostrato utilizzando tecniche di scrittura derivanti dall'ottica nonlineare. Infatti nei materiali ottici nonlineari, come ad esempio nel niobato di litio che è fotorifrattivo, è stata dimostrata sia teoricamente che sperimentalmente la formazione di fasci laser solitonici, cioè fasci laser non diffrangenti, auto-confinati. Nel niobato di litio tali fasci modificano in maniera permanente il materiale scrivendo così una perfetta guida d'onda monomodale. Tale guida sarà sfruttata per realizzare laser integrati in niobato di litio drogato erbio. Le guide solitoniche aprono la strada ad un vero utilizzo di tutto il volume del materiale impiegato, in quanto possono essere realizzate dovunque all'interno, senza limitazioni. Ciò presenta notevoli vantaggi, sia legati al materiale che alle geometrie raggiungibili: a) per il materiale, è stato dimostrato che un drogaggio di volume e non di superficie con atomi di materiale attivo è molto più omogeneo e soprattutto efficiente; b) per le guide, possono essere realizzati profili di indice di rifrazione ottimizzati per la propagazione monomodale senza perdite; c) per i laser, possono essere costruite sullo stesso materiale sia singole sorgenti che matrici di laser indipendenti funzionanti contemporaneamente.
Il consorzio avrà quindi i seguenti compiti: crescere il materiale, caratterizzarlo, ed impiegarlo per realizzare i solitoni ed i laser.
Saranno cresciuti con la tecnica Czochralski, tecnica particolarmente interessante per la qualità del prodotto ottenibile, monocristalli di elevata purezza e qualità ottica di niobato di litio con drogaggi variabili di erbio nell'intero volume. Particolare attenzione sarà data alla caratterizzazione strutturale e ottica dei campioni cresciuti, sia perché non si trova una adeguata letteratura sull'argomento, e sia soprattutto perché il consorzio potrà in questo modo ottimizzare i processi di crescita dei campioni in base alle proprietà riscontrate in fase di caratterizzazione ed impiego. Successivamente si scriveranno guide solitoniche che saranno caratterizzate completamente in termini di profilo di indice, perdite ed efficienza di luminescenza. Si studieranno e cresceranno anche fibre mono-cristalline di niobato di litio drogato erbio e si cercherà anche in questo caso di scrivere solitoni spaziali al loro interno che potranno fungere da "core" entro cui propagare la luce.
Una volta caratterizzati i cristalli, ed eventualmente le fibre, si passerà alla realizzazione delle sorgenti laser con opportune geometrie di cavità. Si studieranno anche matrici di laser entro lo stesso chip.
Questo progetto ha una grande valenza strategica poiché le applicazioni dei laser integrati e soprattutto di matrici di laser sono tantissime ed in diversi campi, che vanno dalle telecomunicazioni, ai display, alle applicazioni biomediche e bioingegneristiche quali ad esempio la microanalisi fotometrica di campioni biologici in array. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Eugenio FAZIO Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto si propone di realizzare sorgenti laser a 1.55 um, integrate in guide d'onda monomodali a profilo solitonico, sepolte all'interno di monocristalli di niobato di litio drogato in volume con erbio mediante la tecnica Czochralski. Si realizzeranno sia sorgenti singole che matrici di laser nello stesso cristallo.
Il progetto intende anche scrivere guide solitoniche in fibre monocristalline di niobato di litio drogate con erbio cresciute mediante la tecnica del MicroPullingDown. Tali guide solitoniche funzionerebbero da core per le fibre, dentro i quali sia propagare la luce che osservare amplificazione ottica.

L'obbiettivo primario dell'intero progetto sarà raggiunto mediante fasi intermedie di avanzamento dei lavori, che possono essere così definite:

1) Crescita di monocristalli di niobato di litio drogati in volume con erbio mediante la tecnica Czochralski. Una prima fase prevedrà la crescita di campioni monocristallini di niobato di litio con concentrazioni di erbio, distribuito in maniera omogenea nell'interno volume, variabili tra 0 e 1mol%. Tali campioni dovranno avere qualità ottica e cristallina comparabile con i cristalli commerciali dello stesso materiale non drogato. Obbiettivo riflesso, qualora si fossero cresciuti con successo i monocristalli secondo le caratteristiche prima descritte, è la messa a punto del protocollo di crescita per ottenere campioni ripetibili. In una seconda fase, utilizzando il protocollo di crescita prima determinato, si cercherà di crescere cristalli con concentrazioni di erbio maggiori, tra 1 e 2mol%.
2) Poling a singolo dominio ferroelettrico dei cristalli cresciuti e taglio.
3) Completa caratterizzazione delle proprietà strutturali ottiche del materiale, con particolare attenzione al problema del trasferimento di carica tra gli ioni erbio ed il reticolo ospite e viceversa. Da questi studi ci si aspetta di poter sviluppare un modello analitico di simulazione del processo di interazione radiazione-materiale da utilizzarsi per le simulazioni numeriche sia di formazione del solitone che per l'analisi dell'effetto laser nelle strutture da realizzare.
4) Realizzazione di solitoni spaziali in niobato di litio drogato erbio e caratterizzazione di utilizzo dei canali solitonici come guide d'onda monomodali. Grande attenzione sarà data alla caratterizzazione del modo di propagazione della luce entro le guide al variare della lunghezza d'onda di utilizzo. Questa misura permetterà di quantificare a priori la sovrapposizione modale che si avrà successivamente in fase di realizzazione del laser tra il modo del fascio di pompa ed il modo del fascio emesso dalla sorgente.
5) crescita di fibre di niobato di litio drogato erbio mediante la tecnica MicroPullingDown con orientazione cristallografica e composizione chimica controllate su tutta la lunghezza.
6) Poling a singolo dominio ferroelettrico di fibre monocristalline di niobato di litio.
7) Realizzazione di solitoni spaziali nelle fibre di niobato di litio drogato erbio e loro impiego quali core per la propagazione della luce.
8) Crescita e caratterizzazione di cristalli di niobato di litio con doppio drogaggio, di erbio e di altri elementi (Yb, Ce, Ag, Fe…..) sensibilizzanti per l'emissione luminosa e per eventualmente intensificare l'effetto fotorifrattivo del materiale. Alla fine di questa fase sarà scelta la o le specie co-droganti con prestazioni ottimali e contestualmente la concentrazione migliore per l'amplificazione e l'effetto laser.
9) Progetto e realizzazione del risonatore laser con dimensionamento dei componenti utilizzati ed eventualmente del sistema di raffreddamento da utilizzare.
10) caratterizzazione sia spettroscopica che in potenza dell'emissione spontanea amplificata (ASE) all'interno delle guide solitoniche fino eventualmente all'accensione della cavità laser realizzata.
11) Caratterizzazione del fascio laser emesso e determinazione della stabilità nel tempo del laser realizzato. Saranno in questo caso effettuate tutte le procedure in grado di ottimizzare l'efficienza di emissione, la qualità del modo e la stabilità dell'intensità emessa. Per tale ottimizzazione saranno studiati sia la stabilità delle guide solitoniche nel tempo che eventuali tecniche di stabilizzazione o nuovi materiali per questo impiego (ad esempio utilizzando una maggiore percentuale di ferro nel drogaggio). Saranno inoltre studiate, per migliorare le caratteristiche del laser, eventuali diverse composizioni stechiometriche dell'erbio e dei materiali sensibilizzanti nel niobato di litio.
12) realizzazione sullo stesso chip di matrici di laser funzionanti contemporaneamente ed in maniera indipendente. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'esplosione di richieste nelle telecomunicazioni, sia per accesso ad Internet che per servizi vari, ha spinto verso una sempre maggiore capacità delle trasmissioni ottiche, poiché le tecnologie elettriche probabilmente non potranno soddisfare la richiesta continua e sempre crescente di sistemi ad alta velocità e banda larga. Per poter rispondere a questa esigenza, sono richiesti componenti ottici sempre più sofisticati e compatti, sia direttamente in fibra che in chip. La tecnologia base dei dispositivi integrati è costituita dalla realizzazione di "guide d'onda", cioè di zone di indice di rifrazione maggiore del materiale circostante, in modo da confinare la luce al loro interno mediante il fenomeno della riflessione totale interna. L'attuale tecnologia ha sviluppato con successo sia strutture unidimensionali che bidimensionali mentre quelle tridimensionali restano inesplorate non disponendo ancora di tecnologia adeguata ed innovativa in grado di scrivere guide nel volume. Per costruire strutture uni- o bi-dimensionali sono impiegate diverse tecniche: le fibre ad esempio vengono tirate da un preformato grande, fino a raggiungere la dimensione voluta; per le guide invece o si depositano film sottili su substrati, oppure si effettua un trattamento chimico-fisico della superficie esterna del materiale per variarne localmente l'indice di rifrazione. Questo viene fatto con o senza opportune mascherature per realizzare guide a canale o planari rispettivamente. Tuttavia la possibilità di aumentare il numero di funzioni complesse nello stesso chip sarebbe un grande vantaggio verso una migliore e più efficiente integrazione: permette infatti di ridurre i costi di fabbricazione, lavorando simultaneamente più dispositivi nello stesso wafer, permetterebbe di ridurre il numero di interconnessioni manuali aumentando di conseguenza l'affidabilità, la compattezza e quindi l'efficienza del prodotto finale. Vi è così un impulso crescente allo sviluppo di nuovi materiali che espletino le funzioni di generazione, amplificazione, guida, e commutazione per la luce. In questa linea, la combinazione simultanea di diverse proprietà, quali gli effetti elettro-ottico, acusto-ottico, piezoelettrico, fotoelastico, fotovoltaico e non lineare ottico del secondo ordine, rende il niobato del litio (LiNbO3) uno dei materiali più attraenti per applicazioni nell'ottica integrata [1]. In effetti grazie a questo grande numero di proprietà, il niobato di litio è impiegato con successo su molti dispositivi ottici integrati già utilizzati dall'industria elettronica (circuiti integrati per l'elaborazione di segnali in videoregistratori e TV, modulatori acusto-ottici, celle di Pockels, rotatori di Faraday, compensatori ottici della dispersione, convertitori ottici di fronte d'onda, convertitori o amplificatori parametrici ottici ecc.).
Recentemente è stata dimostrata una nuova tecnica per scrivere guide d'onda all'interno del volume di materiali [2], e non più vicino la superficie esterna. Tale tecnica prende spunto dall'ottica nonlineare e più in particolare dagli esperimenti di generazione di "solitoni spaziali". Mediante la tecnologia solitonica è possibile realizzare circuiti ottici tridimensionali all'interno del volume del materiale ospite.
L'espressione "solitone spaziale" è in questo contesto utilizzata per rappresentare un fascio di luce che non diffrange durante la propagazione. Questo fenomeno accade perché il fascio luminoso, sfruttando la non linearità ottica del materiale entro cui si propaga, ne aumenta localmente l'indice di rifrazione. In questo modo viene scritta una vera e propria guida d'onda entro cui la luce si auto-confina, compensando la naturale diffrazione. I solitoni sono stati previsti teoricamente nel 1964 [3] ed osservati sperimentalmente per la prima volta nel 1972 [4]. Da allora un grande lavoro di caratterizzazione è stato fatto per studiare le proprietà dei solitoni in funzione del tipo di materiale ospite. In questo progetto ci occuperemo di niobato di litio, un materiale fotorifrattivo. I solitoni fotorifrattivi furono previsti nel 1992 [5] ed osservati sperimentalmente l'anno successivo in un cristallo di niobato di bario e stronzio (SBN) drogato con rodio [6]. Tuttavia solo nel 2004 sono stati osservati per la prima volta solitoni in niobato di litio [2]. Questo è dovuto al fatto che nel niobato di litio l'effetto fotorifrattivo, che aumenta localmente l'indice di rifrazione favorendo la formazione di solitoni, è in competizione con l'effetto fotovoltaico, che invece tende a diminuire l'indice impedendo che il fascio si auto-confini. Mediante una nuova tecnica che applica campi statici di polarizzazione estremamente elevati, è stato possibile osservare solitoni anche in niobato di litio. È stato anche dimostrato, fattore che rende questa tecnica interessante per le applicazioni in ottica integrata, che in materiali ferroelettrici, come il niobato di litio, la variazione di indice indotta dai solitoni fotorifrattivi può essere fissata permanentemente [7] e comportarsi, anche successivamente al solitone che l'ha scritta, come una guida d'onda perfettamente monomodale. Questa è quindi una nuova tecnologia per scrivere guide monomodali direttamente nel volume di materiali ospiti.
Essa offre notevoli vantaggi:
1. i solitoni generano guide d'onda perfettamente monomodali, sia planari che a canale;
2. il profilo di indice di rifrazione, generalmente a secante iperbolica quadra, è auto-ottimizzato dalla luce per la propagazione monomodale e quindi ha bassa dispersione e zero perdite. Nelle guide d'onda tradizionali invece il salto di indice è o netto oppure segue il profilo del processo chimico che lo ha indotto. Quindi non è ottimizzato per la propagazione, anzi è la luce che si deve adattare per propagarsi all'interno. Questo "adattamento" della luce si esplica in perdite e dispersione, non presenti in guide solitoniche il cui profilo è deciso dalla luce stessa.
3. La tecnologia solitonica è a basso costo: non richiede costose apparecchiature come per i tradizionali metodi di scrittura su substrato ma soltanto laser a bassa potenza (mW-W);
4. possono essere realizzati circuiti integrati tridimensionali complessi sfruttando sia la proprietà di scrittura nel volume delle guide e sia le innumerevoli proprietà di mutua-interazione tra solitoni [8]. Le prime realizzazioni tridimensionali semplici sono state ottenute scrivendo nello stesso materiale matrici di guide solitoniche 9x9 [9] e 32x32 [10], su dimensioni trasversali non più grandi di 2.3x2.3 mm^2.
Il programma di ricerca si inserisce esattamente in questa linea, sviluppando sorgenti laser, sia singole che multiple sotto forma di matrici, in niobato di litio drogato erbio, mediante la scrittura di guide solitoniche. Nell'ultima decade l'impiego di ioni di erbio per l'amplificazione ottica nella terza finestra delle telecomunicazioni (1.55um) ha giocato un ruolo chiave nello sviluppo della tecnologia ottica. Infatti nelle reti ottiche interurbane, è richiesta amplificazione del segnale per compensare le perdite nelle fibre di vetro, che può essere realizzata in maniera completamente ottica, invece della rigenerazione elettro-ottica, con l'uso di sistemi in fibra o in guida ad Er3+. Le superbe prestazioni delle fibre ottiche in vetro e degli amplificatori in fibra drogata con Er, EDFA, hanno portato ad una rivoluzione nelle telecomunicazioni ottiche ad alta velocità, permettendo l'utilizzo di collegamenti in fibra ottica di grande capacità su una scala globale.
La struttura dei livelli di energia dell'Er3+ consente di pompare con laser a semiconduttore intorno 980 nm il livello 4I11/2, che popola per rilassamento lo stato 4I13/2 da cui si può avere emissione radiativa a 1.55um verso lo stato 4I15/2, i.e. nella terza finestra di trasmissione delle fibre ottiche. Sfruttando l'emissione dell'erbio sono stati già realizzati amplificatori ottici in guida d'onda come variazione degli amplificatori in fibra ottica. Rispetto alle fibre gli amplificatori integrati possono integrare una varietà di elementi ottici sullo stesso chip, dai laser veri e propri agli amplificatori, ai multiplexer/demultiplexer, ai modulatori, ai connettori e così via, fornendo così una riduzione significativa sia del formato di dispositivi che del costo di realizzazione. Sfruttando le proprietà di emissione degli ioni Er+3, una famiglia intera di laser integrati può essere sviluppata, con emissione sia a 1.55 um che eventualmente nelle altre righe dell'erbio, sia nel visibile che nell'infrarosso. In effetti, è ben noto che in materiali ospiti quali lo YAG, LiYF4 o in fibre di vetro, gli ioni di erbio possono emettere su altre transizioni per l'azione del laser, la più considerevole a 550 nm. Questa miniaturizzazione potenziale ha ispirato la ricerca in nuovi materiali ospiti dell'Er3+, tra cui il niobato di litio [11-15], che per le altre proprietà nonlineari è un ottimo candidato per realizzare sia laser in onda continua che impulsati, accordabili in maniera acusto-ottica o con reticoli DFB. Tipicamente gli amplificatori ed i laser integrati in niobato di litio richiedono un doppio drogaggio: di erbio, come materiale otticamente attivo, e di titanio, per scrivere la guida entro cui avere emissione laser e amplificazione. Tale co-drogaggio di Ti-Er viene realizzato nel LiNbO3 tramite diffusione termica da film sottile [11-14]. Tuttavia si è visto che il Ti e Er hanno differenti processi di diffusione, cioè si generano profili diversi per l'indice di rifrazione (legato al titanio) e per il guadagno ottico (legato all'erbio). Tale differenza porta notevoli problemi: (i) sia ha una scarsa sovrapposizione tra il modo propagativo della guida e la zona dov'è presente il materiale attivo, con conseguente diminuzione del guadagno ottico ottenibile ed aumento del rumore; (ii) non si ha un drogaggio di volume ma di superficie e quindi soltanto la superficie può essere utilizzata per dispositivi; (iii) si è riscontrata una evidente rotazione di polarizzazione per la birifrangenza indotta dal processo di in-diffusione; (iv) il co-drogaggio modifica fortemente le proprietà strutturali del materiale, impedendo una alta concentrazione di drogante. Infatti, poiché il tempo di vita dello stato eccitato dell'Er3+ è solitamente dell'ordine del millisecondo (a seconda della concentrazione), la sezione d'urto di assorbimento e dell'emissione è relativamente piccola (tipicamente 10^(-21)-10^(-20)cm2). Di conseguenza valori ragionevoli di guadagno ottico (3dB) possono essere raggiunti con concentrazioni di erbio elevate, almeno di 10^20-10^21 atomi/cm2, cioè densità di 0.1-1 at%, possibili con un materiale ospite ad alta solubilità per l'erbio. Però in questo caso si hanno distanze tra ioni erbio così piccole da eccitare interazioni elettriche dipolo-dipolo, con conseguente riduzione del guadagno ottico. Questo è un evidente limite degli amplificatori ad erbio realizzati fino ad ora in guida d'onda. Altre soluzioni sono state proposte per sostituire la in-diffusione del Ti, quale l'impiantazione ionica di elementi leggeri quali il C, N e O con buoni risultati in termini di ridotte perdite ottiche [15-16].
Il progetto in esame mira ad apportare 6 importanti novità rispetto a quanto realizzato sinora: 1) la realizzazione di guide solitoniche nel volume dei cristalli e non sulla loro superficie; 2) quindi la crescita di monocristalli di niobato di litio direttamente drogati in volume con erbio mediante la tecnica Czochlarski (Cz) [17], diversamente dai casi precedenti in cui il drogaggio veniva effettuato successivamente alla crescita dei cristalli; 3) la scrittura delle guide solitoniche direttamente dal fascio di pompa per l'effetto laser, per avere variazione di indice e pompaggio dallo stesso processo; 4) guide a bassa variazione dell'indice, che permetterà di avere un modo propagativo largo per coprire la maggior quantità di materiale attivo possibile; 5) la realizzazione non solo di singole sorgenti ma anche di matrici di laser, funzionanti contemporaneamente ed indipendentemente; 6) lo studio sia di cristalli massivi che di fibre monocristalline di niobato di litio drogato con erbio realizzate mediante la tecnica del MicroPullingDown (MPD) [18], entro cui scrivere il "core" mediante solitoni e realizzare amplificazione ottica.
Sia la tecnica Cz che MPD permettono di crescere monocristalli di alta qualità ottica, drogati in volume, con orientazione cristallografica prescelta, in forma rispettivamente di carote e fibre da tagliare poi delle dimensioni volute.
Con il metodo Cz i cristalli si sviluppano da una fusione liquida, tramite solidificazione all'interfaccia solido/liquido [17]. La tecnica di Cz presenta parecchi vantaggi: 1) versatilità ed adattabilità: l'orientazione, composizione e dimensione del cristallo cresciuto possono essere selezionate con precisione; 2) nessuna forza viene applicata durante la crescita delle carote, requisito principale per ottenere bassa densità di dislocazioni e cristalli puri senza striature; 3) in linea di principio qualunque drogante può essere introdotto nei cristalli durante la crescita, e quindi può essere facilmente realizzato co-drogaggio di più elementi. La tecnica è quindi estremamente precisa, tanto che viene impiegata abitualmente per crescere i cristalli di niobato di litio acquistabili in commercio.
La tecnica MPD è invece relativamente nuova anche se è stata già usata per crescere materiali optoelettronici, semiconduttori o isolanti, per molte applicazioni quali le guide di onde infrarosse, scintillazione, superconduzione, conversione di frequenza, microlaser, e fotorefrattività [19-20]. La tecnica MPD utilizza un piccolo crogiolo in cui il materiale base è prima fuso e poi tirato attraverso un foro capillare nella parte inferiore del contenitore a partire da un seme con un'asta. Il metodo permette di crescere fibre monocristalline a singolo dominio con bassa densità di dislocazione, di diametro variabile da 10 um a qualche millimetro, in maniera veloce, semplice ed economica. Infatti le fibre vengono cresciute a partire da piccolo volume di fusione iniziale (fino a qualche decina di cm3), con una rapidità di crescita (0.5 - 20 mm/min) tale da generare una distribuzione assiale uniforme dei componenti ed un'alta concentrazione di drogaggio (superiore ai metodi convenzionali).
Unendo le prestazioni delle guide di onde solitoniche con i monocristalli realizzabili mediante le tecniche Cz e MPD, perfettamente drogati in volume e ad elevata qualità cristallina ed ottica, si progetteranno e realizzeranno amplificatori e sorgenti laser completamente integrati nel volume di niobato di litio drogato con erbio.
Il progetto presenta aspetti innovativi in particolare a livello del settore di ricerca italiano nelle seguenti tematiche: a) crescita di monocristalli di niobato di litio con drogaggio di erbio in volume; b) crescita fibre monocristalline drogate con erbio; c) realizzazione di solitoni in materiali fotorifrattivi amplificatori; d) scrittura di solitoni in fibre fotorifrattive; e) realizzazione di laser ed amplificatori in guide d'onda solitoniche monomodali; f) realizzazione di laser intergati nel volume del materiale LiNbO3 attivo e non sulla superficie ed infine g) realizzazione di matrici di laser sullo stesso chip. Un aspetto importante del progetto è l'interazione di gruppi di ricerca, con elevata specificità nei settori di competenza e complementarità delle conoscenze che permetteranno di ottimizzare i materiali in funzione delle loro applicazioni amplificatrice e fotorifrattiva. <<<