RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università di PISA - FISICA - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Alessandra TONCELLI

Descrizione

Il programma dell'unità di ricerca operante presso il Dipartimento di Fisica di Pisa è focalizzato su tre obiettivi strategici per realizzazione del progetto:

1) Crescita di fibre monocristalline di LiNbO₃ drogato con ioni trivalenti di Er e co-drogato con sensibilizzatori.

2) Spettroscopia nella regione infrarossa (1- 3 µm) sia delle fibre monocristalline che dei campioni bulk per verificarne la qualità ottica e di fluorescenza da confrontare con i risultati già presenti in letteratura. Tali informazioni serviranno inoltre per valutare i meccanismi di trasferimento di energia al fine di ottimizzare le potenzialità dell'emissione nella regione di lunghezza d' onda di 1.5 µm per la realizzazione di un dispositivo coerente.

3) Analisi spettroscopica degli ioni trivalenti di Er all'interno della guida solitonica scritta all'interno degli stessi campioni analizzati in precedenza per valutare le eventuali modifiche indotte sulle caratteristiche dell'emissione infrarossa.

Il lavoro sarà articolato nell'arco di un biennio durante il quale si svilupperanno i tre obiettivi in stretta sinergia con gli altri gruppi di ricerca coinvolti nel progetto in modo da ottimizzare al meglio i parametri al fine di ottenere un dispositivo laser in guida d'onda ad 1.5 µm per applicazioni nel campo delle telecomunicazioni.
Vediamo ora in dettaglio come le varie aree del progetto si svolgeranno temporalmente.

I anno: Durante il primo anno, parallelamente al lavoro di crescita del gruppo presso l'Università di Padova, il gruppo presso l'Università di Pisa provvederà alla crescita di fibre monocristalline drogate con il solo ione di Er³⁺. Allo scopo di ottimizzare il livello di drogaggio sulla base dell'analisi spettroscopica successiva sarà necessario crescere un buon numero di campioni (10-15) nell'intervallo di drogaggio 0.1-1mol%, che viene solitamente indicato in letteratura come l'intervallo ottimale per applicazioni elettro-ottiche, ed eventualmente un numero inferiore (2-3) nell'intervallo 1-2mol% in cui è noto che alcuni effetti non lineari dovuti principalmente alla presenza di 'cluster' cominciano già a diminuire l'efficienza dell'emissione infrarossa. Tutti i campioni verranno cresciuti in forma di fibre di lunghezza da 2 a 10 cm e diametro variabile tra 0.3 e 3 mm, mentre l'orientazione potrà essere indifferentemente lungo l'asse 'x' o lungo 'y' perchè in entrambi i casi la direzione dell'asse 'z' risulta trasversa, come richiesto per le applicazioni successive. In un primo tempo si cominceranno a crescere i campioni di dimensione maggiore per ovvie ragioni di maneggiabilità allo scopo di ottimizzare sia il processo di crescita che di trattamento successivo (analisi strutturale, poling, lappatura…).
I campioni verranno poi sottoposti ad una prima indagine strutturale mediante tecnica di diffrattometria Laue allo scopo sia di verificarne il carattere monocristallino, che il mantenimento dell'orientazione degli assi cristallografici per tutta la lunghezza della fibra, nonchè di identificare la direzione dell'asse 'z'. Le fibre saranno poi sottoposte a processo di poling per ottenere campioni con un singolo dominio ferroelettrico. Tale processo avviene ad alta temperatura (1100C) mediante applicazione di una piccola differenza di potenziale (alcuni Volt) alla fibra in direzione trasversa. I parametri per ottenere il poling completo dei campioni verranno ottimizzati in funzione del diametro delle fibre. Successivamente si provvederà al taglio e lucidatura ottica delle superfici di ingresso e di uscita della radiazione, in modo da prepararle per le successive indagini spettroscopiche. Alcuni di questi campioni verranno quindi inviati presso l'Università di Padova per le caratterizzazioni strutturali di competenza di questo gruppo, mentre altri verranno inviati al gruppo presso l'Università di Roma "La Sapienza" per le prove di scrittura di guida solitonica.
Durante il primo anno verranno inoltre caratterizzati spettroscopicamente i campioni di Er:LiNbO₃ cresciuti sia a Pisa (fibre monocristalline) che a Padova (cristalli massivi).
La prima caratterizzazione riguarda l'assorbimento dei campioni nella regione dal visibile al vicino infrarosso al fine di valutare l'entità di drogaggio in funzione della posizione, in particolare lungo l'asse di crescita delle fibre, e di identificare la presenza di eventuali impurezze, in particolare il radicale OH. E' noto infatti che la sua presenza in un cristallo funge da trappola in particolare per l'emissione infrarossa diminuendone drasticamente l'efficienza. Come seconda indagine verrà investigata la fluorescenza statica emessa a 1.5µm e nel visibile con eccitazione infrarossa (980 nm) e la vita media dei livelli coinvolti. Nel caso delle fibre questa indagine verrà effettuata in funzione della posizione lungo l'asse di crescita per individuare eventuali disomogeneità. Su alcuni campioni, inoltre, verranno effettuate misure di assorbimento da stato eccitato (ESA) con un apparato tipo pump-and-probe allo scopo di identificare eventuali processi di questo tipo nella regione di lunghezza d'onda di pompaggio. I processi di ESA fanno si che parte dell'eccitazione venga trasferita ad un livello energetico superiore, con conseguente perdita di efficienza dell'emissione infrarossa, per questo motivo devono essere minimizzati. Con questa indagine avremo indicazioni sulla regione di lunghezza d'onda di pompa migliore per minimizzare questi processi e quindi ottenere una maggiore efficienza di emissione a 1.5 µm. Un'analisi di questo tipo oltre ad assumere una importanza rilevante all'interno del presente progetto, costituisce anche un risultato scientifico nuovo per quanto riguarda questi processi all'interno della matrice LiNbO₃.
Alla fine del primo anno si prevede di aver quindi concluso la fase di ottimizzazione delle condizioni di crescita per il LiNbO₃ drogato con Er e l'intero quadro di caratterizzazione del materiale. Le analisi sia strutturali che spettroscopiche portate a temine dai gruppi operanti a Pisa e a Padova in stretta sinergia, nonchè i risultati di scrittura delle guide effettuate a Roma, potranno fornire informazioni sulla qualità ottica e cristallina dei campioni cresciuti, sui meccanismi di trasferimento di energia e quindi sulla ottimizzazione dell'efficienza dell'emissione a 1.5 µm in funzione del drogaggio di Er nel cristallo.

II anno: Durante il secondo anno avvalendoci delle conoscenze e competenze acquisite durante il primo anno, il lavoro di crescita sarà dedicato alla crescita di LiNbO₃ drogato con una concentrazione ottimale di Er con l'aggiunta di co-droganti sensibilizzatori. E' noto infatti che l'assorbimento dello ione Erbio nella regione di 980 nm non è molto intenso, per questo il guadagno infrarosso di materiali drogati solo con Er non è molto elevato. Un modo per ovviare a questo inconveniente è quello di introdurre una opportuna concentrazione di ioni di Yb³⁺ che posseggono un'intensa banda di assorbimento nella stessa regione di lunghezza d'onda e permettono un successivo efficiente trasferimento di energia allo ione di Er [36]. A questo scopo verra' cresciuto un adeguato numero di fibre monocristalline drogate con Er e con una concentrazione di Yb variabile nell'intervallo 2-5mol%.
Inoltre si esplorerà la possibilità di aumentare l'efficienza dell'emissione infrarossa mediante co-drogaggio con altri sensibilizzatori come ad esempio Argento o ioni trivalenti di Ce. Nel caso del Cerio, infatti, è stato dimostrato in matrici vetrose che la presenza di questo ione diminuisce i meccanismi di up-conversion che spopolano il livello superiore laser (⁴I_13/2) della transizione ad 1.5 µm ⁴I_13/2 --> ⁴I_15/2 dello ione Er [37-39]. La separazione (~2000 cm^-1) del livello fondamentale dello ione Ce interagisce fortemente con la separazione dei multipletti dello ione Er aumentando l'efficienza di popolamento del multipletto ⁴I_13/2 e riducendo fortemente i meccanismi di upconversion. Questo produce un aumento notevole (anche 10 volte) della fluorescenza emessa dalla transizione infrarossa. Anche in questo caso i campioni verrano preparati per le successive indagini spettroscopiche ed alcuni verranno inviati a Padova per le indagini di loro competenza. Anche in questo caso si provvedera' a crescere un adeguato numero di campioni (10-15) con differenti drogaggi di sensibilizzatori per avere una buona statistica al fine di ottimizzare al meglio i parametri.
Durante il secondo anno le indagini spettroscopiche verranno applicate ai campioni (sia 'bulk' che in fibra) co-drogati con ioni di Yb, Ce, o nanoparticelle allo scopo di verificare l'aumento dell'efficienza dell'emissione infrarossa a parità di potenza di eccitazione ed anche per valutare come il co-drogaggio influenza le caratteristiche di trasferimento energetico, in particolare per quanto riguarda il meccanismo di ESA.
I campioni piu' promettenti verranno poi inviati al gruppo di Roma per la verifica della scrittura delle guide per mezzo della tecnica solitonica.
Dopo il processo di scrittura di guide d'onda solitoniche alcuni campioni verranno nuovamente inviati a Pisa per verificare se tale processo possa aver causato una alterazione delle proprietà di emissione del materiale.
I campioni verranno sottoposti alle stesse indagini di fluorescenza dei campioni massivi. Sarà necessario quindi modificare l'apparato sperimentale per adeguarsi alla geometria della guide, in particolare sarà necessario ottimizzare l'accoppiamento della radiazione di eccitazione all'interno della guida e l'apparato di raccolta della radiazione emessa. In particolare per il primo di questi aspetti il gruppo presso l'unità di Pisa trarrà vantaggio dall'esperienza acquisita dal gruppo di Roma.
I risultati delle indagini spettroscopiche saranno, quindi, un prezioso feedback per valutare la qualità ottica ottenuta e l'entità del drogaggio piu' opportuno per ottenere un laser in guida solitonica ad alta efficienza.

Per quanto riguarda i compiti del gruppo di Pisa essi si possono quindi schematizzare con i seguenti obiettivi temporali:

I anno: crescita e caratterizzazione di fibre di Er:LiNbO₃ monocristalline. Le fibre avranno un diametro compreso tra 0.3 e 3 mm ed una lunghezza fino a 10 cm e drogaggio variabile nell'intervallo 0.1-1mol%. Verranno investigate sia la qualità cristallografica che quella spettroscopica delle fibre e cristalli massivi cresciuti a Padova che dovranno risultare confrontabili tra loro e con i risultati già noti in letteratura. Tali indagini dovranno inoltre determinare il livello di drogaggio di Er ottimale per le applicazioni elettro-ottiche del presente progetto.

II anno: crescita e caratterizzazione di fibre di Er:LiNbO₃ monocristalline co-drogate con Yb, Ce e/o Ag. Analogamente a quanto effettuato nel primo anno, i campioni verranno sottoposti ad indagini cristallografiche ed ottiche allo scopo di identificare il/i co-drogaggi piu' promettenti per le applicazioni laser. Si prevede inoltre di sottoporre ad indagini spettroscopiche anche i campioni dopo esservi state inscritte le guide solitoniche per valutare eventuali modifiche alle proprietà di emissione infrarossa.



Il risultato finale del lavoro dei vari gruppi coinvolti sarà quindi quello di ottenere guide d'onda solitoniche scritte sia su materiale bulk che in fibre cristalline per applicazioni elettro-ottiche, in particolare per la realizzazione di un prototipo di laser a 1.5 µm. E' utile sottolineare che la scrittura solitonica di guide d'onda in fibra cristallina offre un notevole contributo per la realizzazione semplice, veloce ed economica di dispositivi in fibra costituita da un core (la guida) ed un cladding (la fibra cristallina) nella direzione di miniaturizzazione dei componenti elettro-ottici e della loro integrazione con la comune tecnologia in fibra ottica.