RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di PADOVA - FISICA - PADOVA(PD)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Paolo MAZZOLDI

Descrizione

Il progetto si propone di realizzare amplificatori ottici e sorgenti laser mediante la generazione spaziale di solitoni in cristalli di niobato di litio drogati con erbio e sarà articolato sostanzialmente in tre fasi:
Task.1
Crescita e caratterizzazione di mono cristalli Er:LiNbO3 drogati in volume mediante le tecniche Czochralski (CZ) e Micro Pulling Down.
Task.2
Realizzazione di guide di luce in LiNbO3 drogato mediante la propagazione solitonica.
Task.3
Caratterizzazione dell'amplificazione e dell'emissione laser delle guide di luce solitoniche realizzate su substrati Er:LiNbO3 ed ottimizzazione del processo.

Le attività previste prevedono la forte cooperazione tra i partecipanti il progetto, ciascuno dei quali ha competenze specifiche condivise specialmente nella caratterizzazione del materiale e ottimizzazione del processo. Le eventuali sovrapposizioni saranno ottimizzate a garantire in corso d'opera delle attività strategiche (caratterizzazione spettroscopica e ottica) fornendo un'eventuale supporto nel caso si presentassero problemi di carattere sperimentale agli apparati. A tal fine saranno comunque condotti dei Round Robin test sulle attività comuni per definire un protocollo di misura e analisi dati.

Dal momento che l'Unità di Padova è uno dei pochi laboratori di ricerca in Italia (e in Europa) attrezzato per la crescita Cz di niobato di litio, l'attività di ricerca sarà focalizzata principalmente sulla crescita Cz e caratterizzazione di cristalli di LiNbO3 drogati con erbio (Task.1) che saranno poi substrati per la scrittura solitonica delle guide. Per il raggiungimento degli obiettivi finali del progetto, l'Unità di Padova inoltre fornirà alle altre Unità un supporto sperimentale (tramite le tecniche di caratterizzazione microanalitica, microstrutturale ed ottica) e teorico per lo sviluppo di eventuali modelli per la descrizione dei fenomeni fisici osservati in base ai risultati ottenuti nei Task.2 e Task.3.

Nel seguito si descriverà in dettaglio l'attività di ricerca prevista:
l'Unità di Padova si occuperà in particolare del drogaggio in volume di cristalli di niobato di litio con terre rare (Er) al fine di promuovere la risposta ottica attiva del materiale. Questa attività sarà strutturata in due sottoattività:
Subtask 1.1: crescita e caratterizzazione di cristalli di LiNbO3 drogato con Er mediante la tecnica Cz.
Subtask 1.2: crescita e caratterizzazione di cristalli di LiNbO3 co-drogati con elementi sensitizer mediante la tecnica Cz.

Subtask.1.1
All'interno di questa sottoattività, sarà impiegata la tecnica Cz per la crescita di cristalli di LiNbO3 drogati in volume. La crescita di cristalli di buona qualità è infatti un prerequisito per qualunque applicazione del materiale in ottica dal momento che variazioni composizionali nel rapporto Li/Nb all'interno del materiale influiscono sulle prestazioni e riproducibilità del sistema. La crescita di cristalli di LiNbO3 mediante la tecnica CZ si basa sulla solidificazione da fase liquida all'interfaccia solido-liquido. Si predispone perciò nella camera di crescita un crogiolo di platino con la mistura di polveri di LiNbO3 ultra pure alle quali si aggiunge il drogante nella concentrazione desiderata: tale insieme viene fuso, omogenizzato e portato alla temperatura di crescita Tc. Si dispone un seme cristallino di LiNbO3 (dimensioni tipiche di 4mmx4mmx3cm) su un porta campioni all'interno del forno di crescita. Tale seme viene quindi avvicinato alla superficie del liquido a Tc molto lentamente per evitare elevati gradienti di temperatura. Effettuato il contatto tra seme e liquido, la temperatura viene abbassata sino al raggiungimento della condizione di equilibrio e successivamente si inizia ad allontanare dal liquido il seme che simultaneamente ruota attorno all'asse di crescita (conpensando quindi i moti convettivi che si originano naturalmente all'interno del crogiolo). Vengono quindi impostati i parametri di crescita in modo da ottenere cristalli dal diametro desiderato (nel caso in esame 1 pollice). Raggiunte le dimensioni (altezza) volute, il cristallo che assume perciò una forma a boule viene infine distaccato dalla fase liquida e raffreddato lentamente (con rampe dell'ordine di 20°C/h) sino alla temperatura ambiente. L'intero sistema è mantenuto ad una temperatura controllata attraverso complessi sistemi di retroazione che garantiscono una buona qualità cristallina e uniformità all'interno del cristallo. A tale scopo durante la crescita si mantengono costanti sia la velocità di rotazione che di estrazione del seme monitorando costantemente la velocità di crescita attraverso la variazione di massa del contenuto del crogiolo. Il sistema di feedback impiegato nel presente progetto per controllare tale variazione di massa si basa su uno schema a logica diffusa, saranno tuttavia esplorati altri sistemi di controllo per ottimizzare il risultato finale. Sarà inoltre posta particolare attenzione allo studio della distribuzione del drogante all'interno del cristallo per garantire la massima omogeneità in composizione: a tal fine saranno variati sistematicamente e in modo fine i vari parametri di crescita quali la velocità di tiro (1-12 mm/h) e la velocità di rotazione del seme (5-30 rpm), la direzione di crescita e la concentrazione del drogante (nell'intervallo 0-2 mol.%) per ottenere cristalli omogenei e soprattutto riproducibili. Dopo la crescita, i cristalli saranno sottoposti a poling elettrico ad alta temperatura per renderli a singolo dominio ferroelettrico: questo processo sarà effettuato ad alta temperatura (circa 1100°C) applicando alcuni Volt tra elettrodi di platino depositati sulle facce Z-cut del cristallo. Sarà condotto perciò uno studio sistematico sulle condizioni ottimali di poling al variare dello spessore del campione. I cristalli a singolo dominio ottenuti saranno perciò orientati mediante la tecnica Laue, quindi tagliati e lucidati otticamente in fette delle dimensioni desiderate. Per ottenere densità di dislocazioni paragonabili ai cristalli puri commerciali, saranno effettuati post trattamenti termici ad alta temperatura in atmosfera controllata per ridurre la possibile presenza di centri di colore e stress residui al variare della concentrazione del drogante. Tale attività mira a definire un procollo per la crescita di cristalli di buona qualità: per raggiungere questo obiettivo sarà effettuata una completa caratterizzazione del materiale cresciuto che sarà successivamente impiegato per la scrittura di guide solitoniche presso l'Unità di Roma. L'Unità di Padova intende caratterizzare in modo dettagliato le proprietà composizionali, strutturali ed ottiche di cristalli di niobato di litio cresciuti mediante la tecnica Cz e di fibre preparate dall'Unità di Pisa mediante la tecnica di micropulling down. Data la complementarietà delle Unità coinvolte nel progetto, i cristalli cresciuti mediante la tecnica Cz saranno inoltre inviati ai partner per completare la loro caratterizzazione ottica e spettroscopica. In particolare l'Unità di Padova intende avvalersi delle seguenti tecniche di caratterizzazione:
1) Spettrometria di Massa di Ioni Secondari (SIMS) per investigare la possibile presenza di contaminanti (tipica risoluzione dei ppm) all'interno dei cristalli Er:LiNbO3 sia boules che fibre. Tale tecnica si fonda sull'analisi in massa degli ioni secondari emessi per effetto di sputtering a seguito del bombardamento ionico della superficie del materiale con fasci di energia nell'intervallo 5-15KeV. Qualora si usino elevate sputtering rate, è possibile condurre un'analisi in profondità della distribuzione elementale delle specie: la tipica risoluzione dell'ordine del nm.
2) Diffrazione a raggi X ad alta risoluzione e analisi TEM per studiare le proprietà strutturali del materiale (boules e fibre) e verificare la qualità cristallina (presenza di deformazioni e disordine all'interno del cristallo, determinazione dei parametri reticolari). Sarà inoltre utilizzata la diffrazione Laue per orientare i cristalli.
3) Spettroscopia infrarossa per determinare l'eventuale presenza di gruppi OH e quantificare il contenuto di H. E' noto che le vibrazioni stretch dei gruppi OH fungono da quenching per la radiazione a 1.55μm. La minimizzazione del contenuto di H all'interno del materiale è per ciò fondamentale per ottenere dei substrati drogati con Er con elevate proprietà attive.
4) Caratterizzazione ottica per determinare l'indice di rifrazione del mezzo drogato (sia boules che fibre) al variare della concentrazione di Er. Una volta scritte le guide solitoniche sui substrati Er:LiNbO3 (presso l'Unità di Roma), l'Unità di Padova potrà eventualmente supportare l'Unità di Roma nella misura del profilo di campo del modo propagantesi all'interno della guida solitonica mediante la tecnica Near Field (NF). Essa consiste nella misura della distribuzione spaziale dell'intensità del campo del modo fondamentale inviato all'interno della guida mediante accoppiamento diretto registrando l'immagine in uscita dalla guida con una videocamera dotata di un opportuno obiettivo. Questa tecnica permette di indagare sia guide presso la superficie che guide sepolte e stimare la diminuzione dell'intensità del modo ottico all'interno della guida causata dalle perdite per propagazione.
5) Indagine spettroscopica nel visibile per testare le proprietà attive degli ioni Er incorporati nella matrice, analisi da effettuare ad ogni step della preparazione delle boules e delle fibre (dopo la crescita, i post trattamenti termici e il poling elettrico rispettivamente). Per l'ottimizzazione dell'intero processo di preparazione sarà necessario confrontare tra loro i valori dei tempi di vita, la dipendenza dell'emissione nel visibile dalla concentrazione di Er e perlustrare possibili effetti di quenching e disomogeneità composizionali. Gli spettri di eccitazione ed emissione saranno effettuati mediante l'impiego di uno spettrofluorimetro dotato di una lampada al Xe di 150W e con un sistema di rivelazione operante nell'intervallo 200-900nm (risoluzione tipica 0.3nm). Tale investigazione sarà condotta sia a temperatura ambiente che a 77K. Gli spettri di emissione saranno inoltre ottenuti con eccitazione da laser (in continua mediante un laser ad Ar multiriga a 150mW; in regime impulsato mediante un laser a Dye pompato da un laser ad N2 con impulsi di 150uJ e durata 700ps). La correlazione delle proprietà spettroscopiche ed ottiche mira a investigare il numero di centri attivi all'interno del cristallo e la presenza di siti non radiativi. Sarà inoltre studiato l'eventuale fenomeno di energy transfer da elementi sensitizer, aspetto di rilievo qualora si prenda in considerazione il co-drogaggio di cristalli di niobato di litio con altri elementi oltre l'Er. La caratterizzazione spettroscopica completa nell'infrarosso e la determinazione dei parametri caratteristici di amplificazione e lasing saranno invece effettuate dall'Unità di Pisa.
6) tecnica Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) presso la linea GILDA a ESRF, Grenoble per investigare l'ambiente locale degli ioni Er all'interno della matrice al variare della sua concentrazione e dell'eventuale presenza di co-droganti. Tale indagine mira a determinare la condizione ottimale per le proprietà attive del mezzo e stimare la distanza media cui si dovrebbero trovare gli elementi sensitizer per promuovere il trasferimento di energia verso gli ioni Er.
7) Stima della conducibilità termica del materiale drogato (sia sotto forma di boules che fibre) mediante l'utilizzo di un termoflussimetro commerciale.
Risultati attesi nel Subtask.1.1:
- crescita di monocristalli di niobato di litio drogati con Er con una densità di dislocazioni e una qualità cristallina comparabili con i wafer commerciali. L'Unità di Padova intende preparare almeno 15 cristalli con diversa concentrazione di Er nell'intervallo 0-2 mol.% con particolare attenzione all'intervallo in cui le proprietà attive spettroscopiche si dimostreranno ottimizzate;
- caratterizzazione strutturale, composizionale e ottica delle fibre ottenute dall'Unità di Pisa mediante la tecnica di micropulling down;
- determinazione della migliore concentrazione di Er per la formazione di guide solitoniche;
- determinazione della migliore concentrazione di Er per l'ottimizzazione delle prestazioni di un amplificatore e di un sistema laser a 1.55μm.

Subtask.1.2
Dopo aver ottimizzato la crescita dei cristalli Er:LiNbO3 e aver ottenuto guide attive solitoniche caratterizzandone le proprietà di amplificazione e laser, sarà presa in considerazione la possibilità di codrogare i cristalli Er:LiNbO3 con elementi che fungano da sensitizer, quali metalli nobili o altre terre rare, per aumentare l'efficienza di eccitazione degli ioni Er. E' stato infatti dimostrato che in sistemi vetrosi contententi Er la co-presenza di ioni Yb, Ce o nanostrutture metalliche o di silicio possono aumentare considerevolmente l'emissione a 1.55μm degli ioni Er3+ grazie all'effetto di energy transfer. Per tali ragione sarà effettuata un'indagine sull'effetto di questi sensitizer solo dopo aver ottimizzato il sistema singolo Er:LiNbO3 in cui siano state scritte guide solitoniche e siano state verificate le prestazioni come amplificatore e laser. A tal fine si utilizzerà la tecnica Czocharlski aggiungendo nella fase liquida di partenza altri co-droganti in varie concentrazioni. Si procederà quindi con l'ottimizzazione del processo di crescita (seguito da eventuali post-annealing e poling elettrico) come descritto nel Subtask.1.1, effettuando una caratterizzazione completa del materiale con le tecniche di indagine descritte in precedenza. Saranno inoltre caratterizzate in parallelo le fibre co-drogate ottenute dall'Unità di Pisa, le cui prestazioni saranno perciò confrontate con i cristalli ottenuti per crescita Cz.
Risultati attesi dal Subtask.1.2:
- crescita di cristalli a singolo dominio co-drogati con qualità cristallina e densità di dislocazioni comparabili con i cristalli commerciali. L'Unità di Padova intende crescere almeno 10 cristalli con diversi co-droganti (Yb, Ce, Ag) partendo dalla concentrazione di Er ottimizzata nel Subtask.1.1, con un tuning fine nell'intervallo di concentrazione del co-drogante attorno che si dimostrerà ottimale per quanto riguarda le proprietà attive degli ioni Er;
- caratterizzazione strutturale, composizionale e ottica delle fibre co-drogate ottenute dall'Unità di Pisa mediante la tecnica di micropulling down;
- determinazione della specie co-drogante con prestazioni ottimali e relativa concentrazione per le proprietà di amplificazione e laser.

Risultati finali attesi:
Al termine delle attività previste, l'Unità di ricerca di Padova mira ad ottenere cristalli di LiNbO3 drogati con Er ed eventualmente drogati con altre specie (Yb, Ag, Ce) dalle elevate proprietà ottiche e strutturali che possano fungere da substrati per la successiva scrittura di guide solitoniche con risposta attiva controllata. La qualità finale dei cristalli dovrà perciò esser confrontabile con i cristalli commerciali. L'Unità di Padova supporterà le attività di ricerca condotte dalle altre Unità. Si riportano di seguito gli obiettivi principali suddivisi per anno di attività:
I anno: Crescita e caratterizzazione completa di cristalli di Er:LiNbO3 e determinazione della concentrazione di Er con prestazioni ottimizzate dal punto di vista delle proprietà attive (amplificazione e lasing). Caratterizzazione completa delle fibre Er:LiNbO3 cresciute dall'Unità di Pisa.
II anno: Crescita e caratterizzazione completa di cristalli di Er:LiNbO3 co-drogati con Yb, Ag e Ce e determinazione della specie chimica ottimale e relativa concentrazione dal punto di vista del trasferimento di energia verso gli ioni Er per migliorare l'amplificazione e le proprietà di lasing del sistema complessivo.
Caratterizzazione completa delle fibre di Er:LiNbO3 co-drogate cresciute dall'Unità di Pisa.