Fabbricazione delle guide ottiche in LN

1. Guide d’onda a scambio protonico in cristalli ferroelettrici con domini ingegnerizzati superficialmente

2. Fabbricazione delle guide ottiche in LN • In-diffusion di Ti • Scambio protonico • Scambio protonico inverso • In-diffusion di Zn • Out-diffusion di Li2O • Scrittura diretta con laser UV • Etching reattivo o “ion milling” di guide a cresta • … 80 mm

3. 8 6 4 no * 103 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 Prof. [m] In-diffusione di Titanio Tracciamento della geometria Photoresist Deposizione di Ti Film di Ti Diffusione in Guida (4-12 ore @ 1000-1050 °C) Liftoff (Da P. Bravetti)

4. 1 T=300 °C t =1 ÷ 100 h L i N b O 3 A B + B L 2 Scambio Protonico Acido Benzoico (BA) + Benzoato di Litio (LB) Campione con maschera in SiO2 Contrasto d’indice Tecnica della provetta sigillata width depth

5. Li+ H+ H O Nb O H O Nb O Scambio Protonico: sostituzione Li+ con H+ Aumenta ne e diminuisce no

6.  m] LiNbO3 KNO3 + NaNO3 + LiNO3 Depth 0 2 4 6 8 2 1  n o RPE-TE (Strato Guidante a barriera) APE Scambio Protonico Inverso … poiché con il PE no diminuisce, con uno “scambio inverso” fra Li+ e H+ (in una miscela di nitrati), si può creare uno strato superficiale “a barriera” guidante –questa volta– modi TE Profili d’indice no T=350 °C t =10 ÷ 100 h - 0.03 RPE H+ Li+ + APE

7. Ottica integrata nonlineare • Necessità di emissione in range di l non coperti • Esigenza di sorgenti ampiamente accordabili • Elevata densità di potenza in guida Mezzi Non-Lineari P = ε0χ(1)E+ε0 [χ(2)E2+ χ(3)E3+…] = PL + PNL Effetti del secondo ordine PNL= ε0 χ(2)E2 • DFG – Difference Frequency Generation • SFG – Sum Frequency Generation • SHG – Second Harmonic Generation • OPO – Optical Parametric Oscillation • OPA – Optical Parametric Amplification

8. Indice di rifrazione l1 l2 Lunghezza d’onda “Phase-matching” in guida • Sfruttando la Birifrangenza • Per quasi-phase-matching (QPM) Noi possiamo far viaggiare luce di due differenti colori con la stessa velocità, se le polarizzazioni sono scelte in modo che la dispersione cromatica compensi lo scarto fra le velocità di fase dell’onda ordinaria e quella straordinaria

9. Periodic poling per QPM Se applichiamo un campo elettrico in direzione Z che sia maggiore del campo coercitivo Ec del LN (21 kV/mm) e possibile invertire il segno della polarizzazione ferroelettrica Litio Ossigeno Niobio A segni opposti nel termine di polarizzazione P corrispondono segni opposti del tensore nonlineare anti-simmetrico quadratico: In un processo nonlineare si può dunque compensare il disaccordo di fase dovuto alla dispersione invertendo periodicamente il segno della polarizzazione.

10. V t + - SPP-LN • LiNbO3 taglio z • Maschera isolante periodica - litografia UV per contatto - esposizione olografica • Elettrodi di gel conduttivo • Impulso di alta tensione •  E > Campo coercitivo (21 kV/mm)

11. Cinetica del processo di Surface Poling Photoresist 1 3 2 conducting gel Propagazione delle punte Terminazione delle punte sulla faccia opposta Nucleazione 4 5 Bulk poling Q > 2 A Ps Ps= 78 mC/cm2 Coalescenza dei domini Spostamento dei domini in direzione trasversa Surface poling First report: A.C.Busacca, et al., Appl.Phys. Lett. 81 pp 4946-4948 (2002)

12. Pompa w 2w Seconda armonica “Phase-matching” in guida • Sfruttando la Birifrangenza • Per quasi-phase-matching (QPM) L w 2w w dove L richiesto è pari a:

13. Risultati sperimentali • = 2 mm analisi con FIB (Focused Ion Beam) L = 3 mm (Top view) • Mark to space ratio 50:50 • La profondità dei domini è dell’ordine delle centinaia di nanometri

14. Misure di SHG con sorgente impulsataa picosecondi PFF=2kW , T=20°C Caratteristiche campione Lunghezza 1 cm Larghezza guide 1 – 7 mm Periodo SPP 16.8 mm lQPM = 1540.6 nm h = 1.62 % L = 1 cm FWHM = 1 nm I reticoli hanno buona uniformità in quanto contribuiscono alla generazione su tutta la lunghezza

15. Misure di QPM nell’Ultravioletto • - SPPLN lungo 2 cm • - Scambio protonico in fase a • Durata scambio: 2 giorni @ 300 °C • Perdite di Fresnel: 14 % Pompa e 16 % SH • Sorgente di pompa accordabile: CW Ti:Sapphire Laser • Temperatura per misure di QPM: 250 °C • - Risonanza QPM @ 389.5 nm Risposta del fotodiodo vs. Potenza di pompa Efficienza di conversione vs. lunghezza d’onda