New Photonic devices based on NLO(non-linear optical) crystalline waveguides

Abstract

El RbTiOPO4 és un cristall de òptica no lineal amb alts coeficients electró-òptics i un llindar de dany òptic elevat, això el converteix en un material potencial per aplicacions electro-òptiques. Actualment hi ha un interès en el desenvolupament de components òptics basats en materials dielèctrics, identificat com un tema de recerca punter per Europa Horitzó 2020. La finalitat d’aquesta tesis és explorar el RTP com a plataforma dielèctrica per dispositius fotònics, que tenen aplicacions en les telecomunicacions i en el sensat biològic. En aquesta tesis s’han crescut materials monocristal•lins en volum de RTP, K:RTP i Na:KTP pel mètode de Top seeded solution growth. Els cristalls obtinguts són òptims per ser utilitzats com a plataforma per fabricar guies d’ona i com a substrats pel creixement de capes epitaxials. Capes epitaxials de (Yb,Nb):RTP sobre RTP(001), RTP sobre K:RTP(001) i K.:RTP(100), i KTP sobre Na:KTP(001) s’han crescut per la metodologia de liquid phase epitaxy. Aquesta metodologia ha permès obtenir capes monocristal•lines amb una interfase d’alta qualitat cristal•lina La fabricació de guies d’ona ha esta realitzada per RIE i ICP-RIE. Es reporta en aquesta tesis, un avanç en el coneixement del procés de etching del RTP. El mètode d’intercanvi iònic, amb Cs+ com ió, s’ha utilitzat per produir guies rectes, corbes i MZ. Degut a l’alta conductivitat iònica del RTP al llarg de la direcció c cristal•logràfica, l’ intercanvi iònic és altament factible i gairebé unidireccional. S’ha obtingut exitosament el procés de guiat de llum en totes les guies d’ona fabricades. Pels Y-splitters i els MZ fabricats sobre els cristalls RTP/(Yb,Nb):RTP/RTP(001) estructurats amb RIE sobre la capa activa o bé el substrat, la guia obtinguda és monomode amb polarització TM a 1550 nm. Les pèrdues de propagació són de 3.5 dB/cm. Per les guies d’ona rectes fabricades sobre RTP/(Yb,Nb):RTP/RTP(001) per estructuració del recobriment per ICP-RIE, les pèrdues de propagació són 0.376 dB/cm a 1550 nm.

El RbTiOPO4 es un cristal de óptica no-lineal con altos coeficientes electro ópticos y un límite de daño óptico elevado, eso lo convierte en una potencial material para aplicaciones electrópticas. Actualmente existe un gran interés en el desarrollo de componentes ópticos basados en materiales dieléctricos, esto ha sido identificado como un tema puntero de investigación por Europa Horizonte 2020. La finalidad de esta tesis es explorar el RTP cómo plataforma dieléctrica para dispositivos fotónicos, que tienen aplicaciones en les telecomunicaciones y en el sensado biológico. En esta tesis, se han crecido materiales monocristalinos en volumen de RTP, K:RTP y Na:KTP por el método de Top seeded solution growth. Los cristales crecidos son óptimos para ser utilizados como plataforma para fabricar guías de onda y como sustratos para el crecimiento de capas epitaxiales. Capas epitaxiales de (Yb,Nb):RTP sobre RTP(001), RTP sobre K:RTP(001) yK.:RTP(100), i KTP sobre Na:KTP(001) se han crecido mediante la metodología de liquid phase epitaxy. Esta metodología ha permitido obtener capes monocristalinas con una interfase de alta calidad cristalina. La fabricación de guías de onda se ha hecho por RIE y ICP-RIE: Se reporta en esta tesis un avance en el conocimiento del proceso de etching en el RTP. El método de intercambio iónico, con Cs+ como ion, se ha utilizado para producir guías de onda rectas, curvas y MZ. Debido a la alta conductividad iónica del RTP a lo largo de la dirección c cristalográfica, el intercambio iónico es altamente factible y casi unidireccional. Se ha obtenido el guiado con éxito en todas las guías de onda fabricadas. En los Y-Splitters y MZ fabricados sobre los cristales RTP/(Yb,Nb):RTP/RTP(001) estructurados con RIE sobre la capa activa o bien el sustrato, la guía obtenida es monomodo con la polarización TM a 1550 nm. Las pérdidas de propagación son de 3.5 dB/cm. Para las guías de onda rectes fabricadas sobre RTP/(Yb,Nb):RTP/RTP(001) por estructuración del recubrimiento por ICP-RIE, las pérdidas por propagación son de 0.376 dB/cm a 1550 nm.

RbTiOPO4 is a non-linear optical crystal with high electro-optic coefficients and high optical damage threshold, which makes it suitable for electro-optic applications. There’s a current interest in developing dielectric based photonic components for integrated optics, identified as a topic of research by the Europe Horizon 2020. The aim of this thesis is to explore RTP for dielectric based photonic platforms, which have applications in telecommunications and biosensing. In this thesis is reported the successful grow of bulk single crystals of RTP, K:RTP and Na:RTP by Top Seeded Solution Growth technique. The crystals obtained are suitable to be used as platforms to fabricate optical waveguides and for substrates for growth of epitaxial layers. Epitaxial layers of (Yb,Nb):RTP were grown on RTP(001), RTP was grown on K:RTP(001) and K:RTP(100) and KTP was grown on Na:KTP(001) by Liquid phase epitaxy. This methodology allows obtaining a single crystalline layer, with high quality crystalline interface. Waveguide fabrication was performed by RIE and ICP-RIE. Advancement in this etching process on RTP is reported in this thesis. Cs+ ion exchange method was used to produce straight, bends and MZ waveguides. Due to the RTP high ionic conductivity along the c crystallographic direction, ion exchange is highly feasible and almost unidirectional. Waveguiding of the fabricated channel waveguides has been successful. For the Y-Splitter and MZ waveguides fabricated on the RTP/(Yb,Nb):RTP/RTP(001) crystals, by structuring the active layer or the substrate by RIE, the waveguides obtained were single mode in TM polarization at 1550 nm. The propagation loss was 3.5 dB/cm. For straight waveguides fabricated on the RTP/(Yb,Nb):RTP/RTP(001), by structuring the cladding by ICP-RIE, the propagation losses were 0.376 dB/cm at 1550 nm. The waveguides fabricated by Cs+ ion exchange have larger losses due to inhomogeneity on the Cs exchange among different ferroelectric domains present in the structure.