Filtri ottici integrati basati su reticoli di Bragg realizzati su materiale ibrido Sol-Gel

Bragg gratings optical filters can be considered one of the key elements in many integrated optical devices such as wavelength-division multiplexing (WDM), optical fibre sensors, gain-flattening filters and add-drop multiplexers (OADM’s), optical couplers, resonators and modulators. Over the past decade, extensive research has been conducted in order to improve the unconventional fabrication techniques to obtain low-cost optical devices. Several Bragg gratings-based optical devices have been obtained by merging conventional and unconventional fabrication techniques. In my Phd, the device consists of a hybrid titanium (organic/inorganic Sol-Gel material) optical filter for the third’s telecommunication optical windows (1550 nm) based on Bragg gratings loaded channel waveguide. The fabrication of the device is obtained by merging conventional and unconventional technique. The unconventional fabrication technique is the Soft-Litography, a very innovative process based on Replica-molding and UV-nanoimprinting for micro- and nano- fabrication. This process is characterized by low cost and fast processing using relatively inexpensive tools. Starting from sub-micrometric gratings (master) fabricated on Silicon wafer by means of standard Electron Beam Lithography (EBL) a soft mold (stamp) has been produced by replica-molding. Using the stamp, the initial master structures (Bragg gratings) were replicated onto sol-gel photosensitive films by Uv-nanoimprinting. The resulting films underwent a further photolithographic step combined with Reactive Ion Etching (RIE), thus producing a channel waveguide with Bragg gratings on the top. This wavelength filter have been optically characterized by transmission measurements in the range 1450 nm – 1590 nm by a tuneable IR diode laser. The efficiency was about -10 dB and the bandwidth at Full Width Half Maximum (FWHM) 1,7 nm. So, Titanium based wavelength filters, obtained by the merging of conventional photolithography and Soft-Lithography, have been demonstrated. The use of sol-gel technology with S-L methods makes thus possible to produce passive optical devices starting from a hard silicon master. Furthermore, thanks to high versatility of S-L process, a consistent replica of the master optical filter (i.e. channel with Bragg gratings) allows to replicate the pattern (at the nanometric scale) directly on a new sol-gel planar film. The morphological characterization by Atomic force microscopy of the replicated structure (optical filter), shows a good agreement with the Master. In conclusion, this means that we have obtained a simple process, low cost and industrially advantageous, to fabricate nanostructures on Sol-Gel matrix.

Oggi i sistemi di telecomunicazione sono basati sulla trasmissione di segnali luminosi in fibra ottica e il loro sviluppo viene a dipendere dalla capacità di trasdurre, rivelare e controllare il segnale ottico trasmesso nella fibra. La branca della fisica da cui dipende il progresso delle telecomunicazioni in fibra ottica è la fotonica integrata, cioè la fabbricazione e l’integrazione su un comune substrato di componenti ottici capaci di filtrare, modulare e rivelare il segnale ottico. Nell’ultimo decennio, gli ambienti di ricerca in questo campo, si sono interessati alla sintesi di materiali innovativi e allo sviluppo di tecniche d fabbricazione altrettanto innovative, con lo scopo di produrre dispositivi ottici integrati a basso costo e con processi relativamente semplici. In questo lavoro, tale obiettivo è stato raggiunto fabbricando un filtro ottico integrato a reticoli di Bragg (implementazione dei reticoli di Bragg sopra la guida d’onda canale) su materiale ibrido organico/inorganico a base di Titanio, sintetizzato mediante il processo Sol-Gel. Su questo materiale, l’opportuna illuminazione del sistema con radiazione ultravioletta permette la realizzazione di strutture come guide d’onda canale e reticoli di Bragg, elementi ottici alla base della struttura del filtro. Questo dispositivo è stato progettato con lo scopo di filtrare nella terza finestra ottica delle telecomunicazioni a 1550 nm, in modo da ridurre i problemi legati alla dispersione del segnale nella fibra ottica. Per la fabbricazione del filtro, si sono usate la fotolitografia UV per la realizzazione delle guide d’onda canale e la litografia interferenziale laser per la realizzazione dei reticoli di Bragg. Le guide d’onda canale hanno mostrato bassi valori di attenuazione e i reticoli di Bragg una buona uniformità. In questo caso, è stata applicata la tecnica della Soft-Lithography, cioè tali strutture (reticoli) sono state usate come master per produrre uno stampo siliconico (Mold di polidimetilsilossano) per replica-molding. Con tale stampo, le strutture sono state replicate in serie su nuovi film (sempre matrici Ti/TMSPM con Irgacure 184) per ”UV-nanoimprinting”. Il processo ha permesso di ottenere una replica fedele dei reticoli di Bragg presenti sul master ed è stato quindi usato anche nella replica di tutto il dispositivo di filtro ottico. Il master del filtro ottico da cui realizzare il mold di PDMS, è stato sviluppato con un processo in cui sono state combinate le tecniche di “Electron-Beam-Lithography”, fotolitografia UV e “Reactive-Ion-Etching”. Tale processo ha permesso di fabbricare selettivamente i reticoli di Bragg sulla sommità della guida d’onda canale, condizione necessaria per avere un filtro con elevate prestazioni ottiche. La qualità del master del filtro ottico è stata valutata attraverso la misura dell’efficienza di attenuazione, pari a -10 db alla lunghezza d’onda di 1547 nm. Da questo master è stata ottenuta la replica fedele e in serie del filtro ottico. In conclusione, questo dimostra che con la tecnica della Soft-Lithography , abbiamo ottenuto un processo semplice ed economico, quindi industrialmente vantaggioso, per fabbricare nanostrutture su matrici ibride Sol-Gel.