Il vivo interesse per l'optoelettronica nasce dalla continua esigenza di dispositivi per il trasporto, l'elaborazione e la memorizzazione di grosse quantità di dati, a velocità sempre maggiori. Attualmente i segnali luminosi sono largamente utilizzati nelle telecomunicazioni per il trasporto dell'informazione attraverso fibre ottiche, che raggiungono velocità di trasmissione di decine di gigabit/sec, con perdite in intensità di frazioni di dB/Km. La ricerca nel campo dell'Ottica Integrata per la progettazione di componenti ottici in un unico substrato ha portato alla realizzazione di dispositivi passivi come guide di luce, filtri di interferenza, commutatori elettro-ottici, e dispositivi attivi quali modulatori di intensità e di fase, interruttori e amplificatori ottici. Tuttavia, la loro diffusione è oggi ancora limitata dal minor costo e dalla più alta integrazione dei dispositivi a semiconduttore.
L'olografia di volume in materiali fotorefrattivi si inserisce nell'ambito della ricerca di nuove tecnologie per la realizzazione di dispositivi optoelettronici.
Nei cristalli fotorefrattivi, come ad esempio nel niobato di litio, un'illuminazione spaziale disomogenea induce una variazione dell'indice di rifrazione proporzionale all'intensità incidente, che rimane memorizzata nel mezzo anche dopo l'esposizione alla luce. Il danneggiamento fotorefrattivo è il fenomeno alla base della registrazione degli ologrammi.
Altri materiali fotorefrattivi sono, ad esempio, il niobato di potassio, il titanato di bario e il niobato di stronzio e bario, ma il niobato di litio viene preferito per la disponibilità di cristalli di ottima qualità, di relativamente grandi dimensioni, a basso costo. Il niobato di litio è inoltre uno dei più promettenti materiali utilizzati dall'Ottica Integrata: per le sue proprietà elettro-ottiche ed acustico-ottiche
è un ottimo substrato per dispositivi ottici lineari e non lineari.
Le applicazioni più importanti della registrazione di ologrammi in niobato di litio riguardano l'immagazzinamento di dati. Le memorie olografiche sono caratterizzate da alte capacità (terabyte/cm3) e velocità di trasferimento (gigabit/sec) e basso tempo di accesso (10mm). L'olografia di volume rappresenta perciò un'attraente alternativa alle attuali tecnologie per la produzione di memorie.
Tra i più semplici dispositivi realizzabili con tecniche olografiche, i filtri di interferenza a strettissima banda trovano diverse applicazioni. Facendo incidere su un materiale fotorefrattivo due onde piane monocromatiche, si possono registrare reticoli di interferenza di Bragg. Un'onda piana incidente è diffratta dal reticolo registrato solo se soddisfa le condizioni di interferenza costruttiva, e l'ologramma funziona da monocromatore. La larghezza di banda raggiunta per filtri in niobato di litio è di decimi di nanometro, con una reflettività del 95%.
Per utilizzare l'olografia in dispositivi ottici integrati, è necessario studiare le proprietà fotorefrattive di componenti ottici che permettano di confinare un segnale luminoso al proprio interno, ossia delle guide di luce. A tal fine in questa tesi è stato condotto un lavoro di caratterizzazione di guide di luce su niobato di litio, realizzate per diffusione termica di solo ferro, ed è stata studiata la codiffusione di ferro e titanio, il drogante attualmente più utilizzato per la realizzazione di guide di luce.
Si sono misurati i profili di concentrazione di ferro e titanio attraverso l'analisi composizionale SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), da cui si sono ricavati i coefficienti di diffusione dei due droganti. Sono stati caratterizzati otticamente i campioni che presentano modi di propagazione guidata attraverso misure m-lines e dark-lines; i profili d'indice di rifrazione delle guide di luce sono stati ricostruiti con i metodi di Chiang e White-Heidrich e sono stati correlati ai profili di concentrazione del ferro. Le zone sottoposte a diffusione sono state caratterizzate strutturalmente da misure HRXRD (Hight Resolution X-Ray Diffraction) e da misure di spettroscopia infrarossa e Raman. L'aumento della sensibilità fotorefrattiva indotto dal drogaggio con ferro è stato stimato da misure di danneggiamento fotorefrattivo.
Lo studio condotto sui parametri di diffusione dei droganti e la caratterizzazione ottica, strutturale e fotorefrattiva delle zone sottoposte a diffusione sono quindi volte all'ottimizzazione dei dispositivi olografici su cristalli di niobato di litio.
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