ITCS20060019A1

ITCS20060019A1 - Filtro elettroottico accordabile e processo di fabbricazione

Info

Publication number: ITCS20060019A1
Application number: IT000019A
Authority: IT
Inventors: Rita Asquini; Romeo Beccherelli; Roberto Caputo; Alessandro Antonio D; Sio Luciano De; Domenico Donisi; Cesare Umeton
Original assignee: Cnr Consiglio Naz Delle Ricerche; Univ Roma La Sapienza; Univ Calabria
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2008075397A3; US20090317032A1; US7925124B2; WO2008075397A2; EP2115174A2; WO2008075397A9

Description

DESCRIZIONE

“FILTRO ELETTROOTTICO ACCORDABILE E PROCESSO DI FABBRICAZIONE”

a nome di

UNIVERSITÀ DELLA CALABRIA Via ponte Bucci 87036 Arcavacata di Rende (CS) UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA "La Sapienza" 00184 ROMA

CNR Piazzale Aldo Moro 7 00185 Roma

Inventori: D’Alessandro Antonio, Beccherelli Romeo, Umeton Cesare, Asquini Rita, Donisi Domenico, De Sio Luciano e Caputo Roberto, tutti di nazionalità italiana;

Mandatario: Ing. Aldo Perrotta C/o LP1 srl Loc. S. Stefano 87036 Rende srl

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Campo della tecnica

L’invenzione concerne un filtro elettroottico accordabile con reticolo a polimero e cristallo liquido e processo di fabbricazione per la realizzazione di un componente optoelettronico a basso consumo di potenza per la commutazione ed il filtraggio di segnali ottici confinati.

Stato dell’arte

Esistono sul mercato filtri ottici accordabili in guida realizzati mediante diverse tecnologie. I filtri ottici più diffusi commercialmente sono i filtri in fibra con cavità Fabry-Perot, i filtri acusto-ottici in niobato di litio, i termoottici basati su interferometri Mach-Zehnder accordabili mediante effetto termoottico su silicio. I filtri ottici basati su cavità Fabry-Perot se da un lato hanno il vantaggio di essere realizzati direttamente in fibra con basse perdite di inserzione, d’altro canto presentano alcuni svantaggi. Uno svantaggio significativo consiste nell’assenza di zeri nella funzione di trasmissione ottica, che provoca diafonia intercanale perché non è possibile sopprimere i canali ottici fuori banda. Un'altra limitazione consiste nella lentezza del meccanismo di accordabilità, basato su effetto piezoelettrico, che presenta tempi di risposta superiore a diversi millisecondi. I filtri acusto-ottici su niobato di litio e i filtri ottici basati su interferometri Mach-Zehnder realizzati mediante tecnologia di ossido di silicio su silicio presentano sia costi realizzativi più elevati che consumi di potenza di gran lunga superiori rispetto a quelli relativi al filtro ottico oggetto del presente brevetto.

Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno chiari dalla descrizione qui appresso di un modo di realizzazione dell'invenzione dato a titolo d'esempio non limitativo dalle figure e dalla descrizione delle rappresentazioni preferite di seguito riportate.

Descrizione sintetica delle figure

Fig. 1: La figura è una rappresentazione schematica del filtro elettroottico accordabile oggetto dell’invenzione in una prima realizzazione preferita.

Fig. 2a: La figura è una schematizzazione della struttura POLICRYPS vista dall’alto con l’orientazione delle molecole di cristallo liquido (a) in assenza di tensione applicata agli elettrodi.

Fig. 2b: La figura è una schematizzazione della struttura POLICRYPS vista dall’alto con l’orientazione delle molecole di cristallo liquido (b) in presenza di tensione applicata agli elettrodi.

Fig. 3: La figura rappresenta un filtro elettroottico accordabile con fibre ottiche accoppiate in ingresso ed in uscita alle guide a canale.

Fig. 4: La figura è una rappresentazione schematica della sezione perpendicolare alla guida a canale del filtro elettroottico accordabile oggetto dell’invenzione in una prima realizzazione preferita.

Fig. 5: La figura è una rappresentazione schematica del filtro elettroottico accordabile oggetto dell’invenzione in una seconda realizzazione preferita. Il tratteggio rappresenta ulteriori elettrodi non esplicitamente raffigurati.

Fig. 6: La figura è una rappresentazione schematica della sezione perpendicolare alla guida a canale del filtro elettroottico accordabile oggetto nella seconda realizzazione preferita.

Fig. 7. La figura è una rappresentazione schematica del filtro elettroottico accordabile oggetto dell’invenzione in una terza realizzazione preferita.

Fig. 8: La figura una rappresentazione schematica nella sezione perpendicolare alla guida a canale del filtro elettroottico accordabile oggetto dell’invenzione in una quinta realizzazione preferita.

Fig. 9: La figura rappresenta la risposta ottica del filtro elettroottico accordabile misurata all’analizzatore di spettro ottico per tensione applicata nulla.

Descrizione di modi di realizzazione dell’invenzione

Prima realizzazione preferita

Con riferimento alla figura 1, il filtro oggetto dell’invenzione consiste in una guida a canale di luce diffusa 1, ottenuta mediante doppio scambio ionico in un supporto costituito da un substrato di vetro borosilicato 2 BK7, sovrastata da un reticolo di fase olografico elettricamente controllabile mediante elettrodi coplanari 3 affiancati alla guida. Il reticolo è costituito da un’alternanza di strisce di cristallo liquido 4 e di polimero 5 ed è pertanto denominato POLICRYPS (POlymer LIquid CRYstal Polymer Slices). Il reticolo riempie un’intercapedine formata dal supporto di vetro borosilicato 2 e da un secondo vetro 6 anch’esso borosilicato BK7.

Il vetro BK7 è un vetro borosilicato con ottime proprietà ottiche, chimiche (resistente ad attacchi acidi) e fisiche. E' noto con questa sigla a livello commerciale presso qualunque industria di vetri. Il nome è un marchio registrato. E' largamente impiegato in ottica per lenti, prismi, cavità laser. Le guide ottiche in BK7 sono particolarmente interessanti in quanto presentano basse perdite (inferiori al dB/cm) e possono essere realizzate con elevata uniformità su larga area mediante un processo tecnologico semplice e a basso costo. La struttura reticolare è ottenuta mediante la tecnica di scrittura descritta nella domanda di brevetto IT-A- TO2003A000530 a partire da un miscela di pre-polimero e cristallo liquido. Il prepolimero è una colla fotosensibile commerciale (NOA 61 della Norland) che polimerizza attraverso esposizione a luce ultravioletta. Il cristallo liquido utilizzato è un cristallo liquido nematico indicato commercialmente con la sigla 5CB. Tuttavia altre miscele costituite da altre combinazioni di prepolimeri fotosensibili e cristalli liquidi possono essere individuate da esperti dell’arte ed impiegati per migliorare le prestazioni del componente. La miscela interposta tra due vetrini, di cui uno contenente la guida di luce, viene esposta ad una figura di interferenza, con periodo opportuno, tra due fasci laser di lunghezza d’onda di 352 nm. Il polimero ed il cristallo liquido sono scelti in modo che l’indice di rifrazione del polimero sia intermedio tra i due indici (ordinario e straordinario) del cristallo liquido che è un materiale otticamente anisotropo. Un fascio di luce confinato nella guida “sente” una modulazione di indice di rifrazione nello strato di POLICRYPS ad essa sovrastante. La modulazione dell’indice di rifrazione nello strato di POLICRYPS produce un’azione di filtraggio ottico per la luce che si propaga in guida. Infatti in base alla legge di Bragg, detto Λ il periodo del reticolo, N l’indice di rifrazione efficace del modo guidato e m un numero intero che rappresenta l’ordine di diffrazione, la luce alla lunghezza d’onda λB= 2NΛ/m viene retroriflessa e non viene trasmessa all’uscita della guida di luce.

L’indice di rifrazione ordinario del cristallo liquido vale per luce polarizzata sostanzialmente perpendicolarmente alle molecole di cristallo liquido, a forma di bastoncini, mentre l’indice straordinario vale per luce polarizzata sostanzialmente lungo l’asse longitudinale (direttore) delle molecole. A riposo le molecole di cristallo liquido 4 si dispongono perpendicolarmente alle strisce di polimero 5 , come mostrato in Figura 2, pertanto la modulazione d’indice di rifrazione del reticolo è la stessa qualunque sia la polarizzazione della luce in ingresso alla guida. In tal modo il filtro ottico opera in modo indipendente dalla polarizzazione. Applicando un campo elettrico per effetto elettroottico le molecole del cristallo liquido subiscono un riorientamento, pertanto la luce che viaggia in guida “sente” una modulazione d’indice del reticolo differente. In tal modo le lunghezze d’onda retroriflesse cambiano al variare della tensione applicata. Il filtro è quindi accordabile e può essere anche spento alla tensione per la quale la riorientazione delle molecole di cristallo liquido è tale per cui l’indice di rifrazione del cristallo liquido uguaglia quello del polimero. Nel caso di riorientazione delle molecole solo la luce polarizzata quasi-TE ovvero lungo la direzione orizzontale x (vedi Fig. 2a e 2b) e perpendicolare alla direzione di propagazione risente della variazione d’indice del cristallo liquido.

Il filtro elettroottico accordabile oggetto della presente invenzione è una soluzione tecnologica compatta per risolvere il problema della selezione di canali di luce che viaggiano in fibra ottica. Inoltre la configurazione del filtro è interfacciabile efficacemente ed efficientemente con fibre ottiche convenzionali, come mostrato in Figura 3, ed è realizzato con tecnologie relativamente semplici, affidabili ripetibili e soprattutto a costi inferiori rispetto allo stato dell’arte. La guida ottica a canale è ottenuta mediante tecnica del doppio scambio ionico, K+/Na+ e Ag+/Na+ in bagno salino fuso. Per ottenere il primo scambio ionico, K+/Na+, il supporto di vetro borosilicato BK7 è immerso in un primo bagno salino di nitrato di potassio ad una temperatura compresa tra 380 °C e 450 °C per 60-90 min. Si ottiene così un leggero innalzamento dell’indice di rifrazione sulla superficie del vetrino. Segue la definizione di una maschera, che può essere ad esempio di alluminio, depositata per evaporazione sottovuoto e definita fotolitograficamente in modo da presentare delle aperture che espongono porzioni della superficie del substrato di BK7 che corrisponderanno ai canali ottici di larghezza di 6-8 µm. Questi ultimi sono ottenuti attraverso un secondo scambio Ag+/ Na+ immergendo il supporto di vetro borosilicato BK7 in un secondo bagno salino costituito da una miscela di nitrato di sodio e nitrato di argento ad una temperatura compresa tra 320 °C e 350 °C per 4,5-6 ore. Grazie alla presenza della maschera di alluminio, il secondo scambio ionico produce un innalzamento dell’indice di rifrazione della superficie del vetro solo in corrispondenza delle aperture definite sulla maschera di alluminio. Attraverso un secondo processo fotolitografico e successiva incisione dell’alluminio esso viene parzialmente rimosso in modo da lasciare elettrodi coplanari per l’applicazione della tensione. Il supporto di vetro borosilicato BK7 viene poi sottoposto a ricottura per 12-24 ore ad una temperatura compresa tra 320 °C e 350 °C pari a quella del secondo scambio per attenuare le perdite ottiche provocate dai colloidi di argento presenti lungo il canale.

Un secondo vetro borosilicato BK7 6 , che funge da coperchio, viene incollato sul supporto di vetro borosilicato contenente la guida ottica in modo da ottenere un’intercapedine di pochi micron mediante l’impiego di opportuni spaziatori. Successivamente la miscela di cristallo liquido e pre-polimero riempie l’intercapedine per la realizzazione del reticolo. Dopo la scrittura del reticolo, già menzionata precedentemente, le estremità del campione vengono lappate e lucidate per consentire l’accoppiamento con le fibre ottiche in ingresso 7 ed in uscita 8 come mostrato in Figura 3. La Figura 4 mostra schematicamente la sezione trasversale del filtro in presenza degli elettrodi 3 e del cristallo liquido 4.

Seconda realizzazione preferita

In una seconda realizzazione preferita, una molteplicità di quaterne di elettrodi 9 viene realizzata al fine di poter applicare in modo indipendente diverse tensioni di controllo in corrispondenza di diverse regioni del reticolo, ognuna caratterizzata da una propria opportuna estensione lungo l'asse di propagazione, come rappresentato in Fig. 5 e in Fig. 6 rappresentante una sezione trasversale che include la quaterna di elettrodi ed il cristallo liquido. Ciò consente di realizzare una molteplicità di zeri nella trasmissione ottica alle lunghezze d’onda λBi= 2NiΛ/m, ove Niè l’indice efficace del modo nella regione i-esima.

Terza realizzazione preferita

In una terza realizzazione preferita si ottiene l’indipendenza dalla polarizzazione del funzionamento della prima realizzazione aggiungendo un secondo stadio del filtro in cui venga applicato un campo elettrico perpendicolare ai substrati, come proposto in US-A-2004/0202398. Ciò è possibile usando una ulteriore quaterna di elettrodi costituita da due elettrodi 10 depositati sulla faccia interna del secondo vetro superiore, che funge da coperchio, ed allineati agli elettrodi 11 sul substrato contenente la guida, come rappresentato in figura 7. Applicando un campo tra gli elettrodi superiori ed inferiori della quaterna le molecole di cristallo liquido tenderanno ad allinearsi lungo il campo e la variazione di indice nel reticolo sarà “percepita” da un fascio di luce polarizzato quasi- TM lungo il campo elettrico applicato. La combinazione del controllo operato dagli elettrodi 3, 10 e 11, consente di realizzare una sostanziale estinzione della trasmissione ad una lunghezza d'onda λBper ogni polarizzazione.

Quarta realizzazione preferita

Combinando opportunamente quanto descritto per la seconda e la terza realizzazione si ottiene una quarta realizzazione preferita in cui si ottiene l’indipendenza dalla polarizzazione per una molteplicità di zeri nella trasmissione ottica.

Questo è ottenuto mediante un maggior numero di elettrodi realizzati sia sul supporto che sulla copertura.

Quinta realizzazione preferita

In una quinta realizzazione si ottiene una migliore simmetria del campo elettrico applicato rispetto alla prima realizzazione mediante il posizionamento degli elettrodi su opportuni spaziatori 12 come rappresentato in Fig. 8 al fine di migliorare l'uniformità del campo elettrico, di aumentare la frazione di molecole che si riorientano e l'entità di detta riorientazione al fine di aumentare l'effetto di modulazione dell'indice di rifrazione efficace per la polarizzazione quasi-TE. Inoltre per un opportuno spessore degli elettrodi si possono ottenere linee di campo che partono direttamente dai bordi verticali degli elettrodi migliorando ulteriormente l’uniformità della riorientazione delle molecole di cristallo liquido.

Ulteriori realizzazioni

Resta inteso che la polarizzazione quasi-TE potrà essere controllata anche da una ulteriore coppia di elettrodi posti sulla copertura e sostanzialmente allineati con gli elettrodi descritti nella prima e terza realizzazione preferita.

Resta inteso che nella configurazione di coppie multiple di elettrodi nella seconda realizzazione preferita(Fig. 5), e di sestuple di elettrodi nella quarta realizzazione (Fig.7) così come di ulteriori varianti ad estensione della quinta realizzazione preferita aventi coppie multiple di elettrodi e non esplicitamente illustrate, in corrispondenza di ogni singola coppia o sestupla di elettrodi i reticoli potranno avere un passo differente, realizzando cosi più efficacemente un filtro a zeri multipli. Resta inoltre intesa la possibilità di realizzare strutture reticolari che consentano di ottimizzare la risposta spettrale del filtro elettroottico accordabile mediante tecniche di apodizzazione e modulazione del periodo del reticolo come nei reticoli di Bragg in fibra ottica. Resta inoltre inteso che gli esperti nell'arte potranno individuare diverse scelte di materiali (pre-polimeri, cristalli liquidi, metalli per maschera, supporto e copertura) e di processo (lunghezze d'onda di polimerizzazione, processo di deposizione della maschera per sputtering invece che per evaporazione). Resta inoltre inteso che per tutte le realizzazioni è previsto l’accoppiamento con le fibre ottiche in ingresso 7 ed in uscita 8 come mostrato in Figura 3.

Esempio di risposta sperimentale

Un campione testato in laboratorio è stato alimentato da una sorgente a banda larga. La sorgente (basata su fibra attiva drogata con erbio) emette segnali nella banda C di trasmissione delle fibre ottiche con lunghezze d’onda tra 1525 e 1575 nm.

Il campione ha funzionato correttamente. Ciò è dimostrato dallo spettro acquisito da un analizzatore di spettro ottico e riportato in Figura 9.

Lo spettro di Figura 9 misurato in uscita ad un filtro di lunghezza 11 mm mostra una soppressione di una banda di circa 2,5 nm attorno alla lunghezza d’onda di 1547 nm. Ciò era stato previsto in fase di progetto per un periodo Λ del reticolo di 2,53 µm. La soppressione è di 20 dB ed è per polarizzazione casuale in ingresso.

Claims

Rivendicazioni 1) Filtro elettroottico accordabile costituito da un supporto in cui è ricavata una guida ottica a canale di luce diffusa in un supporto in vetro preferibilmente di tipo borosilicato, e da una copertura, in vetro preferibilmente anche esso di tipo borosilicato, caratterizzato dal fatto che detto supporto e detta copertura presentano tra loro una intercapedine ottenuta con opportuni spaziatori, che detta intercapedine è riempita con un reticolo costituito da un’alternanza di strisce di polimero e cristallo liquido (POlymer LIquid CRYstal Polymer Slices) POLICRYPS e che almeno una coppia di primi elettrodi, affiancati alla guida ottica a canale, controllano elettricamente il reticolo.
2) Filtro elettroottico accordabile secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che gli elettrodi sono posti nella giacitura del supporto e/o della copertura.
3) Filtro elettroottico accordabile secondo le rivendicazioni 1 o 2 caratterizzato dal fatto che almeno una ulteriore coppia di secondi elettrodi sono realizzati nella giacitura del supporto e della copertura, e preferibilmente coplanari sostanzialmente al vetro complementare a quello dei primi elettrodi per l'applicazione di un campo elettrico perpendicolare ai substrati.
4) Filtro elettroottico accordabile secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che una prima coppia di elettrodi controlla la polarizzazione quasi-TE della luce mediante un campo elettrico avente una componente nella giacitura del supporto e della copertura e sostanzialmente nella direzione perpendicolare alla direzione di propagazione e che una seconda e terza coppia di elettrodi controllano la polarizzazione quasi-TM mediante un campo elettrico avente una componente perpendicolare a detta giacitura e sostanzialmente perpendicolare a detta direzione di propagazione.
5) Filtro elettroottico accordabile secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato da una molteplicità di coppie di elettrodi ove dette coppie di elettrodi controllano indipendentemente sostanzialmente solo la parte di reticolo fra loro compreso.
6) Filtro elettroottico accordabile secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le estremità del supporto contenente la guida ottica sono accoppiate con fibre ottiche in ingresso ed in uscita.
7) Processo per la fabbricazione di un filtro elettroottico accordabile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la guida ottica a canale di luce su supporto di vetro borosilicato si ottiene mediante tecnica del doppio scambio ionico, che un primo scambio ionico, K+/Na+, con supporto di vetro immerso in un primo bagno salino di nitrato di potassio viene effettuato alla temperatura compresa tra 380°C e 450°C per un tempo compreso fra 60 e 90 minuti, che una maschera di metallo, preferibilmente alluminio, viene depositata per evaporazione sottovuoto sul supporto di vetro e definita fotolitograficamente per la determinazione della guida ottica a canale, che un secondo scambio Ag+/ Na+ con immersione del supporto di vetro in un secondo bagno salino costituito da una miscela di nitrato di sodio e nitrato di argento viene effettuato alla temperatura compresa tra 320°C e 350°C per un tempo compreso fra 4.5 e 6 ore, che viene effettuato un secondo processo fotolitografico e successiva incisione del metallo che viene parzialmente rimosso in modo da lasciare elettrodi coplanari per l’applicazione della tensione, che un vetro di copertura, viene incollato sul supporto contenente la guida ottica, che si impiegano opportuni spaziatori in modo da ottenere un’intercapedine di pochi micron, che l’intercapedine viene riempita con miscela di cristallo liquido e pre-polimero per la realizzazione del reticolo, che la miscela di cristallo liquido e pre-polimero viene esposta ad una figura di interferenza, con periodo opportuno, tra due fasci laser di lunghezza d'onda idonea a favorire la polimerizzazione del prepolimero.
8) Processo per la fabbricazione di un filtro elettroottico accordabile secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che le estremità del supporto contenente la guida ottica vengono lappate e lucidate per consentire l’accoppiamento con le fibre ottiche in ingresso ed in uscita.
9) Processo per la fabbricazione di un filtro elettroottico secondo la rivendicazione 7 o 8 caratterizzato dal fatto che i due fasci laser hanno lunghezza d’onda compresa fra i 320 e i 380 nm di e preferibilmente fra i 350 e i 380 nm.