Generazione terza armonica in tecnologia SOI

In the last ten years, silicon photonics has been recognized as a leading technology for the development of integrated optical circuits. Silicon is a stable, strong material with good optical properties. It is transparent to wavelengths for communications and it has a good thermal conductivity for the development of high power devices. In addition, the manufacturing processes of silicon photonic devices have relatively low costs because they ensure high compatibility with CMOS electronic technology. The main manufacturing platforms for silicon photonic components are the SOI (silicon on the insulator) guide, which guarantees a high beam confinement factor for the high refractive index contrast, between the silicon guide, the substrate in Silicon oxide and air. Silicon also offers an abundance of nonlinear effects that can be used to generate and process optical compact chips at higher speeds than those of today's electronic devices. Silicon has a center-symmetric structure, so, the nonlinear effects are of the third order. Among these effects, one in particular that has attracted great interest and has been subject of numerous studies and research in recent years is the "Third Harmonic Generation" (THG). This is a non-linear effect that can be exploited to make wavelength and frequency conversion, light generation, and microscopy. The subject of this thesis work is the generation of THG in a SOI guide realized through the F.E.M. language in order to make a conversion of the wavelength from 3.435 μm to 1.145 μm. After several simulations, the two geometries of the guide that best meet the phase-matching condition are then identified and for them the effective area and output power were calculated.

Negli ultimi dieci anni, la fotonica del silicio si è affermata come principale tecnologia per la realizzazione di circuiti ottici integrati. Il silicio è un materiale stabile, resistente con buone proprietà ottiche. E’ trasparente alle lunghezze d’onda per le comunicazioni ed ha una buona conduzione termica per lo sviluppo di dispositivi alle alte potenze. Inoltre i processi di fabbricazione dei dispositivi fotonici in silicio hanno costi relativamente bassi poiché garantiscono un’elevata compatibilità con la tecnologia elettronica CMOS. Le principali piattaforme di fabbricazione per componenti fotonici in silicio sono le guide SoI (silicon on insulator) che garantisco un alto fattore di confinamento del fascio di luce per il grande contrasto dell’indice di rifrazione, tra la guida in silicio, il substrato in ossido di silicio e l’aria. Il silicio inoltre offre un’ abbondanza di effetti ottici non lineari che possono essere usati per generare ed elaborare segnali ottici in chip compatti a basso costo e a velocità superiori a quelle dei dispositivi elettronici odierni. Avendo una struttura centro-simmetrica, gli effetti non lineari sono del terzo ordine. Tra questi effetti, uno in particolare che ha attratto un grande interesse ed è oggetto di numerosi studi e ricerche negli ultimi anni è la “generazione della terza armonica” (THG). Si tratta di un effetto non lineare che può essere sfruttato per effettuare conversioni della lunghezza d’onda e della frequenza, per la generazione della luce e per la microscopia. Oggetto di questo lavoro di tesi, è la generazione della THG in una guida SoI realizzata mediante F.E.M. allo scopo di effettuare una conversione della lunghezza d’onda da 3.435 μm a 1.145 μm . Dopo varie simulazioni, sono state quindi individuate le due geometria della guida che meglio soddisfano la condizione di phase-matching e per esse sono state calcolate l’area efficace e la potenza d’uscita.