Giovedì 5 giugno 2014
Polo scientifico e Tecnologico, Università di Ferrara, Aula 9, ore 11.00-13.30
Parte 1: Ottica non lineare nei cristalli fotonici e "photonic wires".
Lo studio della risposta non lineare della materia alla radiazione elettromagnetica è concomitante
all'apparizione di sorgenti luminose coerenti e brillanti. Infatti, l'osservazione della generazione della
seconda armonica (1961) segue di poco l'invenzione del laser. Nonostante l'invenzione di sorgenti laser
più efficienti, compatte e potenti, e la sintesi di nuovi materiali ottici come il Niobato di Litio con
polarizzazione invertita periodicamente, l'ottica non lineare è rimasta a lungo confinata nei laboratori
per applicazioni quali la spettroscopia, la microscopia e lo sviluppo di sorgenti laser.
Nelle fibre ottiche, l'interazione non lineare può svilupparsi su grandi distanze in modo che anche
moderati livelli di potenza ottica possono produrre effetti importanti. Il regime di propagazione non
lineare in fibra è stato per decenni un dominio di ricerca ricchissimo. Recentemente sono state
realizzate, con "fili" di semiconduttore sottilissimi o cristalli fotonici, guide d'onda che presentano
interazioni non-lineari circa 1 milione di volte più forti di quelle possibili nelle fibre ottiche. Lo studio di
fenomeni nonlineari noti nelle fibre è stato quindi trasposto su queste nuove strutture.
In questo seminario presenterò un panoramica di questi studi, con particolare enfasi sull'interazione a 4
onde (Four Wave Mixing), generazione di seconda armonica, generazione di solitoni, etc.
Rappresentazione artistica [gruppo
prof. C.W. Wong, Columbia U.]
della generazione di un solitone in
un cristallo fotonico. La barca sul
fondo allude alla prima
osservazione di Sir Russell (1834).
Bibliografia
Temporal solitons and pulse compression in photonic crystal waveguides, P. Colman, C. Husko, S. Combrie, I. Sagnes, C. W. Wong
and A. De Rossi, Nature Photonics, vol. 4, 862–868 (2010)
Parte 2: All-optical signal processing using photonic crystal cavities.
All-optical signal processing relates to light controlling light, which happens through nonlinear optical
processes. One possibility to allow this phenomenon is the dependence of the refractive index on the
intensity of the optical radiation, which, when associated to the resonance in an optical cavity, results in
optical bistability, switching and all-optical modulation. The energy efficiency of these effects depends
on the nonlinear response of the material, but, even more, on the effective volume occupied by the
optical field, i.e. the physical size of the resonator.
Photonic crystal cavities are in this respect unique, as in these devices the optical field can be confined
𝜆 3
2𝑛
to a degree close to the diffraction limit [� � ] while preserving the photon lifetime (the Q factor).
Under these conditions, the light-matter interaction is greatly enhanced. We have demonstrated
nonlinear absorption (which is related to nonlinear index change) at power levels in the microwatt range
(continuous wave).
A side effect of pattering semiconductors with nanometre resolution is the large increase of the surface
to volume ratio, which greatly enhance any surface related phenomena. In the case of semiconductors,
this primarily affects the dynamics of free carriers, as their lifetime is reduced by orders of magnitude by
surface recombination. We have demonstrated a very fast nonlinear response in GaAs cavities and
measured a relaxation time of about 6 ps, which is to be compared to the typical lifetime of carriers in
bulk GaAs (100 ps to 1 ns).
In this talk, I'll review the recent results where nonlinear optical cavities made of photonic crystals have
been used to demonstrated energy-efficient and fast all-optical processing.
Time-frequency spectrogram
representing the fast nonlinear
dynamics (6 ps) in a GaAs photonic
crystal cavity.
SEM image of a high-Q PhC cavity
with superimposed the distribution
of the optical field
Bibliografia
Ultrafast all-optical modulation in GaAs photonic crystal cavities, C. Husko, A. De Rossi, S. Combrié, Q. Vy Tran, F. Raineri, and C.W. Wong, Appl. Phys. Lett. 94, 021111 (2009)
GaAs photonic crystal nanocavity with ultrahigh- Q : toward microwatt nonlinearity at 1550nm, S. Combrié, A. de Rossi, Q. N. V.
Tran, and H. Benisty, Opt. Lett., vol. 33, 2008
Alfredo De Rossi è ricercatore a Thales Research and Technology (TRT) dal 2000, presso il centro di
ricerche di Palaiseau, localizzato nella zona sud di Parigi. A. De Rossi si è laureato in Ingegneria
Elettronica all'Università "La Sapienza" di Roma nel 1997, ha effettuato il Dottorato di Ricerca
all'Università “Roma Tre” sotto la supervisione del Prof. G. Assanto ed in collaborazione con il
Laboratoire Central des Recherches (l'attuale TRT). Nel 2013 A. De Rossi a conseguito l'Habilitation à
Diriger les Recherches presso l'Université Paris Sud (Paris XI).
Il settore di maggior interesse per le ricerche di A. De Rossi è quello dell'ottica integrata, con particolare
enfasi sulle applicazioni delle non linearità al trattamento tutto ottico dei segnali. A. De Rossi è stato
coordinatore del progetto europeo COPERNICUS (www.copernicusproject.eu), finalizzato allo sviluppo di
dispositivi ottici basati sulla tecnologia dei Cristalli Fotonici.
Alfredo De Rossi è autore di più di 80 articoli su rivista internazionale con referee e titolare di più di 10
brevetti.