Progettazione e modellizzazione di strutture
ottiche integrate in PDMS e cristallo liquido per
optofluidica e interconnessioni ottiche
Relatore
Prof. Antonio d’Alessandro
Correlatore
Prof.ssa Rita Asquini
Candidato
Luca Civita
Sommario
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Obiettivi
Optofluidica
Interconnessioni ottiche
Guide dielettriche
Cristalli liquidi
Progettazione: ambiente di sviluppo, modelli e
dimensionamento
• Realizzazioni preliminari e caratterizzazione
• Conclusioni
Luca Civita
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Obiettivi
• Progettazione di dispositivi optofluidici per impieghi nel
settore delle telecomunicazioni come ad esempio
accoppiatori ottici
• Realizzazione e caratterizzazione di guide in PDMS con
core cristallo liquido
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Optofluidica
• Scienza che unisce due
specializzazioni come
l’optoelettronica e la
fluidica
per
creare
dispositivi innovativi per
le telecomunicazioni e
la biomedica
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Sommario
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Obiettivi
Optofluidica
Interconnessioni ottiche
Guide dielettriche
Cristalli liquidi
Progettazione: ambiente di sviluppo, modelli e
dimensionamento
• Realizzazioni preliminari e caratterizzazione
• Conclusioni
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Interconnessioni ottiche
• Velocità di trasmissione dei
dati
• Integrazione con tecnologia
su silicio
• Bassi valori di potenza
dissipata
• Mancanza di interferenza
elettromagnetica
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Sommario
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Obiettivi
Optofluidica
Interconnessioni ottiche
Guide dielettriche
Cristalli liquidi
Progettazione: ambiente di sviluppo, modelli e
dimensionamento
• Realizzazioni preliminari e caratterizzazione
• Conclusioni
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Vantaggi delle guide dielettriche in polidimetilsilossano
(PDMS)
• Possibilità di ottenere particolari
geometrie
• Possibilità di utilizzare flussi
microfluidici come core della
guida
• Economicità e facilità di
produzione
• Realizzazione di curve,O-Ring
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Sommario
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Obiettivi
Optofluidica
Interconnessioni ottiche
Guide dielettriche
Cristalli liquidi
Progettazione: ambiente di sviluppo, modelli e
dimensionamento
• Realizzazioni preliminari e caratterizzazione
• Conclusioni
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Composti Organici
•
Composto organico che presenta un ordinamento molecolare che ha le caratteristiche
intermedie sia di un solido cristallino e sia di un liquido
•
I cristalli liquidi si differenziano in termotropici e liotropici
•
I termotropici si dividono in discotici e calamitici a loro volta hanno varie mesofasi
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Ambiente di sviluppo per la progettazione
•
Per la progettazione delle guide è stato utilizzato Comsol
Multiphysics che ha permesso l’analisi di varie geometrie
rettangolari e quadrate per il calcolo dell’indice di rifrazione
•
Interfacciamento tra gli ambienti di sviluppo attraverso script in
Matlab
•
Simulatore di dispositivi ottici BeamPROP
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Sommario
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Obiettivi
Optofluidica
Guide dielettriche
Cristalli liquidi
Progettazione: ambiente di sviluppo, modelli
e dimensionamento
• Realizzazioni preliminari e caratterizzazione
• Conclusioni
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Struttura guidante di partenza
• Non abbiamo film
di allineamento
• Non sono presenti
elettrodi perché la
struttura è
finalizzata ad
avere un controllo
puramente ottico
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Modello orientazionale dei cristalli liquidi
Modello in Comsol:
test(k11*f11+k22*f22+k33*f33-delta_eps*(Ey*n2+Ex*n1)^2-eps_perp*(Ex^2+Ey^2))
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Distribuzione indice di rifrazione del campo elettrico verticale
1.69
1.5
Titolo Presentazione
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Implementazione anisotropa del cristallo liquido
•
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Distribuzione del campo elettrico multimodale
•
•
La guida simulata ha dimensione di 2x2 µm
Il cladding di PDMS ha indice 1,3997
26.1 (V/m)
18.9 (V/m)
2
2
1
1
1
00
y (µm)
2
y (µm)
y (µm)
29.6 (V/m)
0
00
-1
-1
-1
-2
-2
-2
-2
-1 00 1
x (µm)
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2
0.28 (V/m))
-2
-1 00 1
x (µm)
2
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0.28 (V/m))
-2
1
-1 00
x (µm)
2
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0.28 (V/m
Distribuzione del campo elettrico monomodale
•
•
La guida simulata ha dimensione di 2x2 µm
Il cladding di PDMS ha indice 1,5457
1.3 (V/m)
0.9 (V/m)
2
2
1
1
1
00
y (µm)
2
y (µm)
y (µm)
31.3 (V/m)
00
00
-1
-1
-1
-2
-2
-2
-2
-1 00 1
x (µm)
Luca Civita
2
0.28 (V/m))
-2
-1 00 1
x (µm)
2
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0.28 (V/m))
-2
-1 00 1
x (µm)
2
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0.28 (V/m)
Accoppiatore direzionale con sezione quadrata polarizzazione TE
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Accoppiatore direzionale con sezione quadrata polarizzazione TM
•
L’accoppiatore è indipendente dalla polarizzazione
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Sommario
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•
•
•
Obiettivi
Optofluidica
Guide dielettriche
Cristalli liquidi
Progettazione: ambiente di sviluppo, modelli
e dimensionamento
• Realizzazioni preliminari e caratterizzazione
• Conclusioni
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Passaggi realizzativi
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Setup di misurazione
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Risultati sperimentali
•
•
•
Misurazioni della trasmissione luminosa relativa a due guide rettangolari di dimensioni 8x5 µm
ed 15x5 µm
Trasmissione luminosa indipendente dalla polarizzazione
Differenza della potenza in uscita al variare della polarizzazione di soli 0,3 dB, con un valore di
attenuazione di 8 dB/cm
8µm width
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Componenti non lineari al variare della potenza
•
•
Variazione della potenza in ingresso in funzione della potenza in uscita per polarizzazioni TE e
TM
La trasmissione ottica aumenta in maniera lineare per potenza d’ingresso basse, ma superata la
soglia dei 20 mW essa non è più lineare, ciò è dovuto al ri-orientamento ottico che riduce
l’efficienza d’accoppiamento della guida e aumenta il disaccoppiamento tra i modi
8µm width
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Sommario
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Obiettivi
Optofluidica
Guide dielettriche
Cristalli liquidi
Progettazione: ambiente di sviluppo, modelli
e dimensionamento
• Realizzazioni preliminari e caratterizzazione
• Conclusioni
Luca Civita
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Conclusioni
•
Progettazione di guide dielettriche monomodali ottenute con un’ indice
di rifrazione del cladding pari a n=1,5457 e sezione quadrata di 2 µm.
•
Accoppiatori ottici direzionali indipendenti dalla polarizzazione con
distanze di accoppiamento di 2 µm e sezione quadrata di 2 µm.
•
Realizzazioni preliminari di canali CL in PDMS, mostra un
comportamento indipendente dalla polarizzazione con variazioni di
potenza trasmessa inferiori a 0.3 dB.
•
Possibili miglioramenti del modello sviluppato in Comsol attraverso
l’introduzione del modello Montecarlo per lo studio del posizionamento
delle molecole del cristallo liquido all’interno della guida.
•
Realizzazioni di accoppiatori direzionali in corso.
Luca Civita
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Grazie per l’attenzione.
Conclusioni
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