ITFI20070282A1 - Amplificatore ottico di segnale o laser a guida d'onda integrato con core drogato con un elemento sensibilizzatore e ioni stimolabili di terre rare e relativo metodo di pompaggio ottico - Google Patents

Description

Ambito dell’ invenzione

La presente invenzione riguarda in generale un amplificatore o un laser a guida d’onda integrato utilizzando materiali di substrato idonei alla definizione negli stessi di strutture planari, con nucleo (o core secondo una più usata dizione inglese) a base di un ossido dielettrico di silicio (ad esempio silice) drogato con ioni di almeno una terra rara soggetti a transizioni interne da stati metastabili di vita media sufficientemente lunga e quindi stimolabili e sfruttabili come transizioni laser e nel quale è presente almeno un elemento di sensibilizzazione con elevata capacità di assorbimento di energia luminosa nella banda di lunghezza d’onda della luce di pompaggio e di cederla agli ioni stimolabili di terra rara. In particolare l'invenzione si riferisce ad un amplificatore a guida d'onda o un laser che possono essere pompati in modo efficiente da sorgenti di basso costo come i LED a banda larga ed elevata potenza o da diodi laser multimodo a larga area ed alta potenza. L’invenzione riguarda inoltre un metodo di pompaggio ottico di un siffatto amplificatore.

Stato della tecnica

Tra le terre rare (Erbio, Tullio, Praseodimio, Itterbio e Neodimio) che sono più comunemente introdotte come soluto nella matrice dielettrica che rappresenta il solvente solido, l’Erbio, in forma ionica Er<3+>, presenta una transizione interna stimolabile che genera emissione intorno a 1550 nm ed è diffusamente sfruttata come transizione laser particolarmente utile nel campo della trasmissione di segnali. Infatti sono stati prodotti sia laser che amplificatori in fibra ottica sfruttando tale transizione in banda ottica. Normalmente in questi sistemi l’eccitazione dello ione Er<3+>è ottenuta mediante assorbimento diretto da parte dello stesso ione di una radiazione laser finemente accordata ad una certa transizione interna dello ione.

E’ stato anche proposto un co-drogaggio della silice con ioni di Itterbio e di Erbio o altra terra rara, avendo constatato che l eccitazione degli ioni di cui si sfrutta la relativa emissione stimolata (ioni eccitabili e stimolabili a produrre fotoni) come ad esempio l Erbio, può essere ottenuta con maggiore efficienza in presenza di ioni di Itterbio che offrono una grande capacità di assorbimento di energia luminosa di pompaggio, specificamente nella banda 900-1000 nm, e sono in grado di cederla ad un vicino ione di Erbio attraverso un fenomeno di "cross-relaxation”. In questo modo si può aumentare sensibilmente il guadagno del dispositivo. Lo schema dei rispettivi livelli energetici degli ioni di Yb e di Er e la peculiare interazione sono illustrati in Figura 1.

Gli ioni di Itterbio (Yb) assorbono efficacemente fra 900 nm e 1000 nm e a tali lunghezze d’onda sono commercialmente disponibili laser multimodo a larga area, cosiddetti “broad area” secondo una più usata dizione inglese, potenti e di basso costo. Gli ioni Yb<3+>vengono eccitati dal livello a al livello b e si diseccitano al livello a trasferendo energia agli ioni Er<3+>nel livello 1 che vengono così elevati al livello 3. Dal livello 3 gli ioni Er<3+>decadono rapidamente ed in modo non radiativo al livello 2, dal quale si può avere emissione stimolata e quindi amplificazione di segnali intorno a 1550 nm.

Il fenomeno detto di “cross-relaxation” attraverso il quale si ha trasferimento di energia da Yb a Er è rappresentato dal parametro Ccrin Fig. 1.

II parametro di interazione fra ioni Er<3+>vicini, detto up-conversion e rappresentato dal parametro Cupin Fig. 1, rappresenta fenomeni indesiderati di interazione fra ioni Er<3+>, detti processi di “up-conversion” che tendono a ridurre l’efficienza di amplificazione a concentrazioni elevate di Er nel dielettrico.

Recentemente silice o materiali a base di silice drogata con terre rare sono stati largamente usati per realizzare amplificatori a fibra ottica o a guida d’onda [E.

Desurvire, Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Principles and Applications , New York: Wiley, 1994; Y. C. Yan et al., Erbium-doped phosphate glass waveguide on Silicon with 4.1 dB/cm gain at 1.535 m, Appi. Phys. Lett. 71 (20), 17 November 1997], In questi amplificatori gli ioni dopanti di terre rare sono tipicamente direttamente eccitati da radiazione di pompa a lunghezze d’onda caratterizzate da bassa sezione d’urto di assorbimento (dell’ordine di 10<'25>m<2>) oltre che di banda di assorbimento relativamente stretta. Inoltre le strutture guidanti utilizzate richiedono pompaggio longitudinale mediante costosi laser di pompa monomodali, accoppiati longitudinalmente alla fìbra/guida d’onda secondo tecniche, cosiddette, di end firing. Allo scopo di evitare l’uso di costosi laser di pompa, sono state utilizzate fibre a doppio mantello (o “cladding” secondo una più usata dizione inglese) [F. Di Pasquale et al., 23 dBm output power Er/Yb co-doped fiber amplifier far WDM signals in thè 1575-1605 nm wavelength region, Optical Fiber Communication Conference, 1999] in cui la luce di pompaggio prodotta da un laser a grande area di emissione ed elevata potenza, relativamente poco costoso, è guidata longitudinalmente da riflessione interna totale all’interfaccia tra i due mantelli interno e esterno, così da pompare il nucleo della fibra ottica monomodale, drogata con terre rare. Questo approccio riduce il costo del pompaggio, ma è una tecnica più diffìcilmente applicabile per una struttura integrata. Infatti, nel caso di amplificatori integrati a guida d’onda (lunghezza dell’ordine di pochi centimetri) la relativamente bassa sezione d’urto di assorbimento della luce di pompaggio nella silice drogata mediante comuni tecniche di crescita/deposizione del dielettrico (ad esempio silice) in presenza di composti dissociabili contenenti terre rare, (gli ioni di terre rare vengono incorporati nella matrice di materiale dielettrico in fase di crescita o deposizione da fase vapore secondo i limiti di solvibilità), potrebbe non consentire di ottenere un sufficiente guadagno per unità di lunghezza.

Peraltro, è noto che quando il silicio è strutturato in dimensioni nanometriche (1-5 nm in diametro) le sue proprietà elettroniche cambiano. In particolare, la soglia di assorbimento del silicio nanodimensionale si sposta verso le alte energie e l efficienza di emissione cresce di parecchi ordini di grandezza rispetto al silicio cristallino. Controllando i parametri del processo di fabbricazione del silicio nanostrutturato, si possono variare le dimensioni dello stesso e il suo grado di cri stallini tà. Si è soliti parlare di nanocluster quando il silicio nanostrutturato non è cristallino, mentre si parla di nanocristalli quando è cristallino. Questo materiale è stato prodotto per la prima volta agli inizi degli anni ’ 90 e da allora è oggetto di grande interesse.

Verso la metà degli anni ’90 fu dimostrato che associando allo ione Er<3+>nanocluster o nanocristalli di silicio appositamente formati nella matrice vetrosa di silice, è possibile ottenere un’eccitazione dello ione attraverso un processo indiretto che coinvolge riassorbimento della radiazione da parte dei nanocluster o nanocristalli e quindi il trasferimento dell’ eccitazione dal nanocluster-nanocri stallo allo ione. Questa eccitazione indiretta dello ione Er<3+>è maggiore quando si associano allo ione stimolabile di terra rara nanocluster di silicio invece che nanocristalli. I nanocluster di silicio agiscono quindi come sensibilizzatori per gli ioni Er<3+>.

Lo schema dei rispettivi livelli energetici dei nanoclusters di silicio Si-NC e degli ioni di Er e la peculiare interazione sono illustrati in Figura 2.

I nanocluster di silicio (Si-NC) sono eccitati dal livello a al livello b mediante assorbimento di fotoni di pompa la cui energia corrisponda al salto energetico fra i due livelli a e b (Si-NC sono caratterizzati da spettro di assorbimento molto largo e quindi possono essere pompati efficacemente fra 400 nm e 700 nm). Si-NC al livello b decadono al livello a trasferendo energia agli ioni Er<3+>nel livello 1 che di conseguenza vengono eccitati ad un livello superiore dal quale decadono spontaneamente ed in modo non radiativo al livello 2 (detto metastabile, con tempo di vita lungo). Ioni Er<3+>nel livello 2 possono dare luogo ad amplificazione ottica di fotoni di segnale a lunghezze d’onda corrispondenti al salto energetico fra il livello 2 e il livello 1 degli ioni Er<3+>(fotoni di segnale inducono emissione stimolata con transizione elettronica dal livello 2 al livello 1 ed emissione di fotoni in fase con quelli incidenti).

In particolare, nel caso della silice (Si02), il sistema ione Er - nanocluster presenta dei notevoli vantaggi rispetto al sistema ione Er isolato:

• Γ efficienza dell’ eccitazione indiretta dello ione Er<3+>è ordini di grandezza più alta rispetto all’eccitazione diretta dello ione stesso grazie alla più alta sezione efficace di assorbimento dei nanocluster rispetto agli ioni Er<3+>;

• la banda di assorbimento dei nanocluster è estremamente larga, il che rende molto più semplice ed economico il sistema di eccitazione che non deve essere più finemente sintonizzato su transizioni atomiche interne dello ione Er<3+>. Invece che laser costosi si possono usare i più economici LED o potenti ed economici laser broad area disponibili commercialmente per esempio a 660 nm, oltre che a 800 nm e fra 900 e 1000 nm;

• i nanocluster conducono corrente elettrica e quindi aprono la possibilità di realizzare un sistema di pompaggio elettrico dello ione Er;

• i nanocluster aumentano localmente l’indice di rifrazione, cosa che rende possibile la realizzazione di strutture ottiche guidanti la luce.

Nel caso di co-drogaggio di un core di silice attivato con nanocluster di silicio e terre rare, quali ad esempio ioni Er<3+>atti a fornire un guadagno alla lunghezza d’onda di circa 1.55 μm, la radiazione di pompa nel visibile viene assorbita dai nanocluster di silicio e attraverso un meccanismo di scambio energetico (quale ricombinazione elettrone-lacuna o accoppiamento dipolo-dipolo) eccita le terre rare [M. Fujii et al., 1.54 μm photoluminescence of Er<3+>doped into Si02films containing Si nanocrystals: Evidence far energy transfer from Si nanocrystals to Er<3+>, Applied Physics Lettere, September 1, 1997, Volume 71, Issue 9, pp. 1198-1200; N. Daldosso et al., Absorption cross section and signal enhancement in Er-doped Si nanocluster ribloaded waveguides, Appi. Phys. Lett. 86, 261103 (2005)]. Poiché la sezione efficace di assorbimento dei nanocluster di silicio (dell’ordine di 10<-21>m<2>a una lunghezza d’onda di 470 nm) è approssimativamente quattro ordini di grandezza maggiore rispetto a quella degli ioni di terre rare (che presentano una sezione di assorbimento dell’ordine di 10<-25>m<2>a una lunghezza d’onda di 1532 nm), la radiazione di pompa è fortemente assorbita rendendo praticamente inattuabile il pompaggio longitudinale del core monomodale (con una concentrazione tipica di nanocluster di silicio pari a 10<25>m<'3>, l’estensione longitudinale o lunghezza di assorbimento risulta infatti dell’ordine del centinaio di μm) [C. Dufour et. al., Propagation in erbium and Silicon codoped silica slab waveguides : analysis of gain, J. Phys.: Condens. Matter 16, (2004) 6627-6638],

Per ovviare a questo inconveniente, sono stati proposti [Jung H. Shin et al., Si Nanocluster Sensitization of Er-Doped Silica far Optical Amplet Using Top-Pumping Visible LEDs , IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Voi. 12, No.

4, Juy/August 2006.] schemi di pompaggio dall’alto, usando sorgenti luminose a larga banda e basso prezzo quali i LED. Contrariamente agli schemi end firing in cui quasi tutta la luce emessa da una sorgente di pompaggio può essere efficacemente accoppiata alla guida d’onda attraverso una fibra ottica, secondo questi approcci, la maggior parte della radiazione di pompa da tali sorgenti luminose a larga banda, di basso costo, è persa nel focalizzarla sulla guida d’onda attiva. Benché siano state studiate numerose tecniche per focalizzare la luce di pompaggio emessa dall’alto sulla guida attiva [US Patent 7,075,708 B2, Jul. 11, 2006, Top pumped waveguide amplifier; PCT WO 2004/066346 A2, 5 August 2004, Doped semiconductor nanocrystal layers, doped semiconductor powders and photonic devices exploiting such layers or powders], a causa della grande dimensione dello spot del fascio di sorgenti di luce LED a banda larga (dell’ordine di 1 mm) e della relativa piccolezza delle dimensioni del core (di pochi pm), la maggior parte della radiazione di pompa va persa. Inoltre, a causa della limitata profondità (spessore) del core attivo della guida d’onda (tipicamente di circa 1 pm per assicurare condizioni di funzionamento monomodale alle lunghezze d’onda del segnale), non tutta la radiazione di pompa focalizzata sul core attivo della guida d’onda integrata verrà assorbita dal materiale di cui è composto.

Nel brevetto US 7,075,708 vengono descritte varie strutture per pompaggio dall’alto mediante uno schieramento di LED. Per superare le difficoltà di focalizzazione della luce emessa dai LED sulla guida attiva, vengono impiegate lenti integrate e riflettori della luce di pompa, in svariate configurazioni. La principale difficoltà tecnica di tale approccio è la scarsa efficienza del pompaggio dall’alto con LED; benché siano utilizzate lenti e riflettori, questa tecnica non consente di sfruttare efficacemente la radiazione di pompa generata. La superficie di emissione del LED (circa 1 mm) è infatti molto ampia rispetto alle dimensioni trasversali (larghezza) del core attivo della guida (pochi micron) e di conseguenza la maggior parte della potenza di pompaggio a causa dei limiti di focalizzazione sulla zona attiva è sprecata. In pratica con LED commerciali, la densità di potenza massima ottenibile sulla zona attiva della guida resta inferiore a 20-30 W/cm<2>.

Allo stato attuale dell'arte, resta irrisolto o trova insoddisfacenti risposte il problema di coniugare l’esigenza di utilizzare una sorgente di radiazione di pompa di costo basso ed alta potenza senza richiedere complesse strutture di focalizzazione per realizzare amplificatori a guida d'onda o laser integrabili su chip di silicio (o altro materiale di supporto come lo stesso vetro a base di silice processabile con le stesse tecniche di fabbricazione di microstrutture integrate) e con il conseguimento di un elevato livello di efficienza in termini di requisiti di potenza luminosa di pompa.

Queste difficoltà sono, come si è visto, dovute alla scala dimensionale di tali strutture integrate. La limitazione alla loro estensione longitudinale a pochi centimetri imposta dalla integrabilità su chip di silicio o di vetro a base di silice è peraltro resa possibile in termini funzionali da un co-drogaggio dell'ossido di silicio (silice) del core della guida d'onda con nanocluster di silicio assieme a ioni eccitabili di terre rare, per assicurare attraverso un meccanismo di assorbimento della radiazione pompa da parte dei nanocluster di silicio e conseguente eccitazione degli ioni di terre rare, un adeguato guadagno per unità di lunghezza della guida d'onda integrata. Queste peculiarità hanno fino ad oggi reso elusiva una efficace soluzione al problema di assicurare un efficiente trasferimento di radiazione di pompa da sorgenti incoerenti quali LED o da laser broad area al core della guida d'onda per l'intera estensione longitudinale della stessa.

Scopi e sintesi dell’ invenzione

Lo scopo della presente invenzione è fornire un’efficace soluzione al problema di assicurare un efficiente trasferimento di radiazione di pompa da sorgenti incoerenti quali LED o da laser broad area a basso costo ed alta potenza al core della guida d'onda per l'intera estensione longitudinale della stessa.

II richiedente ha trovato che gli inconvenienti delle tecniche note possono essere effettivamente superati in modo efficiente impiegando una nuova struttura di guida d’onda integrata di amplificazione della luce, in cui una o più guide d’onda monomodali sono efficientemente pompate da LED esterni ad alta potenza e banda larga o diodi laser multimodo ad area larga ed alta potenza. Secondo la sorprendentemente efficace disposizione di pompaggio conforme alla presente invenzione, la radiazione di pompa, che in caso di sensibilizzatori a nano cluster di silicio può essere nello spettro della luce visibile e in caso di sensibilizzatori a terre rare come Itterbio fra 900 e 1000 nm, sia proveniente da LED di alta potenza e basso costo o da diodi laser multimodo ad area larga ed alta potenza, viene guidata longitudinalmente da una guida d’onda multimodale definita lungo la o le guide d’onda monomodali ed è gradualmente assorbita da periodica propagazione attraverso la guida d’onda del core attivo, sia nel caso di una disposizione a doppio cladding della guida d’onda multimodale, che attraverso il meccanismo dell’ accoppiamento evanescente della radiazione di pompa o della parziale sovrapposizione della radiazione di pompa sul core attivo; in questi casi la radiazione di pompa viene trasferita e guidata, in maniera multimodale o monomodale, nella o nelle guide d’onda attive che risultano essere monomodali alla lunghezza d’onda dei segnali (intorno a 1.55 μιη).

I nuovi schemi strutturali di questa invenzione superano la limitazione intrinseca di un pompaggio monomodale longitudinale end fìred dello strato di core attivo di una guida d’onda monomodale integrata che risulterebbe costoso ed inoltre poco efficiente in presenza di elevata sezione d’urto di assorbimento della pompa che, per esempio in presenza di nano cluster di silicio come elementi sensibilizzatori, assorbirebbe quasi totalmente la radiazione di pompa in poche decine di micron lungo la direzione di propagazione. D’altro canto, in confronto alle disposizioni di pompaggio dall’alto note di guide d’onda di segnale monomodale, i nuovi schemi di pompaggio di questa invenzione forniscono un efficienza di pompaggio notevolmente più elevata poiché la radiazione di pompa da LED a banda larga o laser ad area larga è confinata in una guida d’onda multimodale che o si estende lungo la guida d’onda monomodale o si affianca alla guida d’onda monomodale, nella direzione di propagazione della luce, ed efficientemente determina un graduale assorbimento della radiazione di pompa da parte degli elementi di sensibilizzazione formati o co-introdotti assieme agli ioni eccitabili e stimolabili di emissione di una terra rara del core attivo monomodale o dei core multipli attivi monomodali; l assorbimento avviene quindi lungo finterà lunghezza della guida d’onda monomodale o buona parte di essa (in pratica, la lunghezza di una guida d’onda integrata con tecniche di definizione planare può arrivare ad essere di alcuni centimetri).

Un ulteriore vantaggio del metodo di pompaggio secondo questa invenzione è rappresentato dalla possibilità di pompare con un’unica sorgente di radiazione di pompa più di un core attivo monomodale del dispositivo a guida d’onda integrato amplificante la luce grazie alla grande dimensione della guida d’onda multimodale portante la radiazione di pompa rispetto alle dimensioni dei core attivi.

Inoltre, il metodo di pompaggio secondo questa invenzione consente di controllare efficacemente la densità di potenza della radiazione di pompa nel core attivo, mediante una ottimizzazione dell’accoppiamento fra guida multimodo di pompa e guide monomodo attive; tale caratteristica consente di eliminare in modo efficiente eventuali effetti penalizzanti per le prestazioni degli amplificatori, legati ad assorbimento confinato alla lunghezza d’onda di segnale da parte degli elementi di sensibilizzazione quali nano cluster di silicio e ai processi di ricombinazione rapida Auger, che possono divenire significativi ad elevate densità di pompaggio.

In confronto agli amplificatori a guida d’onda (EDWA) noti, realizzati in silice drogata con terre rare, la nuova struttura offre significativi vantaggi in termini di riduzione dei costi di pompaggio. Infatti, fino ad oggi, i laser ad area larga ed alta potenza non potevano essere usati in modo efficiente negli EDWA standard a causa di una eccessivamente bassa sezione d’urto di assorbimento della radiazione di pompa dei droganti a terre rare nella silice ospite. L’ottimizzazione del trasferimento della pompa multimodo nel core attivo lungo la direzione di propagazione del segnale, come ottenibile mediante gli schemi proposti in dettaglio nel seguito, consente di superare tale limite e di rendere efficaci sia schemi basati su sensibilizzatori a base di nano cluster di silicio che costituiti da terre rare come l’Itterbio.

Oltre all’Erbio, che è in generale preferito in quanto fornisce guadagno a lunghezze d’onda corrispondenti al minimo di attenuazione delle fibre ottiche in silice per telecomunicazioni, altri ioni di terre rare possono essere usati per co-drogare il core attivo della guida d’onda guidante il segnale in maniera monomodale per ottenere un guadagno in differenti regioni spettrali o per allargare l’ampiezza di banda; ad esempio possono essere usati ioni di Tullio, Praseodimio e Neodimio per ottenere un guadagno rispettivamente intorno a 1,48 μm, 1,3 μm e 1 pm. Il co-drogaggio con più ioni di diverse terre rare può consentire potenzialmente un guadagno su una banda di ampia larghezza.

La radiazione di pompa generata da un array di LED o laser ad area larga può anche essere accoppiata in una guida d’onda multimodale in una direzione trasversale rispetto alla direzione di propagazione del segnale. Secondo questa disposizione, il core attivo della guida d’onda guidante il segnale in monomodalità o quelli delle guide d’onda multiple parallele, co-drogate con nanocluster di silicio e terre rare, sono efficientemente pompati tutti lungo la lunghezza dell’ amplificatore (anche di alcuni centimetri) a causa del confinamento della radiazione di pompa nella guida d’onda multimodale trasversale.

Le caratteristiche essenziali dell’ amplificatore di segnale o laser integrato a guida d’onda secondo la presente invenzione e del relativo metodo di pompaggio sono definite rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 19. Ulteriori importanti caratteristiche sono riportare nelle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione dei disegni

Altre caratteristiche e vantaggi dell’ amplificatore di segnale o laser integrato a guida d’onda secondo l’invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative fatte a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la Figura 1 illustra, come già descritto, lo schema dei rispettivi livelli energetici degli ioni di Yb<3+>e di Er<3+>e la peculiare interazione che ha luogo in caso di codrogaggio nel materiale dielettrico del core;

la Figura 2 illustra, come già descritto, lo schema dei rispettivi livelli energetici dei nanoclusters di silicio e degli ioni di Er e la peculiare interazione che ha luogo in caso di presenza di entrambi nel materiale dielettrico del core.

la Figura 3 illustra schematicamente la struttura dell’invenzione di un amplificatore a guida d’onda a doppio cladding con core drogato con Si-NC e Er; la Figura 4 mostra le distribuzioni spaziali d’ingresso delle radiazioni di pompa e di segnale per una guida d’onda con struttura a doppio cladding con un core attivo largo 1 μm e cladding interno largo 10 μm;

la Figura 5a mostra la distribuzione monomodale del campo elettrico del segnale in direzione trasversale per differenti posizioni nella direzione di propagazione della guida d’onda;

la Figura 5b mostra la distribuzione multimodale del campo elettrico della radiazione di pompa in direzione trasversale per differenti posizioni nella direzione di propagazione della guida d’onda;

la Figura 6 mostra il guadagno di piccolo segnale in funzione della potenza di pompaggio per una guida d’onda drogata con Si-NC e Er<3+>a doppio cladding lunga 3 cm (NEr=2x10<26>ioni/m<3>, NSiNC=3xl0<25>/m<3>);

la Figura 7 mostra il guadagno di piccolo segnale in funzione della lunghezza per guide d’onda drogate con Si-NC e Er<3+>a doppio cladding (Pp=600 mW, NEr=2xl0<26>ioni/m<3>, NSiNC=3xl0<25>/m<3>);

la Figura 8 illustra schematicamente la struttura di un amplificatore a guida d’onda drogato con Si-NC Er a doppio cladding con più core condividenti lo stesso fascio di radiazione pompa;

la Figura 9 mostra schematicamente la struttura di un amplificatore a guida d’onda drogato con Si-NC e Er con radiazione di pompa guidata in maniera multimodale che viene accoppiata al core attivo attraverso il meccanismo di campo evanescente;

la Figura 10 mostra il trasferimento di potenza di pompaggio in una guida d’onda a perdita nulla come rappresentata in Figura 9, in cui d=0, larghezza del core attivo = 1 μm e larghezza del cladding superiore = 7 μm;

la Figura 11 illustra le distribuzioni spaziali d’ingresso della luce di segnale e di pompa per una struttura di guida d’onda come rappresentata in Figura 9, con d=0, larghezza del core attivo = 1 pm e larghezza del cladding superiore = 7 pm;

la Figura 12a mostra la distribuzione del campo elettrico del segnale in direzione trasversale per differenti posizioni nella direzione di propagazione della guida d’onda (il segnale a 1530 nm essendo propagato in condizione monomodale nel core attivo);

la Figura 12b mostra la distribuzione multimodale del campo elettrico della radiazione di pompa in direzione trasversale per differenti posizioni nella direzione di propagazione della guida d’onda con accoppiamento evanescente al core attivo (la radiazione pompa a 477 nm si propaga in maniera multimodale nel core attivo);

la Figura 13 mostra il guadagno di piccolo segnale in funzione della potenza di pompa per una guida d’onda lunga 3 cm con core drogato con Si-NC e Er (NEr<3+>=2xl0<26>ioni/m<3>, NSiNC=3xl0<25>/m<3>); la radiazione di pompa è accoppiata al core attivo con il meccanismo del campo evanescente;

la Figura 14 mostra il guadagno di piccolo segnale in funzione della lunghezza per una guida d’onda con core drogato con Si-NC e Er<3+>(Pp=600 mW, NEr=2xl0<26>ioni/m<3>, NSiNC=3xl0<25>/m<3>), la radiazione pompa essendo accoppiata al core attivo con il meccanismo del campo evanescente;

la Figura 15 mostra schematicamente la struttura di un amplificatore a guida d’onda con più core drogati con Si-NC e Er condividenti lo stesso fascio di radiazione di pompa, realizzata mediante bonding diretto del wafer ( d=0 in Figura 9);

la Figura 16 mostra schematicamente la struttura di un amplificatore a guida d’onda drogato con Si-NC e Er con radiazione di pompa guidata in maniera multimodale accoppiata a due core attivi mediante il meccanismo del campo evanescente;

la Figura 17 mostra schematicamente la struttura di un amplificatore a guida d’onda con più core disposti sotto e sopra lo strato di core multimodale di propagazione di un unico fascio di radiazione pompa (con bonding diretto di wafer, d=0 in Figura 9);

la Figura 18 mostra due amplificatori di segnale a guida d’onda, accoppiati rispettivamente ad un lato e all’altro di una guida multimodale di radiazione pompa che si propaga longitudinalmente rispetto alla direzione di propagazione dei segnali; la Figura 19 mostra schematicamente la struttura (vista dall’alto) di un amplificatore a guida d’onda multicore con pompaggio multimodale trasversale impiegando uno schieramento laterale di LED;

la Figura 20 è una vista in sezione laterale di un amplificatore della Figura 19 e ne mostra la configurazione a doppio cladding;

la Figura 21 mostra una possibile struttura di laser integrato secondo la presente invenzione;

la Figura 22 mostra la sezione trasversale di una struttura proposta per la realizzazione di un amplificatore a guida d’onda integrato, il cui core ha come matrice un vetro multicomponente e drogato con ioni di Yb ed Er;

la Figura 23 mostra un possibile schema di pompaggio della struttura descritta nella Figura 22;

la Figura 24 mostra il trasferimento di potenza di pompa all'interno del core attivo nella struttura di figura 22; in particolare mostra la percentuale di potenza di pompa all’interno e all’esterno della guida attiva in funzione della posizione longitudinale;

la Figura 25 mostra la frazione di potenza del segnale aH'interno e fuori del core attivo della struttura di figura 22 in funzione della posizione longitudinale;

la Figura 26 descrive la distribuzione spaziale monomodale del campo elettrico di segnale alla superficie di uscita dell'amplificatore ottico di figura 22;

la Figura 27 mostra la distribuzione spaziale multimodale del campo elettrico della radiazione di pompa all’uscita dell'amplificatore ottico di figura 22;

la Figura 28 mostra la sezione trasversale di una forma realizzativa alternativa della struttura di un amplificatore a guida d’onda integrato, il cui core ha come matrice un vetro multicomponente e drogato con ioni di Yb ed Er;

la Figura 29 mostra il trasferimento di potenza di pompa nella guida attiva della struttura di figura 28; in particolare mostra la percentuale di potenza di pompa all’interno e all’esterno del core attivo in funzione della posizione longitudinale;

la Figura 30 mostra la frazione di potenza del segnale aH'interno e fuori del core attivo nella struttura di figura 28;

la figura 31 descrive la distribuzione spaziale monomodale del campo elettrico della radiazione di segnale alla superfìcie di uscita dell’ amplificatore ottico secondo la figura 28;

La figura 32 descrive la distribuzione spaziale multimodale del campo elettrico della radiazione di pompa alla superfìcie di uscita dell’ amplificatore ottico di figura 28;

la Figura 33 mostra la sezione trasversale di un'altra forma realizzativa alternativa della struttura di un amplificatore a guida d’onda integrato, la cui regione attiva ha come matrice un vetro multicomponente drogato con ioni di Yb ed Er;

La figura 34 mostra il trasferimento di potenza di pompaggio nella regione attiva della struttura di figura 33; in particolare mostra la percentuale di potenza di pompa alFinterno e all’esterno della zona attiva in funzione della posizione longitudinale nella struttura di figura 33.

La figura 35 mostra la frazione di potenza del segnale rispetto a quella totale all’interno e fuori la zona attiva della struttura di figura 33 in funzione della posizione longitudinale.

Descrizione dettagliata di forme realizzative deH’invenzione

Secondo una prima forma realizzativa dell’invenzione illustrata in figura 3 ( che rappresenta una sezione longitudinale della struttura), un amplificatore di segnale a guida d’onda comprende: un substrato 1; una guida d’onda ottica 2 comprendente uno strato di core 3 (con indice di rifrazione ni) in silice o equivalente materiale dielettrico a base di silicio co-drogato con nanocluster di silicio e terre rare (ad esempio ioni Er<3+>); un cladding interno 4 che circonda lo strato di core (con indice di rifrazione n2<nl) e un cladding esterno 5 (con indice di rifrazione n3<n2) che circonda il cladding interno 4; una sorgente luminosa S, posta ad una certa distanza dalla guida d’onda, per il pompaggio ottico della struttura integrata amplificante a guida d’onda.

I segnali (uno o più a differenti lunghezze d’onda) sono accoppiati nel core e guidati in monomodalità, mentre la radiazione di pompa è accoppiata nel cladding interno 4, è guidata in condizione multimodale per riflessione interna totale all’interfaccia tra cladding interno 4 ed esterno 5, ed è progressivamente assorbita dai Si-NC nel core che eccitano poi le terre rare, fornendo potenzialmente guadagno per i segnali.

La radiazione di pompa nel visibile può essere vantaggiosamente fornita da LED ad alta potenza, basso costo e banda larga o da laser ad alta potenza, basso costo e a larga area.

Poiché il co-drogaggio con Si-NC aumenta l’indice di rifrazione, il core drogato con Er può facilmente avere un indice di rifrazione nl>n2 così come nl>n3. Lo spessore del core può essere nell’ordine di 0.5-2 pm e ni nell’ordine di 1.5-1.9, in funzione dell’eccesso di silicio. I cladding interno 4 e esterno 5 possono essere composti di silice drogata (ad esempio SÌO2/P2O5/AI2O3), così come un materiale a base di nitruro di silicio S13N4, con concentrazioni idonee ad assicurare indici di rifrazione n2 e n3 adeguati.

Lo spessore del cladding interno 4 può essere ad esempio nell’intorno di 5-20 pm, mentre il cladding esterno 5 dell’ordine di 10-40 pm. La differenza di indice di rifrazione tra il core attivo 3 e il cladding interno 4 può essere ad esempio Δη=η1-n2=0.25±0.2 (in funzione dell’eccesso di silice); la differenza nell’indice di rifrazione tra i cladding interno ed esterno dipende dal materiale usato che potrebbe essere a base di silice o di nitruro di silicio, fornendo in tal caso un alto contrasto d’indice e conseguentemente dimensioni di dispositivo scalate.

Il core attivo può essere ad esempio co-drogato con Si-NC e Er<3+>con le rispettive concentrazioni 3x10 Si-NC/m e 2x10 ioni/m . Per semplicità sono state considerate guide d’onda planari con core attivo di spessore di 1 pm e ampiezza di un primo cladding di 10 pm (l’indice di rifrazione del core è ni=1.6, mentre gli indici di rifrazione dei cladding interno e esterno sono n2=1.457 e n3=1.45).

Conclusioni simili si possono trarre considerando guide d’onda bidimensionali nelle direzioni trasversali e indici di rifrazione dei materiali differenti per i cladding interno ed esterno.

La guida d’onda interna è monomodale a 1.53 pm, mentre la radiazione di pompa a 477 nm (a cui non si verifica assorbimento diretto da parte di ioni Er<3+>) è guidata in condizione multimodale dalla riflessione interna totale all’ interfaccia tra il cladding interno e quello esterno. La conversione verso l’alto dal livello metastabile dell’Er<3+>limita la concentrazione massima usabile di ioni di terre rare.

La Figura 4 mostra le distribuzioni spaziali del segnale e della pompa d’ingresso, corrispondenti all’eccitazione dei modi fondamentali rispettivamente delle guide d’onda di ampiezza 1 pm e 10 pm.

Le Figure 5a e 5b descrivono le evoluzioni del segnale e della pompa lungo una guida d’onda di 3 cm, con potenza di pompa in ingresso di 600 mW accoppiata nella guida d’onda multimodale. Si deve notare che la potenza di pompa è valutata assumendo una dimensione di guida d’onda trasversale di 10 pm. Per guide d’onda planari, a causa dell’invarianza lungo una dimensione trasversale, le potenze di pompa e di segnale potrebbero essere efficacemente descritte usando densità di potenza lineari in W/m; da questi valori possono essere stimati valori di potenza assoluti assumendo una dimensione trasversale finita.

Si può chiaramente vedere in figura 5a che la radiazione di segnale rimane monomodale ed è amplificata durante la propagazione lungo la guida d’onda. D’altra parte come mostrato in figura 5b, la pompa, che è fortemente assorbita nel core attivo, è caratterizzata da due lobi nella guida d’onda multimodale, che gradualmente trasferiscono energia nel materiale attivo lungo la guida d’onda. Da notare che la radiazione di pompa a 477 nm si propaga in condizione multimodale nel core attivo.

La Figura 6 mostra il guadagno di piccolo segnale in dB a 1532 nm in funzione della potenza di pompa; coefficienti di guadagno fino a 4 dB/cm possono essere ottenuti grazie all’alta sezione d’urto di assorbimento di Si-NC e all’efficiente trasferimento di energia da Si-NC a ioni Er<3+>.

La struttura consente una relativamente bassa intensità di pompa lungo le guide d’onda attive, evitando assorbimento confinato alla lunghezza d’onda di segnale da parte dei Si-NC e processi di ricombinazione rapida Auger, che possono divenire significativi ad elevate densità di pompaggio e degradare le prestazioni di tali amplificatori integrati.

La Figura 7 riporta il guadagno di piccolo segnale a 1532 nm in funzione della lunghezza di guida d’onda con potenza di pompa d’ingresso di 600 W/m. Si può notare una lunghezza ottimale sopra la quale il guadagno diminuisce; ciò è dovuto al fatto che la potenza di pompa è gradualmente assorbita lungo la guida d’onda e diventa troppo bassa per fornire un’inversione di popolazione per gli ioni Er<3+>.

Da notare che guide d’onda multiple possono essere formate in configurazione parallela per condividere un unico fascio di radiazione di pompa multimodale, come mostrato in Figura 8.

L’accoppiamento del segnale monomodale e della radiazione di pompa multimodale, rispettivamente alla guida d’onda attiva e alla guida d’onda multimodale può essere realizzato usando accoppiatori microottici, come descritto ad esempio in US Secondo una forma realizzativa alternativa illustrata in Figura 9 (che rappresenta una sezione longitudinale della struttura), un amplificatore di segnale a guida d’onda della presente invenzione comprende: un substrato, due guide d’onda ottiche includenti una guida d’onda monomodale (con indice di rifrazione del core ni e cladding n2, essendo nl>n2) realizzata in silice o materiali dielettrici a base di silicio, co-drogati con nanocluster di silicio e terre rare (ad esempio ioni Er<3+>) nel core attivo, e una struttura a guida d’onda multimodale (con indice di rifrazione del core n3 e indice di rifrazione del cladding n2, essendo nl>n3>n2) accresciuta sulla parte superiore (o inferiore) della guida d’onda monomodale, e una sorgente di luce SI spaziata dalla guida d’onda, per il pompaggio ottico della guida d’onda.

I segnali (uno o più a differenti lunghezze d’onda) sono accoppiati nel core e guidati in monomodalità, mentre la radiazione di pompa è accoppiata nella seconda guida d’onda multimodale e gradualmente trasferita al core attivo durante la propagazione lungo la direzione longitudinale delle guide d’onda, mediante accoppiamento evanescente. La radiazione di pompa viene poi progressivamente assorbita dai Si-NC nel core che eccitano poi le terre rare, fornendo potenzialmente guadagno per i segnali.

La radiazione di pompa nel visibile può essere convenientemente fornita da LED ad elevata potenza e banda larga di basso costo o laser ad elevata potenza e ad area larga di basso costo.

Poiché il co-drogaggio con Si-NC aumenta l’indice di rifrazione, il core attivo drogato con Er può facilmente avere un indice di rifrazione ni > n3 >n2. Lo spessore del core può essere nell’ intervallo 0.5-2 pm e ni nell’intervallo 1.5-1.9, in funzione dell’eccesso di silicio. La guida d’onda multimodale, fatta ad esempio di silice drogata (ad esempio S1O2/P2O5/AI2O3) o materiale a base di nitruro di silicio S13N4a concentrazioni adeguate per assicurare idonei indici di rifrazione n2 e n3, può avere uno spessore di core multimodale nell’ intervallo di 5-10 μm. La guida d’onda multimodale può essere direttamente legata sulla guida d’onda attiva monomodale (spessore d=0 in Figura 9) o leggermente separata da un sottile strato dielettrico (spessore d≠0 in Figura 9). La geometria della guida d’onda deve essere ottimizzata per assicurare un adeguato trasferimento di radiazione pompa dal core multimodale alla regione attiva. In particolare questo accoppiamento deve essere basso abbastanza da evitare un forte assorbimento di pompa da parte di Si-NC su una breve distanza longitudinale, e alto abbastanza da pompare efficientemente il materiale attivo lungo la lunghezza della guida d’onda (dell’ordine di parecchi centimetri).

Queste considerazioni valgono anche per schemi alternativi in cui l’accoppiamento non è verticale, ma laterale, cioè quando la guida d’onda multimodale della radiazione di pompa e la guida d’onda monomodale del segnale sono formate fianco a fianco sul substrato. La separazione tra le guide d’onda adiacenti rimane rappresentata dalla distanza di accoppiamento d di Figura 9.

Un idoneo meccanismo di trasferimento di potenza è mostrato in Figura 10, in cui una guida d’onda planare senza perdite è stata presa in considerazione proprio per mostrare le proprietà di accoppiamento della struttura guidante (il core monomodale è largo 1 pm e lo strato multimodale è 7 pm con d=0). Da notare che la lunghezza di battimento, corrispondente ad un trasferimento periodico di potenza fra le due guide, è dell’ordine di 1 mm e la massima potenza di pompa accoppiata nel core attivo è meno del 6% della potenza di pompa totale. Ciò significa che accoppiando 500 mW di potenza di pompa a 477 nm all’ingresso della guida d’onda multimodale si otterrà al massimo 30 mW nella regione attiva per l’eccitazione dei Si-NC e quindi degli ioni Er, evitando l assorbimento da portatori confinati nei Si-NC alla lunghezza d’onda di segnale da parte dei Si-NC e processi di ricombinazione rapida Auger, che possono divenire significativi ad elevate densità di pompaggio e degradare le prestazioni di tali amplificatori integrati.

La caratteristica essenziale della nuova struttura è che l accoppiamento della radiazione di pompa dal core multimodale alla regione del core monomodale attiva avviene gradualmente lungo l’intera lunghezza della guida d’onda, assicurando la massima efficienza di pompaggio lungo tutta la lunghezza dell’amplificatore.

La Figura 11 riporta le distribuzioni trasversali d’ingresso del campo elettrico del segnale e della pompa che corrispondono al modo fondamentale di due guide d’onda a lastra (ni = 1.6, n2 = 1.45, n3 = 1.457). Le Figure 12a e 12b mostrano le variazioni longitudinali dei campi elettrici del segnale e della pompa attraverso la sezione della guida d’onda considerando un core attivo drogato con 3xl0<25>Si-NC/m<3>e con una concentrazione di Er di 2xl0<26>ioni/m<3>(la potenza di pompa all’ingresso della guida d’onda multimodale è 600 mW).

E’ evidente che la radiazione di pompa multimodale, periodicamente accoppiata nel core attivo lungo la lunghezza della guida d’onda, consente l’efficiente pompaggio dell’amplificatore. La radiazione di pompa a 477 nm è accoppiata nel core attivo e si propaga in condizione multimodale. La radiazione di segnale a 1532 nm è amplificata nel core attivo lungo la direzione di propagazione e si propaga in condizione monomodale.

Le Figure 13 e 14 mostrano il guadagno di piccolo segnale a 1532 nm rispettivamente in funzione della potenza di pompa (con L=3 cm) e in funzione della lunghezza (con potenza di pompa fissa a 0.6W).

Da notare che la potenza di pompa è stata valutata considerando una dimensione trasversale della guida d’onda multimodale longitudinale di 10 μm , La concentrazione di Er è 2x10 ioni/m e il contenuto di Si-NC 3x10 /m ; queste concentrazioni sono ottimizzate considerando conversione verso l’alto dal livello metastabile dell’Er<3+>.

Da notare che la guida d’onda multipla può essere formata in configurazione parallela e può condividere un singolo fascio di radiazione di pompa multimodale come mostrato in Figura 15.

L’accoppiamento del segnale monomodale e della radiazione di pompa multimodale rispettivamente al core monomodale attivo e alla guida d’onda multimodale può essere realizzato ad esempio come descritto in US 6996139.

Parametri tipici di un dispositivo a guida d’onda amplificatore della luce integrato secondo l’invenzione, con core attivo di silice co-drogato con nanocluster di silicio e ioni Er sono riportati nella tabella seguente.

Lunghezza dispositivo 1-7 cm Coefficiente trasferimento energia da SiNC a Er<3+>2x10<'20>m<3>/s

Sez. d’urto di assorbimento dell’Er<3+>a 1532 nm 6.6xl0<'25>m<2>Sezione d’urto di emissione dell’Er<3+>a 1532 nm 5.7xl0<'25>m<2>Sezione d’urto di assorbimento di Si-NC 2x10<'20>m<2>Concentrazione Erbio 2xl0<26>ioni/m<3>Tempo di ricombinazione Si-NC 25 μsec

Tempo di vita del livello metastabile dell’ Er<3+>8.5 msec

Range di potenza pompa 200 mW-1 W Lunghezza d’onda pompa 477 nm

Potenza segnale in ingresso -30 dBm - 0 dBm Lunghezza d’onda segnale 1530 nm - 1560 nm Concentrazione Si-NC 3x10<25>/m<3>Coefficiente di conversione metastabile verso l’alto 3 x10<-23>m<3>/s degli ioni di Er<3+>(a concentrazione = 2xl0<26>ioni/m<3>)

Nelle due forme realizzative di strutture di amplificatore di segnale a guida d’onda integrate illustrate nelle Figure 3 e 9, il pompaggio può anche essere contropropagante o bidirezionale lungo l estensione longitudinale della guida d’onda.

La struttura mostrata in Figura 9 può essere facilmente realizzata da più moduli impilati realizzando guide monomodali di segnale accoppiate ad una guida d’onda multimodale interposta tra le guide di segnale ed in cui la radiazione di pompa si propaga con basse perdite. Ciò è schematicamente illustrato nelle Figure 16 e 17. In strutture di questo tipo, una singola sorgente di radiazione di pompa propagata in maniera multimodale può efficientemente eccitare più guide d’onda attive di segnale distinte e parallele, accoppiando la radiazione di pompa dal core multimodale ai core attivi monomodali alle lunghezze d’onda di segnale; la radiazione di pompa viene progressivamente assorbita nei core attivi delle guide di segnale. La figura 18 illustra come una radiazione di pompa che si propaga in una singola guida multimodo possa essere utilizzata per accoppiare potenza a guide attive realizzate a entrambi i lati della guida multimodo.

Lo schema di pompaggio longitudinale con accoppiamento verticale (ad impilaggio) mostrato può alternativamente essere organizzato secondo uno schema di accoppiamento trasversale, se così imposto da scelte di layout generali o preferito. Questa forma alternativa è mostrata in Figura 19.

Secondo l’esempio della Figura 19, un amplificatore a guida d’onda dell’invenzione comprende: un substrato, più guide d’onda monomodali (core) di segnale parallele (con indice di rifrazione del core ni e cladding n2< ni) realizzate in silice o materiali dielettrici a base di silicio, co-drogati con nanocluster di silicio e terre rare (ad esempio ioni Er<3+>), e una guida d’onda multimodale lunga alcune centinaia di micron, che può essere una struttura a doppio cladding, o definita sopra (o sotto) le guide monomodali di segnale, ed un array di LED ad alta potenza che accoppiano la luce nel visibile in direzione laterale rispetto alla direzione di propagazione del segnale. I segnali (uno o più a differenti lunghezze d’onda) sono accoppiati nei core attivi e guidati in condizione monomodale, mentre la radiazione di pompa, accoppiata lateralmente nella guida d’onda multimodale, trasferisce radiazione di pompa nei core attivi o per propagazione in una struttura a doppio cladding o per accoppiamento a campo evanescente. La radiazione di pompa eccita i Si-NC nei core attivi che eccitano poi le terre rare, fornendo potenzialmente guadagno per i segnali.

Da notare che può essere introdotto uno specchio o riflettore per riflettere indietro la radiazione di pompa, migliorando l’ efficienza dell’amplificatore. La Figura 19 mostra una vista dall'alto di una struttura guidante basata su questo pompaggio multimodale trasversale con riflettore di pompa. Configurazioni di questo tipo possono essere realizzate attuando l’eccitazione dei core attivi mediante configurazione a doppio cladding o ad accoppiamento di pompa evanescente.

A titolo di esempio la figura 20 mostra una vista laterale di una struttura guidante basata su pompaggio multimodale trasversale in caso di configurazione a doppio cladding con riflettore di pompa.

Il meccanismo di pompa è simile a quello descritto nelle prime due forme realizzative della presente invenzione, nel senso che la radiazione pompa è guidata in condizione multimodale in una guida d’onda a bassa perdita ed è quindi accoppiata e fortemente assorbita nei core attivi, in cui è ricavato guadagno per eccitazione di terre rare attraverso i nanocluster di silicio. La principale differenza è che ora è richiesto un array di LED per pompare efficientemente le guide d’onda attive lungo tutta la loro direzione di propagazione longitudinale. Poiché la lunghezza della guida d’onda attiva è dell’ordine dei centimetri, decine di LED dovrebbero essere introdotti nell’ array di pompa per pompare efficientemente gli amplificatori lungo tutta la loro lunghezza.

Partendo dalla guida attiva pompata mediante uno degli schemi sopra descritti ed inserendo opportuni riflettori alle due estremità della guida, si può ottenere un laser. In un laser non è presente segnale d’ingresso ma solo pompa che, generando inversione di popolazione in un mezzo attivo disposto entro una cavità, può generare un’emissione laser se il guadagno fornito è superiore alla perdita della cavità. I riflettori, ad esempio realizzati mediante grating o coating dielettrici, agiscono come specchi selettivi in lunghezza d’onda e determinano quindi la lunghezza d’onda di emissione del laser.

Ad esempio la struttura illustrata in Figura 21 rappresenta una struttura di tipo a doppio cladding nella quale la radiazione di pompa (fornita da LED nel visibile o laser broad area) viene accoppiata nella guida d’onda multimodale dove si propaga longitudinalmente eccitando i nanocluster di silicio che a loro volta eccitano gli ioni Erbio. In presenza di inversione di popolazione il guadagno fornito dal mezzo attivo può superare le perdite della cavità e garantire le condizioni necessarie per un’emissione laser. La cavità laser è a Fabry-Perot con due specchi, uno all’ingresso e uno all’uscita della guida (coating dielettrici) che sono selettivi e presentano elevata riflettività in una stretta zona spettrale all’interno dello spettro di guadagno fornito dagli ioni Erbio (1530-1560 nm). Ad esempio lo specchio in ingresso può avere riflettività prossima al 100%, mentre lo specchio in uscita può avere una riflettività compresa tra il 70 e il 90%, tale da consentire alla radiazione laser di essere accoppiata all’esterno della guida.

Altre geometrie note per realizzare laser in strutture amplificanti in guida d’onda possono essere impiegate come quelle a feedback distribuito o strutture a cavità di Bragg. Strutture analoghe di laser integrati possono essere sviluppate seguendo gli stessi schemi descritti per amplificatori integrati (schemi con pompaggio ad accoppiamento evanescente e pompaggio trasversale).

Secondo una forma alternativa di implementazione della presente invenzione il materiale dielettrico del core è un vetro multicomponente, ad esempio un vetro fosfato, contenente oltre alla silice anche P2O5, o un vetro alluminato, contenente A1203o un vetro contenente ossido di Germanio (Ge02), o anche altri ossidi diversi dalla silice che accentuano la solubilità di ioni di terre rare nella matrice vetrosa composita. In questo modo si evitano certi limiti tecnologici nel soddisfare l’esigenza, da un lato, di massimizzare la concentrazione degli ioni di terre rare nel materiale dielettrico (matrice vetrosa) del core, per ovvi motivi di amplificazione ottica, e, dall’altro lato, di assicurare la massima uniformità di distribuzione degli ioni droganti tale da limitare il più possibile aggregazioni degli stessi ioni dopanti di terre rare, secondo una usata dizione inglese cluster, e conseguenti processi di interazione tra gli ioni, detti secondo una usata dizione inglese concentration quenching e coperative up-conversion, che riducono il guadagno ottico dell’amplificatore [W.J. Miniscalco, Erbium-Doped Glasses far fiber Amplifier at 1500 nm , Journal of Lightwave Technology 9 (2), February 1991],

E' noto infatti che la silice pura può incorporare solo una limitata quantità di ioni senza formare cluster, mentre i vetri multicomponente permettono di distribuire più uniformemente nel materiale dielettrico una concentrazione maggiore di ioni di terre rare che sono più solubili nella matrice vetrosa composita.

I vetri multicomponente sono vetri contenenti anche composti diversi dall'ossido di silicio, ad esempio ossidi di Ge, P, e Al. La presenza di questi additivi nella silice modifica le proprietà ottiche, chimiche e meccaniche del materiale. Questi tipi di vetri sono spesso utilizzati per ottenere vetri drogati con terre rare.

Il vetro fosfato e il vetro alluminato drogati con Erbio, ad esempio, sono meno affetti da interazioni tra ioni dovute a processi di concentration quenching, che pongono un limite alla massima concentrazione utile di Erbio, quindi l’uso di questi tipi di vetro permette di aumentare la concentrazione del drogante.

La presenza di ossidi di Ge, Al, o P aumentano la solubilità degli ioni di terre rare nel vetro, ad esempio i composti A1203, P2O5o YxOyben si dissolvono in Si02e allo stesso tempo sono dei buoni solventi per le terre rare, per questo motivo gruppi come A1203, P203e YxOypermettono di formare siti di accentuata solvatazione per le terre rare nella silice che quindi sono incorporabili in maggiore concentrazione nella struttura o matrice solida del vetro.

Il vetro multicomponente inoltre ha differenti proprietà chimico-fisiche in base ai composti componenti con cui è prodotto, i quali modificano le caratteristiche ottiche del vetro drogato con terre rare utilizzato per fini di amplificazione ottica, ad esempio i tempi di vita media di stati eccitati metastabili, le sezioni d’urto di emissione ed assorbimento, le sezioni d’urto di assorbimento alla lunghezza d’onda della radiazione pompa, fenomeni di quenchinq concentration, ecc.

Qui di seguito sono illustrate alcune forme realizzative di strutture di dispositivi di amplificazione secondo l'invenzione realizzate anziché con strati dielettrici di Si02, con vetri multicomponente fabbricabili con tecniche di definizione planare eseguite su substrati distinti ed accoppiate tra loro mediante comuni tecniche di “ wafer bonding”, per costituire la struttura funzionale a guida d’onda del dispositivo integrabile.

Lina prima di queste forme realizzative alternative dell'invenzione è illustrata nella figura 22. L'amplificatore ottico a guida d'onda ivi illustrato comprende: 1) una struttura 10 formata da uno strato di silice con indice di rifrazione n3 e un core passivo 13 ad indice di rifrazione n2 >n3 in grado di guidare una radiazione di pompa in regime multimodale. Il core 13 può avere una dimensione trasversa di 100 pm e una dimensione verticale di 2-5 pm in modo da accoppiare efficacemente la luce proveniente da laser di pompa a larga area ed alta potenza;

2) una struttura 11 formata da uno strato di vetro multicomponente (ad esempio vetro fosfato, o vetro alluminato) co-drogato con terre rare (Er/Yb) ad indice di rifrazione n4>n2 e un core 14 ad indice di rifrazione nl>n4. Lo strato di vetro fosfato co-drogato costituisce la zona attiva dell’ amplificatore ed ha uno spessore di 3-4 pm ottenuto tramite tecniche di fresatura (propriamente dette secondo una usata dizione inglese laser milling o ion beam milling) partendo da un vetrino co-drogato con ioni di Er e Yb. Il core di indice di rifrazione n3 può avere ad esempio dimensioni 2x3 pm, ed è in grado di guidare una radiazione di segnale in regime monomodale;

3) una struttura 12 formata da uno strato di silice con indice di rifrazione n3 e un core passivo 15 ad indice di rifrazione n2 >n3 in grado di guidare una radiazione di pompa in regime multimodale. Il core 15 può avere una dimensione trasversa di 100 pm e una dimensione verticale di 2-5 pm in modo da accoppiare efficacemente la luce proveniente da laser di pompa a larga area ed alta potenza.

Nelle strutture 10 e 12 la dimensione traversa dei core 15 e 13 può essere ridotta fino a 30-40 pm utilizzando una struttura che accoppi la larga area di emissione del laser al core che guida il segnale di pompa.

La struttura 10 e la struttura 12 possono essere entrambe poste sotto e sopra la struttura 11 tramite un bonding diretto tra le strutture come riportato schematicamente in figura 22.

I core 13 e 15 nelle strutture 10 e 12 sono ottenuti tramite una tecnica di scambio ionico effettuata in un vetrino ad indice di rifrazione n3; il core 14 nella struttura 11 è ottenuto tramite una tecnica di scambio ionico effettuata in un vetrino fosfato codrogato ad indice di rifrazione n4.

La radiazione del segnale si propaga nel core 14 ad indice di rifrazione ni. Il core 14 può anche avere un andamento spaziale a serpentina per aumentare la lunghezza dell’ amplificatore mantenendone piccola la dimensione. La radiazione di pompa che propaga nei due core 13 e 15 ad indice di rifrazione n2 può essere gradualmente trasferita al core 14 nella struttura 11 ad indice di rifrazione ni mediante sovrapposizione della radiazione di pompa nella zona attiva e conseguente assorbimento durante la propagazione lungo la direzione longitudinale delle guide d’onda.

Nella figura 23 è mostrato un possibile schema di pompaggio dell’ amplificatore ottico: la radiazione di pompa è accoppiata nelle guide delle strutture 10 e 12 lateralmente all’amplificatore, sui due lati opposti sopra e sotto la zona attiva della struttura 11 utilizzando due diversi laser broad area che emettono per esempio a una lunghezza d’onda di 980 nm.

A titolo di esempio l’amplificatore è stato studiato tramite un modello numerico tridimensionale. Parametri tipici di un dispositivo a guida d’onda amplificatore della luce integrato secondo l’invenzione, con core attivo di silice co-drogato con ioni Itterbio e ioni Er sono riportati nella tabella seguente.

Lunghezza dispositivo 1-7 cm

Coefficiente trasferimento energia da Yb<3+>a Er<3+>5xl0<-21>m<3>/s

Sez. d’urto di assorbimento dell’Er<3+>a 1532 nm 6.6xl0<-25>m<2>

Sezione d’urto di emissione dell’Er<3+>a 1532 nm 5.7xl0<-25>m<2>Sezione d’urto di assorbimento dell’ Yb<3+>1.2xl0<-24>m<2>Concentrazione Erbio 2xl0<26>ioni/m<3>Tempo di ricombinazione Yb<3+>1.5 msec

Tempo di vita del livello metastabile dell’ Er<3+>8.5 msec

Range di potenza pompa 200 mW-4 W Lunghezza d’onda pompa 978 nm

Potenza segnale in ingresso -30 dBm - 0 dBm Lunghezza d’onda segnale 1530 nm - 1560 nm Concentrazione Yb<3+>2x10<27>/m<3>Coefficiente di conversione metastabile verso l’alto 3.xl0<-23>m<3>/s degli ioni di Er<3+>(a concentrazione = 2xl0<26>ioni/m<3>)

Il core passivo 13 e e il core passivo 15 delle guide multimodali per la propagazione della radiazione di pompa hanno dimensione 30x5 μm ed indice di rifrazione n2=1.54, la struttura 11 di vetro fosfato drogato ha uno spessore di 2 pm ed indice di rifrazione n4=1.53 con un core 14 della guida di propagazione della radiazione di segnale di dimensione 3x2 pm ed indice di rifrazione nl=1.56, mentre n3=1.51.

La figura 24 mostra il trasferimento di potenza di pompaggio nella guida attiva: in particolare mostra la percentuale di potenza di pompa all’ interno e all' esterno della guida attiva in funzione della posizione longitudinale considerando all’ ingresso dell’ amplificatore una potenza totale di pompa di 2W, e una potenza di segnale di -30dBm. La figura 25 mostra il rapporto di potenza del segnale all’ interno e fuori del core attivo rispetto alla potenza totale; il guadagno calcolato per un amplificatore di lunghezza 3 cm è di 8.8 dB.

La figura 26 descrive la distribuzione spaziale monomodale del campo elettrico della radiazione di segnale alla superficie di uscita dell’ amplificatore ottico. La figura 27 descrive la distribuzione spaziale multimodale del campo elettrico della radiazione di pompa alla superfìcie di uscita dell’ amplificatore ottico.

Una seconda forma realizzativa dell'amplificatore secondo l'invenzione utilizzante vetro multicomponente è illustrata nella figura 28. L'amplificatore ottico a guida d'onda ivi illustrato comprende:

1) una struttura 20 formata da uno strato di silice con indice di rifrazione n3 e un core passivo 23 ad indice di rifrazione n2 >n3 in grado di guidare una radiazione di pompa in regime multimodale. Il core 23 può avere una dimensione trasversa di 100 pm e verticale di 2-5 pm in modo da accoppiare efficacemente la luce proveniente da laser di pompa a larga area ed ad alta potenza. La dimensione traversale del core può essere ridotta fino a 30-40 pm utilizzando un una struttura che accoppi la larga area di emissione del laser al core che guida il segnale di pompa.

2) una struttura 21 formata da uno strato di vetro multicomponente (ad esempio vetro fosfato, o vetro alluminato) co-drogato con terre rare ad indice di rifrazione n4<n2 e un core attivo 24 ad indice di rifrazione nl>n4 e nl>n2. Lo strato di vetro fosfato co-drogato costituisce la zona attiva dell’ amplificatore. Il core 24 di indice di rifrazione ni può avere ad esempio dimensioni 2x3 pm, ed è in grado di guidare una radiazione di segnale in regime monomodale.

La struttura 20 è posta sotto la struttura 21 tramite un bonding diretto tra le strutture come riportato schematicamente in figura 28.

Il core passivo 23 nella struttura 20 è ottenuto tramite una tecnica di scambio ionico effettuata in uno strato di silice ad indice di rifrazione n3. Il core attivo 24 nella struttura 21 è ottenuto tramite una tecnica di scambio ionico effettuata in uno strato di vetro fosfato drogato ad indice di rifrazione n4.

La radiazione del segnale si propaga nel core 24 ad indice di rifrazione ni. La radiazione di pompa che propaga nel core 23 ad indice di rifrazione n2 può essere gradualmente assorbita dal core nello strato 21 ad indice di rifrazione ni a causa della sovrapposizione spaziale del modo di pompa nella zona attiva.

A titolo di esempio tale struttura è stata studiata tramite un modello numerico tridimensionale. Il core passivo delle guida multimodale per la propagazione della radiazione della pompa ha dimensione 30x5 μm ed indice di rifrazione n2=1.54, il core attivo della guida di propagazione della radiazione di segnale ha dimensione 3x2 pm ed indice di rifrazione nl=1.56, mentre n3=1.51 e n4=1.53.

La figura 29 mostra il trasferimento di potenza di pompa nella guida attiva, in particolare mostra la percentuale di potenza di pompa airinterno e all’esterno della guida attiva in funzione della posizione longitudinale considerando all’ ingresso dell’ amplificatore una potenza totale di pompa di 1W, e una potenza di segnale di -30dBm. La figura 30 mostra il rapporto di potenza del segnale all’interno e fuori del core attivo rispetto alla potenza totale; il guadagno calcolato per un amplificatore della lunghezza di 3 cm è 11.37 dB.

La figura 31 descrive la distribuzione spaziale monomodale del campo elettrico della radiazione di segnale alla superficie di uscita dell’ amplificatore ottico. La figura 32 descrive la distribuzione spaziale multimodale del campo elettrico della radiazione di pompa alla superfìcie di uscita dell’ amplificatore ottico.

Una terza forma realizzativa delfamplificatore secondo l'invenzione utilizzante vetro multicomponente è illustrata nella figura 33. L'amplificatore ottico a guida d'onda ivi illustrato comprende:

1)una struttura 30 formata da uno strato di silice con indice di rifrazione n4 e un core passivo 33 ad indice di rifrazione n2 >n4 in grado di guidare un segnale di pompa in regime multimodale. Il core 33 può avere una dimensione trasversa di 100 pm e trasversale di 2-5 pm in modo da accoppiare efficacemente la luce proveniente da laser di pompa a larga area. La dimensione traversa del core può essere ridotta fino a 30-40 pm utilizzando un una struttura che accoppi la larga area di emissione del laser al core che guida il segnale di pompa;

2) una struttura 31 formata da uno strato di vetro multicomponente (ad esempio vetro fosfato, o vetro alluminato) co-drogato con terre rare ad indice di rifrazione nl>n2. Lo strato di vetro fosfato co-drogato costituisce la zona attiva dell’ amplificatore ed ha uno spessore di 3-4 pm ottenuto tramite una tecnica di fresatura (propriamente dette secondo una usata dizione inglese laser milling o ion beam milling) partendo da un vetrino multicomponente co-drogato con ioni di Er e Yb;

3) una struttura 32 formata da uno strato di silice ad indice di rifrazione n4 con un core 35 ad indice di rifrazione n2 tale che n2<n3<nl. Il core 35 di indice di rifrazione n3 può avere ad esempio dimensioni 2x3 pm.

La struttura 30 e la struttura 32 sono poste sotto e sopra la struttura 31 tramite un bonding diretto tra le strutture come riportato in figura 33.

Il core 33 nella struttura 30 e il core 35 nella struttura 32 sono ottenuti tramite una tecnica di scambio ionico effettuata in uno strato di silice ad indice di rifrazione n4.

II segnale amplificato si propaga nella struttura 31 ad indice di rifrazione ni nella zona dove è presente l effetto di confinamento dell’ onda elettromagnetica dovuto al core 35 di indice di rifrazione n3. La radiazione di pompa che propaga nel core 33 ad indice di rifrazione n2 può essere gradualmente trasferita alla struttura 31 a causa della sovrapposizione spaziale del modo di pompa nella zona attiva durante la propagazione lungo la direzione longitudinale delle guide d’onda.

A titolo di esempio tale struttura è stata studiata tramite un modello numerico tridimensionale. Il core passivo delle guida multimodale per la propagazione della radiazione della pompa ha dimensione 30x5 μm ed indice di rifrazione n2=1.535, la struttura 31 ha uno spessore uguale a 2 pm e indice di rifrazione nl=1.55, il core 35 nella struttura 32 ha dimensione 2x3 pm e indice di rifrazione n3=1.53, mentre n4=1.51

La figura 34 mostra il trasferimento di potenza di pompaggio nella regione attiva, in particolare mostra la percentuale di potenza di pompa airintemo e airestemo della struttura 31 in funzione della posizione longitudinale considerando all’ingresso dell’ amplificatore una potenza totale di pompa di 1W, e una potenza di segnale di -30dBm. La figura 35 mostra il rapporto di potenza del segnale all’ interno e fuori della struttura attiva 31 rispetto alla potenza totale di segnale. Il guadagno calcolato per un amplificatore della lunghezza di 3 cm è 8.08 dB.

L’invenzione, illustrata nella precedente descrizione in alcune forme di implementazione alternative, fornisce strutture funzionali di amplificatori a guida d’onda che utilizzano schemi di pompaggio di basso costo e di efficienza straordinariamente elevata. In tali applicazioni l’integrazione ed il basso costo hanno un ruolo fondamentale . Le strutture proposte, basate su sensibilizzazione di terre rare mediante nanocluster di silicio, sono intrinsecamente compatibili con i processi della tecnologia di fabbricazione C-MOS (acronimo di Complementary Metal Oxide Semiconductor); ciò può consentire l’integrazione di amplificatori ottici e laser in dispositivi opto-elettronici realizzabili con tecnologia CMOS con importanti applicazioni nella interconnessione ottica inter- ed intra-chip. D’altro canto le strutture proposte, basate su sensibilizzazione di terre rare mediante ioni Yb in vetri multicomponente, sebbene non strettamente C-MOS compatibili, offrono interessanti soluzioni pratiche per la realizzazione di amplificatori ottici e laser integrati a basso costo ed elevata potenza in uscita, con importanti applicazioni nelle reti di accesso e metro.

Ulteriori varianti e modifiche potranno essere apportate all’amplificatore di segnale o laser integrato a guida d’onda con core drogato con terre rare o drogato con terre rare e nanocluster di silicio secondo la presente invenzione senza per questo uscire dall’ambito protettivo dell’invenzione medesima.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo ottico di amplificazione a guida d’onda integrabile con core attivo a base di silice o altro composto dielettrico di silicio contenente uniformemente disperso almeno un sensibilizzatore, appartenente al gruppo composto da nano clusters di silicio o ioni di Itterbio, ed almeno ioni di una terra rara atta ad essere eccitata in un certo stato e stimolata a decadere in uno stato diseccitato dando luogo a emissione stimolata in una certa banda di lunghezze d’onda, ed una sorgente di radiazione di pompa a basso costo ed alta potenza appartenente al gruppo composto da diodi emettitori di luce o da diodi laser a larga area di emissione, comprendente: a) almeno un substrato di materiale idoneo alla definizione di strutture integrate pianamente; b) almeno una guida d’onda ottica su detto substrato per guidare uno o più segnali ottici in maniera monomodale, avente almeno un core attivo, come descritto sopra, con un primo indice di rifrazione ni in un cladding di un materiale dielettrico avente un secondo indice di rifrazione inferiore ad ni; c) almeno una guida d’onda ottica per guidare in maniera multimodale detta radiazione di pompa estendentesi adiacentemente a detta guida d’onda ottica monomodale; d) una sorgente esterna di radiazione di pompa a basso costo ed alta potenza; e) mezzi per accoppiare radiazione di pompa generata da detta sorgente esterna in detta guida d’onda ottica multimodale per essere trasferita nel core attivo ed assorbita da detto sensibilizzatore ed eccitare gli ioni di terra rara atti a dar luogo ad emissione stimolata nel core di detta prima guida d’onda ottica monomodale, in maniera progressiva lungo la direzione longitudinale di propagazione nel core.
2. 2. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 1, in cui dette guide d’onda estendentisi adiacentemente sono parti di una struttura integrata a doppio cladding per l accoppiamento di detta radiazione di pompa, guidata in maniera multimodale in uno strato di cladding interno di detta struttura, nel core attivo monomodale della struttura integrata.
3. 3. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 2, in cui detta guida d’onda multimodale della radiazione di pompa è definita da almeno uno strato di cladding esterno con indice di rifrazione inferiore a quello del cladding interno e quello del core attivo attorno a detto strato di cladding interno.
4. 4. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 1, in cui dette guide d’onda estendentisi adiacentemente sono strutture stratificate impilate una sull’altra o pianamente definite sul substrato affiancate l’una all’altra, e sono atte ad accoppiare detta radiazione di pompa in detto o detti core attivi attraverso un meccanismo di campo evanescente.
5. 5. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 1, in cui dette guide d’onda estendentisi adiacentemente sono strutture stratificate impilate una sull’altra o pianamente definite sul substrato affiancate l’una all’altra, e sono atte ad accoppiare detta radiazione di pompa in detto o detti core attivi attraverso un meccanismo di sovrapposizione della radiazione di pompa su detto o detti core attivi.
6. 6. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta guida d’onda ottica monomodale comprende una pluralità di core attivi estendentisi paralleli e spaziati nel materiale dielettrico ottico di cladding interno.
7. 7. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta pila di strutture stratificate include più guide d’onda monomodali di segnale a core singolo.
8. 8. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di alimentazione accoppiano la radiazione di pompa generata da detta sorgente esterna a basso costo ed alta potenza, e a banda larga e/o a larga area di emissione in detta guida d’onda multimodale ad un’estremità della stessa guida d’onda.
9. 9. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui detti mezzi di alimentazione accoppiano la radiazione di pompa generata da detta sorgente esterna a basso costo ed alta potenza, e a banda larga e/o a larga area di emissione in detta guida multimodale da entrambe le estremità della guida d’onda.
10. 10. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui detti mezzi di alimentazione accoppiano la radiazione di pompa generata da detta sorgente esterna a basso costo ed alta potenza, e a banda larga e/o a larga area di emissione in detta guida multimodale ad un fianco della guida.
11. 11. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre mezzi di accoppiamento end fìring di un segnale ottico di contenuto informatico ad un’estremità d’ingresso di detta guida d’onda monomodale di segnale per amplificare il segnale ottico disponibile all’altra estremità di uscita della stessa guida d’onda.
12. 12. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, comprendente inoltre terminazioni a specchio selettivo di ingresso e di uscita, rispettivamente, di detta guida d’onda ottica monomodale per costituire un laser integrato operante nella banda di guadagno delle terre rare considerate.
13. 13. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 12, in cui detti specchi selettivi sono strati di rivestimento dielettrico formati sulle superfìci d’ingresso e di uscita di dette guide d’onda ottiche integrate, lo strato a specchio selettivo sulla superficie di uscita del core monomodale di dette guide avente una riflettività compresa tra 70 e 90%.
14. 14. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 1, in cui detto sensibilizzatore consiste di nanoclusters di silicio.
15. 15. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 1, in cui detti ioni emettitori sono di Er.
16. 16. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 1, in cui detto sensibilizzatore consiste di ioni di Yb.
17. 17. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 16, in cui detto core è a base di vetro multi componente composto da Si02e da uno o più ossidi appartenenti al gruppo composto da P2O5, A1203e Ge02, co-drogato con ioni di Yb e di Er.
18. 18. Il dispositivo a guida d’onda integrato secondo la rivendicazione 17, in cui detto core è pianamente definito in un substrato di vetro multicomponente composto da Si02e da uno o più ossidi appartenenti al gruppo composto da P2Os , A1203e Ge02, co-drogato con ioni di Yb e di Er mediante una tecnica di scambio ionico.
19. 19. Metodo di pompaggio di un dispositivo ottico di amplificazione integrato a guida d'onda comprendente un substrato per strutture integrate pianamente, almeno una guida d'onda ottica su detto substrato per guidare uno o più segnali ottici in maniera monomodale, costituita da almeno un core attivo a base di silice o altro composto dielettrico di silicio con un primo indice di rifrazione ni e contenente, uniformemente dispersi nella silice o in altro composto dielettrico di silicio, almeno un sensibilizzatore, appartenente al gruppo composto da nanoclusters di silicio o ioni di itterbio, ed almeno ioni di una terra rara atta ad essere eccitata in un certo stato e stimolata a decadere in uno stato diseccitato emettendo radiazione per emissione stimolata in una certa banda di lunghezze d’onda, una struttura di materiale dielettrico avente un secondo indice di rifrazione inferiore a quello del core attivo, una sorgente esterna di radiazione di pompa a basso costo ed alta potenza, e a banda larga e/o a larga area di emissione, caratterizzato dal fatto di comprendere le operazioni di formare almeno una seconda guida d'onda ottica adiacentemente a detta guida d'onda ottica monomodale di materiale e dimensioni atte a guidare in maniera multimodale detta radiazione di pompa; accoppiare radiazione di pompa generata da detta sorgente esterna in detta guida d'onda ottica multimodale per essere trasferita alla detta guida d’onda ottica monomodale ed assorbita da detto sensibilizzatore ed eccitare gli ioni di terra rara atti a generare emissione stimolata nel core di detta prima guida d’onda ottica monomodale, in maniera progressiva lungo la direzione longitudinale di propagazione nel core.
20. 20. Dispositivo ottico di amplificazione a guida d’onda integrato e relativo metodo di pompaggio sostanzialmente come sopra descritto e illustrato con riferimento ai disegni annessi.