Guided and free space optical actuators enabled by electrochromic materials

This thesis is focused on the realization of intensity, non-volatile, low energy consumption and high efficiency optical actuators, both in guided and free-space propagation. In particular, a tuning mechanism never before exploited in photonics has been developed. It consists to exploit electrochromic materials that, undergoing an electrolytic process, change their stoichiometry in a well controllable way. Two promising materials have been identified and studied from an optical point of view: Tungsten trioxide WO3 and Vanadium Pentoxide V2O5. In both cases, the materials have shown high modulation of extinction coefficient as well as reversibility and non-volatility. Two waveguide actuators based on WO3 and V2O5 have been designed, that exhibit better performances then state-of-art non-volatile inegrated optical actuators. For instance, an extinction ratio of 20dB with only 0.1dB of insertion loss can be achieved in a compact device 10um long exploiting V2O5 on a Silicon waveguide. Finally, the capacity of the proposed electrochromic tuning approach has been successfully demonstrated on a free-space actuator exploiting tunable metasurfaces.

L'obiettivo di questa tesi è la realizzazione di un attuatore ottico d'intensità, non volatile, a basso consumo di energia ed alta efficienza. Sono state studiate soluzioni sia in propagazione guidata che in spazio libero. In particolare, è stato sviluppato un meccanismo di attuazione mai utilizzato prima in fotonica. Questo approccio consiste nell'utilizzo di materiali elettrocromici che, se sottoposti ad un processo elettrolitico, cambiano la loro stechiometria in modo controllabile. Da un punto di vista ottico, sono stati individuati e studiati due materiali molto promettenti: Triossido di Tungsteno WO3 e Pentossido di Vanadio V2O5. In entrambi i casi, i materiali hanno mostrato elevata modulazione del coefficiente di estinzione, ottima reversibilità e non volatilità. Sono stati progettati due attuatori in guida d'onda basati su WO3 e V2O5, che presentano delle prestazioni migliori rispetto allo stato dell'arte degli attuatori di intensità non volatili. Per esempio, è stato progettato un attuatore compatto (10um) in guida d'onda di Silicio coperta da V2O5 con perdita di inserzione di 0.1dB ed un rapporto di estinzione pari a 20dB. Infine, è stata dimostrata l'efficacia del meccanismo di attuazione proposto in un dispositivo in spazio libero che realizza una metasuperficie riconfigurabile.