Non-volatile switching of ferroelectric materials for integrated photonics

In integrated optics there is the need for compact, low-loss and low-energy consumption photonic actuators integrated in optical waveguides which could enable an efficient control of large scale integrated photonic circuits. To address this need, this work attempts to realise non-volatile actuators which can maintain its state without a continuous control signal. To this aim, this thesis exploits the possibility of utilising the electrical domain switching mechanism of polycrystalline Barium Titanate (BTO). Electrical experiments on the thin films show a refractive index change of 3*10^(-2) at a wavelength of 1550 nm. This enables to realise a phase actuator that provides a phase shift of pi in a compact-size device of only 100 microns length, with a low insertion loss (<0.1 dB). Retention and reversibility tests were performed on BTO films to demonstrate that the BTO refractive index change is non-volatile change over a time scale of several days, and is reversible with the application of a temperature which is above the Curie Temperature of the material (120 C).

In ottica integrata vi é la necessitá di attuatori fotonici compatti, a basse perdite e a basso consumo energetico integrati in guide d’onda ottiche che possano permettere un controllo efficiente di circuiti complessi ad elevata scala di integrazione. Per rispondere a questa esigenza, questo lavoro mira alla realizzazione di attuatori ottico integrati non volatili in grado di mantenere lo stato senza la necessitá di un segnale di controllo applicato con continuitá. A tale scopo, questa tesi sfrutta la possibilitá di utilizzare il meccanismo di commutazione dei domini ferroelettrici del titanato di bario (BTO) policristallino. Gli esperimenti elettrici sui film sottili mostrano un cambiamento dell’indice di rifrazione di 3*10^(-2) alla lunghezza d’onda di 1550 nm. Questo consente di realizzare un attuatore di fase in grado di fornire uno sfasamento di pi in un dispositivo dalle dimensioni molto compatte (< 100 microns ), con una bassa perdita di inserzione (< 0.1 dB). Test di nonvolatilitá e di reversibilitá sono stati eseguiti su film di BTO dimostrando che la variazione di indice di rifrazione si mantiene su una scala temporale di diversi giorni ed é reversibile con l’applicazione di una temperatura superiore alla temperatura di Curie del materiale (120 C).