Erbium-doped lithium niobate on insulator: photoluminescence and optical resonator applications

Since the 1960s, lithium niobate has been widely used in photonic devices due to its exceptional optical properties, such as high nonlinearity, transparency over a broad wavelength range, and the electro-optic effect. At the same time, erbium has gained importance for its emission at 1550 nm, a key wavelength in telecommunications because it minimizes signal losses in optical fibers. The integration of erbium into lithium niobate devices allows for the combination of both materials' properties, enabling the creation of devices that can produce, amplify, or manipulate signals at this wavelength. However, erbium's absorption and emission properties are relatively weak, so it is often introduced in high concentrations. Among all the possible doping methods, ion implantation is effective for selectively doping of specific areas of the material, allowing even the implantation of single ions, which is ideal for creating single-photon sources. This thesis is divided into two experimental parts. The first part describes the characterization of an apparatus for measuring erbium photoluminescence in lithium niobate at room temperature. This photoluminescence came from a sample doped with low concentrations of erbium via ion implantation, resulting in minimal emission. The results were qualitatively consistent with theoretical predictions, and this apparatus can be further developed to map erbium-doped regions in any device doped in this way. The second part focuses on the modeling and experimental study of optical cavities in lithium niobate, consisting of two back to back Bragg gratings formed by periodic modulation of the thickness of the waveguide in which they lay, again doped with erbium through ion implantation. These cavities, designed to be resonant around 1550 nm, were studied for small-signal amplification when pumped at 974 nm, showing limited gain that was independent of the cavity itself. Additionally, the cavity’s influence on erbium’s spontaneous emission was observed, revealing amplification or suppression phenomena due to the Purcell effect for potential single photon source and quantum memory applications.

A partire dagli anni Sessanta, il niobato di litio è stato ampiamente utilizzato nei dispositivi fotonici per le sue eccezionali proprietà ottiche come l’elevata non linearità, la trasparenza in un ampio intervallo di lunghezze d’onda e l’effetto elettro-ottico. Parallelamente, l’erbio ha guadagnato importanza per la sua emissione a 1550 nm, una lunghezza d’onda fondamentale nelle telecomunicazioni in quanto minimizza le perdite di segnale nelle fibre ottiche. L’integrazione dell’erbio in dispositivi di niobato di litio permette di combinare le proprietà di entrambi, creando dispositivi per produrre, amplificare o manipolare segnali a questa lunghezza d’onda. Tuttavia, le proprietà di assorbimento ed emissione dell’erbio sono piuttosto deboli, motivo per cui viene spesso introdotto in alte concentrazioni. Tra tutti i possibili metodi di drogaggio, l’impiantazione ionica è un metodo efficace per drogare selettivamente aree specifiche del materiale, permettendo perfino l’inserimento di singoli ioni, ideale per la creazione di sorgenti di singolo fotone. Questa tesi si divide in due parti sperimentali. La prima descrive la caratterizzazione di un apparato per misurare la fotoluminescenza dell’erbio in niobato di litio a temperatura ambiente. Questa fotoluminescenza proviene da un campione drogato con erbio a basse concentrazioni tramite impiantazione ionica, risultando quindi in bassissima emissione. I risultati sono stati in accordo qualitativo con le previsioni teoriche, e l’apparato potrà essere ulteriormente sviluppato per mappare le aree drogate di un qualunque dispositivo impiantato con erbio in questo modo. La seconda parte riguarda la modellizzazione e lo studio sperimentale di cavità ottiche in niobato di litio, costituite da due reticoli di Bragg affacciati formati dalla modulazione periodica dello spessore della guida d’onda in cui giacciono, drogate con erbio sempre tramite impiantazione ionica. Queste cavità, progettate per essere risonanti attorno a 1550 nm, sono state studiate per l’amplificazione di piccoli segnali pompando a 974 nm, mostrando un guadagno limitato e indipendente dalla cavità. Inoltre, è stata osservata l’influenza della cavità sull’emissione spontanea dell’erbio, rivelando fenomeni di amplificazione o soppressione per effetto Purcell per potenziali applicazioni come sorgenti di singolo fotone e memorie quantistiche.