Large-scale 3D nonlinear woodpile photonic crystals in barium titanate

The experimental realization of three-dimensional nonlinear photonic crystals is one of the greatest challenges in the field of nonlinear optics. These structure could be useful for the generation and control of coherent light at new frequencies in three dimensions and for their applications in integrated all-optical microphotonic circuits. However, 3D nonlinear photonic crystals are not commercially available due to fabrication challenges: the nonlinear materials that exhibit SHG, like lithium niobate and barium titanate, are difficult to structure due to their chemical inertness that makes any top-down chemistry based etching fabrication complex. In addition, the major technical challenge is to fabricate large-scale 3D nonlinear photonic crystals. The typical dimensions of 3D nonlinear photonic crystals reported in recent experiments do not exceed a hundred micrometers. In this work, we present the development of a solution-based bottom-up soft-nanoimprint lithography as an inexpensive and scalable method for producing barium titanate based 3D nonlinear photonic crystals, compared to common top-down fabrication approaches, that in general are high-costly and time-consuming. We success in fabricate large-scale nonlinear woodpile photonic crystals in barium titanate with one to eight layers, exploiting soft-nanoimprint lithography technique. The surface area of the fabricated structures is in the order of 1.0 cm^2 and the periodicity in the order of micrometer. To the best of our knowledge, this is the largest 3D photonic crystal made of a nonlinear material produced so far. The woodpile structure allows for a layer-by-layer stacking, that could be easily extended and adapted to industrial context. Going into more detail, the final objective of this work is to fabricate three-dimensional nonlinear woodpile photonic crystals, up to 8 layers, and investigate their linear and nonlinear properties, to demonstrate a cubic photonic crystal structure. In addition, the FDTD module of Lumerical is used to simulate the transmission spectra of the fabricated structures and to design a photonic crystal having the band gap centered at a desired wavelength. Such a 3D crystal provides a promising platform for future nonlinear optical studies based on its unique ability to control nonlinear interacting waves in 3D configuration.

La realizzazione sperimentale di cristalli fotonici non lineari tridimensionali è una delle più grandi sfide nel campo dell'ottica non lineare. Queste strutture sono utili per la generazione e il controllo di luce coerente a nuove frequenze in tre dimensioni e per le loro applicazioni nei circuiti ottici integrati. Tuttavia, i cristalli fotonici non lineari tridimensionali non sono disponibili in commercio a causa di criticità nella fase di fabbricazione: i materiali non lineari che consentono la generazione di seconda armonica, come il niobato di litio e il titanato di bario, non sono semplici da trattare a causa della loro inerzia chimica che rende complessa la fabbricazione con approccio top-down. Inoltre, la principale sfida tecnica è quella di fabbricare cristalli fotonici non lineari tridimensionali su larga scala. Le dimensioni tipiche dei cristalli fotonici non lineari tridimensionali riportate nei recenti esperimenti non superano il centinaio di micrometri. In questo lavoro, presentiamo la litografia soft-nanoimprint bottom-up come metodo scalabile ed economico, rispetto ai comuni approcci top-down, che in genere sono costosi e richiedono molto tempo, per la produzione di cristalli fotonici non lineari tridimensionali in titanato di bario. Siamo riusciti a fabbricare cristalli fotonici non lineari in titanato di bario su larga scala con struttura a woodpile da uno a otto strati, utilizzando la tecnica della litografia soft-nanoimprint. La superficie delle strutture così fabbricate è nell'ordine di 1.0 cm^2 e la periodicità nell'ordine del micrometro. Per quanto ne sappiamo, questo è il più grande cristallo fotonico tridimensionale in materiale non lineare prodotto fino ad oggi. La struttura a woodpile consente l'impilamento strato per strato che può essere facilmente esteso e adattato ad un contesto industriale. Andando più nel dettaglio, l'obiettivo finale di questo lavoro è quello di fabbricare cristalli fotonici tridimensionali non lineari con una struttura a woodpile, fino a 8 strati, studiarne le proprietà lineari e non lineari e dimostrarne la struttura fotonica cubica. Inoltre, con il modulo FDTD di Lumerical vengono simulati gli spettri di trasmissione delle strutture fabbricate e viene progettato un cristallo con il band gap centrato su una lunghezza d'onda desiderata. I cristalli così prodotti costituiscono una piattaforma promettente per i futuri studi di ottica non lineare, grazie alla loro capacità unica di controllare la luce non lineare nell'intero spazio tridimensionale.