Fabrication of integrated optical elements via ion beam implantation and irradiation for telecommunication applications  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
101223
Type K
Principal investigator Bányász, István
Title in Hungarian Integrált optikai elemek készítése ionimplantálással és besugárzással távközlési alkalmazásra
Title in English Fabrication of integrated optical elements via ion beam implantation and irradiation for telecommunication applications
Keywords in Hungarian optikai hullámvezető, optikai kristály, optikai üveg, ionimplantáció, ionsugaras besugárzás, nukleáris roncsolás, elektronikus roncsolás, hullámvezető-lézer. hullámvezető-erősítő
Keywords in English optical wavegeuide, optical crystal, optical glass, ion implantation, ion irradiation, nuclear damage, electronic damage, waveguide laser, waveguide amplifier
Discipline
Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences)80 %
Telecommunication (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Telecommunications engineering
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Material Science by Nuclear Methods Department (Wigner Research Centre for Physics of the Hungarian Academy of Sciences)
Participants Corradi, Gábor
Fried, Miklós
Kótai, Endre
Németh, Attila
Szilágyi, Edit
Zolnai, Zsolt
Starting date 2012-01-01
Closing date 2015-12-31
Funding (in million HUF) 19.694
FTE (full time equivalent) 7.65
state closed project
Summary in Hungarian
A modern optikai távközlés egyik legfontosabb és legdinamikusabban fejlődő területe az egyre előnyösebb tulajdonságú alapvető integrált optikai elemek kutatása és fejlesztése. A pályázatban javasolt kutatás célja aktív és passzív optikai hullámvezetők és más integrált optikai elemek létrehozása ritkaföldfémmel adalékolt üvegekben és optikai kristályokban. A tervezett kutatások keretében két módszert használunk a hullámvezetők készítésére. Az első módszer az ionimplantálás a 0,5 - 3,5 MeV energiatartományban. Korábbi eredményeink alapján, az általános gyakorlattól eltérően, nem könnyű ionok (proton és hélium), hanem közepes tömegű ionok (nitrogén) használatát tervezzük. A második módszer a gyors nehézionokkal történő besugárzás, amelyet az utóbbi néhány évben kezdtek alkalmazni hullámvezetők készítésére. E módszer abban különbözik az ionimplantálástól, hogy a hullámvezető szerkezet kialakításában nem a nukleáris, hanem az elektronikus kölcsönhatás dominál. Használatával lerövidíthető a hullámvezetők készítésének ideje, mert lényegesen alacsonyabb dózisok elegendőek a kívánt törésmutató-változás eléréséhez. Egyes anyagokban, mint pl. az erbiummal adalékolt wolfram - tellurit üvegek, az ionimplantálás illetve besugárzás tűnik a legjobb módszernek csatorna hullámvezetők létrehozására. Több energián történő ionimplantálás illetve besugárzás segítségével tökéletesített (jobb módusszerkezetű és kisebb terjedési veszteségű) hullámvezetők készítését tervezzük. Az így elkészített hullámvezetők várhatóan alkalmasak lesznek hullámvezető erősítők és lézerek készítésére.
Summary
Research and development of basic integrated optical elements with improved characteristics is one of the most important and dynamically growing fields of modern optical telecommunication. The aim of the proposed research is fabrication of active and passive optical waveguides and other integrated optical elements in rare earth element - doped glasses and optical crystals. Two methods are proposed for the fabrication of waveguides. The first one is ion implantation in the 0.5 - 3.5 MeV energy range. Based on our previous results, use of medium-mass ions (nitrogen) is planned, instead of the widely used light ions (proton and helium). The second method is irradiation with swift heavy ions that has been applied to waveguide fabrication in the last couple of years. The difference between this method and ion implantation is that the dominant phenomenon leading to formation of waveguide structure in the case of irradiation is electronic interaction, while it is the nuclear interaction which dominates in ion implantation. Use of irradiation with swift heavy ions may reduce fabrication time, since significantly lower doses are required to obtain the necessary refractive index modulation than in the case of ion implantation. For fabrication of channel waveguides in certain materials, e.g. in erbium - doped tungsten - tellurite glasses, ion implantation or irradiation seem to be the best methods. Fabrication of improved waveguides (of better mode structure and lower losses) is planned using multi-energy ion implantation or irradiation. It is expected that waveguides fabricated by the proposed methods would be suitable for preparation of waveguide amplifiers and lasers.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A projekt célja az volt, hogy – a résztvevők által korábban elért eredményekre támaszkodva – olyan aktív és passzív sík és csatorna hullámvezetőket tervezzünk és készítsünk adalékolatlan és ritkaföldfémekkel adalékolt kristályokban és üvegekben ionnyalábok felhasználásával, amik alkalmasak lehetnek az optikai távközlésben történő felhasználásra. A kitűzött célok teljesítésén túl, annak köszönhetően, hogy a projekt kezdete után hazai és nemzetközi együttműködések keretében sikerült fókuszált ionnyalábokat előállító gyorsítókon kísérleteket végezni, egyrészt a csatorna hullámvezetők készítésének új módszerét is kidolgoztuk, másrészt egy teljesen új módszert fejlesztettünk ki diffraktív és refraktiv optikai elemek készítésére fókuszált ionnyalábokkal. Az utóbbi módszer szabadalmaztatása folyamatban van. Egy másik nemzetközi együttműködés keretében ritkaföldfémmel adalékolt üveg mintákat nagy energiájú elektronnyalábbal sugároztuk be sík hullámvezetők készítése céljából. A többszintű optoelektronikai elemek modellezésére két módszerrel (több energiás implantálás az 500 keV – 3.5 MeV tartományban, valamint ismételt rétegnövesztés és alacsony energiájú (130 keV) implantálás kombinációja) Bragg rácsokat készítettünk.
Results in English
The aim of the project was design and fabrication of active and passive planar and channel optical waveguides in undoped and rare-earth ion doped crystals and glasses for possible application in optical telecommunication. The project was based on the results of previous research projects of the participants. Besides of complying with the aims of the research project and thanks to access to national and foreign particle accelerators, a novel method for channel waveguide fabrication was developed. Another important result of the project was the development of a new method for the fabrication of diffractive and refractive optical elements using ion beams. A patent application on the latter results is under way. In the framework of another co-operation, high-energy electron beam irradiation was also used for the production of planar optical waveguides in rare-earth doped glasses. Two methods were developed to produce simple models of the multi-level optoelectronic elements. The first one was based on multi-energy (500 keV – 3.5 MeV) ion implantation for the fabrication of Bragg gratings. The second method consists of preparing the Bragg grating as a stack of thin layers produced by repeated layer deposition and low-energy (130 keV) implantation.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101223
Decision
Yes





 

List of publications

 
I. Bányász: Effects of nonlinearity and finite spatial resolution of silver halide recording materials on the reconstructed holographic image, 10th International Symposium on Display Holography, Sankt Petersburg, Russia, 28 June – 3 July 2015., 2015
E. Szilágyi, I. Bányász, E. Kótai, A. Németh, C. Major, M. Fried and G. Battistig: Determination of migration of ion-implanted Ar and Zn in silica by backscattering spectrometry, Radiation Effects and Defects in Solids, 170, pp. 229-237 , 2015, DOI: 10.1080/10420150.2015.1039534, 2015
O. Peña-Rodríguez, J. Olivares, I. Bányász: Optical properties of crystalline and ion-beam amorphized Bi12GeO20: Relevance for waveguide applications, Optical Materials, Volume 47, September 2015, Pages 328–332 (2015), doi:10.1016/j.optmat.2015.05.050, 2015
I. Bányász; E. Szilágyi; A. Németh; M. Veres; L. Himics; S. Pelli; G. Nunzi Conti; G. C. Righini; S. Berneschi; M. Fried; T. Lohner; P. Petrik; Z. Zolnai; N.Q. Khanh; I. Rajta; G.U.L. Nagy; V. Havranek; V. Vosecek; V. Lavrentiev: Functional and structural characterization of integrated optical elements fabricated in glasses and crystals by various ion beam techniques, Conference REI-18, 26 - 31 November 2015, Jaipur, India, in: 18th International Conference on Radiation Effects in Insulators, Book of Abstracts, p., 2015
I. Bányász; S. Pelli; G. Nunzi Conti; G. C. Righini; S. Berneschi; E. Szilágyi; A. Németh; M. Fried; T. Lohner; P. Petrik; Z. Zolnai; N.Q. Khanh; I. Rajta; G.U.L. Nagy; V. Havranek; V. Vosecek; V. Lavrentiev M. Veres; L. Himics: Design and fabrication of integrated optical elements in glasses and crystals by various ion beam techniques, invited talk, 12th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (AccApp '15), November 8-12, 2015, Washington, D.C., USA, 2015
Szilágyi E, Bányász I, Kótai E, Németh A, C Major A, Fried M and G. Battistig: Migration of ion-implanted Ar and Zn in silica determined by backscattering spectrometry and ellipsometry, Book of Abstracts: 22nd International Conference on Ion Beam Analysis June 14 – June 19, 2015 Opatija, Croatia, (Eds: Iva Bogdanović Radović, Milko Jakšić, Marko Karlušić, 2015
Bányász I, Rajta I, Nagy GUL, Zolnai Z, Havranek V, Pelli S, Veres M, Himics L, Berneschi S, Nunzi-Conti G, Righini GC: Ion beam irradiated optical channel waveguides, Proc. SPIE 8988, Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XVIII, 898814 (2014), 2014
Banyasz I, Berneschi S, Bettinelli M, Brenci M, Fried M, Khanh NQ, Lohner T, Conti GN, Pelli S, Petrik P, Righini GC, Speghini A, Watterich A, Zolnai Z: MeV Energy N+-Implanted Planar Optical Waveguides in Er-Doped Tungsten-Tellurite Glass Operating at 1.55 mu m, IEEE PHOTONICS J 4: (3) 721-727, 2012
Bányász I, Berneschi S, Khánh N Q, Lohner T, Lengyel K, Fried M, Péter A, Petrik P, Zolnai Z, Watterich A, Nunzi-Conti G, Pelli S, Righini G C: Formation of slab waveguides in eulytine type BGO and CaF2 crystals by implantation of MeV nitrogen ions, NUCL INSTRUM METH B 286: (1) 80-84, 2012
I. Bányász, J. Olivares, O. Peña-Rodríguez, S. Berneschi, S. Pelli, G. Nunzi-Conti, G. C. Righini, G.U.L. Nagy, I. Rajta, V. Havranek, V. Vosecek, Z. Zolnai, M. Veres, L. Himics: Design and fabrication of waveguides and optical gratings in crystals and glasses via swift heavy ion irradiation, 9th International Conference on Swift Heavy Ions in Matter, Abstract Book, p. 60, Darmstadt, Germany, 18-21 May 2015, 2015
I. Bányász, S. Berneschi, N. Q. Khanh, T. Lohner, K. Lengyel, M. Fried, Á. Péter, P. Petrik, Z. Zolnai, A. Watterich, G. Nunzi-Conti, S. Pelli and G. C. Righini: Formation of slab waveguides in eulytine and sillenite type BGO and CaF2 crystals by implantation of MeV nitrogen ions, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2012
Bányász I, Zolnai Z, Pelli S, Berneschi S, Nunzi Conti G, Fried M, Lohner T, Petrik P, Brenci M, Righini GC: Fabrication of barrier-type slab waveguides in Er3+ - doped tellurite glass by single- and double energy MeV N+ ion implantation, Proc. of SPIE, Vol. 8264, 826406, 2012
I. Bányász, S. Berneschi, M. Bettinelli, M. Brenci, M. Fried, N.Q. Khanh, T. Lohner, G. Nunzi Conti, S. Pelli, P. Petrik, G.C. Righini, A. Speghini, A. Watterich, Z. Zolnai: MeV energy N+ - implanted planar optical waveguides in Er-doped tungsten-tellurite glass operating at 1.55 µm, IEEE Photonics Journal, Volume 4, Issue 3, pp. 721-7 , DOI: 10.1109/JPHOT.2012.2194997, 2012
S. Pelli, G.C. Righini, M. Fried, N.Q. Khánh, T. Lohner, P. Petrik, Z. Zolnai, I. Bányász: Er-doped tungsten-tellurite N+ - implanted waveguides: optical and spectroscopic characterization, 4th International Workshop on PHOTOLUMINESCENCE IN RARE EARTHS: PHOTONIC MATERIALS AND DEVICES (PRE'12), Kyoto, Japan, 28 – 30 March 2012, P-75,, 2012
I. Bányász, I. Rajta, G.U.L. Nagy: Design and focussed proton beam fabrication of transmission optical gratings of quasi-sinusoidal profile in glass, 13th International Conference on Microprobe Technology and Applications, Lisbon, Portugal, 22-27 July 2012, 2012
I. Bányász, S. Berneschi, M. Fried, T. Lohner, G. Nunzi Conti, G.C. Righini, S. Pelli, Z. Zolnai, M-line spectroscopic, spectroscopic ellipsometric and microscopic measurements of optical waveguides fabricated by MeV-energy N+ ion irradiation for telecom applications: M-line spectroscopic, spectroscopic ellipsometric and microscopic measurements of optical waveguides fabricated by MeV-energy N+ ion irradiation for telecom applications, he Spring Meeting of the E-MRS, Strasbourg, France, 14 -19 April 2012, 2012
I. Bányász , J. Olivares , O. Peña-Rodriguez , M. L. Crespillo, Z. Zolnai, M. Fried, T. Lohner, S. Berneschi, G. Righini, S. Pelli , G. Nunzi Conti: Single - and double energy swift and slow heavy ion irradiated optical waveguides in Er: Tungstene-Tellurite glass and BGO for telecom applications, 18th International Conference on Ion Beam Modification of Materials, 2 -7 September 2012, Qingdao, China, 2012
Bányász I, Berneschi S, Fried M, Lohner T, Conti GN, Righini GC, Pelli S, Zolnai Z: M-line spectroscopic, spectroscopic ellipsometric and microscopic measurements of optical waveguides fabricated by MeV-energy N+ ion irradiation for telecom applications, THIN SOLID FILMS 541: 3-8, 2013
Bányász I, Zolnai Z, Fried M, Lohner T, Berneschi S, Righini GC, Pelli S, Nunzi-Conti G: Single- and double energy N+ ion irradiated planar optical waveguides in Er: Tungsten-tellurite oxide glass and sillenite type Bismuth Germanate crystals working up to telecommunications wavelengths, NUCL INSTRUM METH B 307: 299-304, 2013
I. Bányász ; Z. Zolnai ; S. Pelli ; S. Berneschi ; M. Fried ; T. Lohner ; G. Nunzi-Conti ; G. C. Righini: Single- and double-energy N+ - irradiated planar waveguides in eulytine and sillenite type BGO crystals, Proc. SPIE 8627, Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XVII, 862705, 2013
I. Bányász, G.U.L. Nagy, I. Rajta, V. Havranek, V. Vosecek, V. Lavrentiev: Design and focused ion beam fabrication of transmission optical gratings of quasi-sinusoidal profile in glass, Conference REI-17, Helsinki, Finland, 30 June – 5 July 2013, 2013
I. Bányász , Z. Zolnai, M. Fried, S. Berneschi, S. Pelli , G. Nunzi Conti: Leaky mode suppression in planar optical waveguides written in Er:TeO2-WO3 glass and CaF2 crystal via double energy implantation with MeV N+ ions, Conference REI-17, Helsinki, Finland, 30 June – 5 July 2013, 2013
I. Bányász, I. Rajta, G.U.L. Nagy, Z. Zolnai, V. Havranek, S. Pelli, M. Veres, S. Berneschi , G. Nunzi-Conti and G. C. Righini: Fabrication of optical channel waveguides in crystals and glasses using macro- and micro ion beams, Conference ECAART-11. Namur, Belgium, 8 – 13 September 2013, 2013
Zsolt Zolnai: Shape, size, and atomic composition analysis of nanostructures in 3D by Rutherford backscattering spectrometry, APPLIED SURFACE SCIENCE 281: pp. 17-23, 2013
Bányász I, Zolnai Z, Pelli S, Berneschi S, Nunzi Conti G, Fried M, Lohner T, Petrik P, Brenci M, Righini GC: Fabrication of barrier-type slab waveguides in Er3+ - doped tellurite glass by single- and double energy MeV N+ ion implantation, Proc. of SPIE, Vol. 8264, 826406, 2012
I. Bányász, S. Berneschi, M. Bettinelli, M. Brenci, M. Fried, N.Q. Khanh, T. Lohner, G. Nunzi Conti, S. Pelli, P. Petrik, G.C. Righini, A. Speghini, A. Watterich, Z. Zolnai: MeV energy N+ - implanted planar optical waveguides in Er-doped tungsten-tellurite glass operating at 1.55 µm, IEEE Photonics Journal, Volume 4, Issue 3, pp. 721-7 , DOI: 10.1109/JPHOT.2012.2194997, 2012
Bányász I, Zolnai Z, Fried M, Berneschi S, Pelli S, Nunzi-Conti G: Leaky mode suppression in planar optical waveguides written in Er:TeO2–WO3 glass and CaF2 crystal via double energy implantation with MeV N+ ions, NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION B-BEAM INTERACTIONS WITH MATERIALS AND ATOMS 321: pp. 81-85. (2014), 2014
Bányász I, Rajta I, Nagy GUL, Zolnai Z, Havranek V, Pelli S, Veres M, Berneschi S, Nunzi-Conti G, Righini GC: Fabrication of optical channel waveguides in crystals and glasses using macro- and micro ion beams, NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION B-BEAM INTERACTIONS WITH MATERIALS AND ATOMS 331: pp. 157-162. (2014), 2014
Bányász I, Berneschi S, Khánh N Q, Lohner T, Lengyel K, Fried M, Péter A, Petrik P, Zolnai Z, Watterich A, Nunzi-Conti G, Pelli S, Righini G C: Formation of slab waveguides in eulytine type BGO and CaF2 crystals by implantation of MeV nitrogen ions, NUCL INSTRUM METH B 286: (1) 80-84, 2012





 

Events of the project

 
2017-02-24 20:00:40
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Alkalmazott és Nemlineáris Optikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: RMI - Nukleáris Anyagtudományi Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).
2013-01-24 09:23:34
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Kristályfizikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Alkalmazott és Nemlineáris Optikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).




Back »