"Ottimizzazione e Simulazione di 'Guide d'Onda Nonlineari Intermodali in GaN per Applicazioni nel Medio Infrarosso'"

This thesis presents a comprehensive study on the optimization and simulation of intermodal nonlinear waveguides in gallium nitride (GaN) on sapphire for mid-infrared (Mid-IR) applications. Mid-IR photonics holds significant promise for a range of applications, including chemical sensing, environmental monitoring, and telecommunications. The work begins by exploring the optical and material properties of GaN on sapphire substrates, emphasizing their advantages for Mid-IR photonics compared to other platforms. A detailed examination of waveguide theory and nonlinear optical effects in GaN is carried out, with a focus on propagation losses, dispersion, mode coupling, and the mechanisms of intermodal nonlinear phenomena such as intermodal four-wave mixing (FWM) and intermodal difference frequency generation (DFG). The design and optimization strategies for Mid-IR frequency generation are then addressed, focusing on the use of DFG and FWM. Various design strategies and optimizations, including phase matching and waveguide dimension tuning, are explored for both intermodal DFG and FWM, with and without the use of a PMMA cladding. Finally, the thesis offers a comparative analysis of the performance implications of different designs, highlighting the key findings and their contributions to the field of Mid-IR photonics. The conclusion outlines the potential directions for future research and development, with emphasis on further studies to enhance the performance and applicability of GaN-based nonlinear waveguides in Mid-IR applications.

Questa tesi presenta uno studio approfondito sull'ottimizzazione e la simulazione di guide d'onda nonlineari intermodali in nitruro di gallio (GaN) su zaffiro per applicazioni nel medio infrarosso (Mid-IR). La fotonica Mid-IR offre un grande potenziale per una vasta gamma di applicazioni, tra cui la rilevazione chimica, il monitoraggio ambientale e le telecomunicazioni. Il lavoro inizia esplorando le proprietà ottiche e dei materiali del GaN su substrati di zaffiro, evidenziando i loro vantaggi per la fotonica Mid-IR rispetto ad altre piattaforme. Viene condotto un esame dettagliato della teoria delle guide d'onda e degli effetti ottici nonlineari nel GaN, con particolare attenzione alle perdite di propagazione, alla dispersione, all'accoppiamento dei modi e ai meccanismi dei fenomeni nonlineari intermodali come il four-wave mixing (FWM) intermodale e la generazione di frequenza differenza (DFG) intermodale. Le strategie di progettazione e ottimizzazione per la generazione di frequenze nel Mid-IR vengono quindi affrontate, concentrandosi sull'uso di DFG e FWM. Vengono esplorate varie strategie di progettazione e ottimizzazioni, tra cui l'accoppiamento di fase e la regolazione delle dimensioni della guida d'onda, sia per DFG che per FWM intermodali, con e senza l'uso di un rivestimento in PMMA. Infine, la tesi offre un'analisi comparativa delle implicazioni prestazionali dei diversi progetti, evidenziando i risultati chiave e il loro contributo al campo della fotonica Mid-IR. La conclusione delinea le potenziali direzioni per la ricerca e lo sviluppo futuri, con particolare enfasi su ulteriori studi volti a migliorare le prestazioni e l'applicabilità delle guide d'onda nonlineari a base di GaN nelle applicazioni Mid-IR.