Development of an Optofluidic Platform in Lithium Niobate

Optofluidics is a promising interdisciplinary research and technological field, thanks to its wide potential of application in sector like medicine, chemistry, biology and environmental science. In this context the study of innovative materials including their properties, their efficiency, their limits and their possibility of leading to miniaturized devices is the key point for the overcoming of currently adopted strategies. A promising material that could satisfy new optofluidic requirements is Lithium Niobate (LiNbO3 - LN) thanks to its excellent optical and nonlinear optical properties. In this work we demonstrated for the first time the applicability of the Lithium Niobate as a high intagrable and tailorable substrate for optofluidics. As a matter of fact, we developed all the several stages that can be interconnected to realize a platform with complex optofluidic functionalities: from the droplets generation and manipulation, to their transfer through a microfluidic channel directly engraved on the crystal substrate, to the droplets optical analysis stage. In particular in this thesis we present the first high performant T-Junction droplet generator completely engraved in LN, and the first Ti in-diffused channel waveguide coupled with a microfluidic channel in the same substrate. Furthermore a study on the wetting properties of the Lithium Niobate is discussed. Concerning the optical stage we discuss the realization of optical frequency converter realized in LN, which plays a key role in the development of our optofluidic platform. In fact it can be used to integrate a laser source in the green-blue range that could found application particularly in the biological field. Moreover we present the first frequency converter in the PPLN configuration realized in Zirconium doped LN, a dopants that prevent the optical damage and therefore could increase the intensity of work and the efficiency of conversion of the devices. Also we implemented the process to produce single-mode channel waveguide by Ti in-diffusion as interconnection stage for the optical circuit. Concluding, we were able to implement a well-equipped tool-box for the incorporation of different devices on the same substrate, demonstrating for the first time the integration of all the different stages in a single substrate, and paving the way to an extreme optofluidic integration in Lithium Niobate.

L’optofluidica è un promettente settore di ricerca interdisciplinare con altrettante interessanti applicazioni tecnologiche. Questo grazie al suo ampio potenziale in settori quali la medicina, la chimica, la biologia e le scienze ambientali. In questo contesto uno studio di materiali innovativi che includa le loro proprietà, la loro efficienza, i loro limiti e la loro possibilità di produrre dispositivi miniaturizzati è fondamentale per superare le attuali strategie adottate. Un materiale promettente per soddisfare i requisiti dell’optofluidica è il Niobato di Litio (LN o LiNbO3), un materiale conosciuto per le sue eccellenti proprietà ottiche lineari e non lineari e che qui discutiamo per la prima volta in un contesto optofluidico. In questo lavoro abbiamo dimostrato l’applicabilità del Niobato di Litio come substrato altamente integrabile e adattabile per l’optofluidica. Abbiamo infatti sviluppato tutti i diversi stadi che possono essere interconnessi per realizzare una piattaforma con funzionalità complesse optofluidiche: dalla produzione di gocce, alla loro manipolazione, al loro trasporto in canali microfluidici realizzati nel cristallo, fino all’analisi ottica delle stesse. In particolare nella tesi sono presentati il primo generatore di gocce a giunzione a T completamente fabbricato su Niobato di Litio e la prima guida d’onda a canale in Titanio diffuso accoppiata con un canale. Infine abbiamo proposto il primo studio completo sulla bagnabilità del Niobato di Litio. Per quanto riguarda lo stadio ottico, abbiamo realizzato dei convertitori di frequenza ottica, dispositivi che giocano un importante ruolo nel progetto, in quanto possono essere usati come sorgenti laser integrate con emissione nell’intervallo verde-blu, uno spettro che trova molte applicazioni nell’ambito biologico. In questo contesto abbiamo realizzato il primo convertitore di frequenza con configurazione PPLN realizzato su Niobato di Litio drogato Zirconio, un nuovo tipo di drogante che prevenendo il danno ottico è in grado di aumentare l’intensità di lavoro e l’efficienza di conversione di questi dispositivi. Abbiamo infine implementato il processo per produrre guide ottiche a canale monomodo per diffusione di Titanio, dispositivi necessari per connettere le diverse parti del circuito ottico. In conclusione con questo lavoro abbiamo implementato un’ampia categoria di dispositivi, per la prima volta tutti contemporaneamente integrabili su un singolo substrato. Abbiamo perciò aperto la strada verso un’elevata integrazione di funzionalità optofluidiche su Niobato di Litio.