Optical Active Thin Films for Micro-Cavity Lasers

Lo studio delle microcavità ottiche riveste un grande interesse per applicazioni in svariati campi, quali la ricerca di sorgenti laser tunabili e compatte, filtri per le telecomunicazioni, sensori chimici e biologici, etc. Le microcavità ottiche sono fondamentali per l’ottenimento di dispositivi laser compatti, aventi bassa soglia di emissione laser, ove il campo elettromagnetico è confinato in volumi estremamente ridotti, con conseguente aumento dell’interazione radiazione-materia,. Tra le possibili architetture della cavità risonante, per dispositivi pompati otticamente, i cristalli fotonici rappresentano una delle soluzioni più promettenti. Questi ultimi sfruttano la periodicità in una o più direzioni e sono risonanti con determinate lunghezze d’oda della radiazione elettromagnetica. In un cristallo fotonico bidimensionale il confinamento verticale è garantito dal profilo verticale dell’indice di rifrazione, mentre il confinamento nel piano del cristallo è opera della strutture periodica. Nei cristalli fotonici il contrasto di indice di rifrazione della struttura periodica è tale da aprire un intervallo completo di energie proibite per la propagazione della radiazione nel mezzo. Essa può quindi essere confinata in volumi molto piccoli, dell’ordine del cubo della lunghezza d’onda, con fattori di qualità sperimentali superiori a 106. Inoltre i valori ottenuti sperimentalmente sono inferiori a quelli previsti teoricamente, e ulteriori passi in avanti saranno possibili con lo sviluppo delle tecniche litografiche e di produzione del materiale attivo. I cristalli fotonici nei quali il contrasto di indice di rifrazione è insufficiente per aprire un band-gap completo si comportano come reticoli distributed feedback, DFB. In un dispositivo DFB, i modi risonanti ricevono il feedback a lunghezze d’onda specifiche, determinate dal periodo del reticolo. La forza dell’accoppiamento è legata alla costante di accoppiamento ?, la quale, a sua volta, dipende dal contrasto di indice nel reticolo e all’estensione totale del reticolo. Il prodotto ?L deve essere sufficiente per garantire il feedback richiesto per l’emissione laser. In un laser a pompaggio ottico, una sorgente esterna fornisce al mezzo attivo l’energia di eccitazione richiesta per raggiungere l’inversione di popolazione, requisito necessario per ottenere il guadagno all’interno del mezzo e quindi l’amplificazione. Affinché si verifichi assorbimento, l’energia del fascio di pompa deve essere in risonanza con una delle transizioni del mezzo attivo. Per campi incidenti molto intensi, come possono essere quelli legati a fasci laser focalizzati, diventano tuttavia apprezzabili anche fenomeni di assorbimento multi fotonici. Si può quindi avere assorbimento anche utilizzando sorgenti di pompa aventi energie inferiori all’energia di risonanza del mezzo attivo. L’assorbimento a due fotoni (TPA), legato alla suscettibilità non lineare al terzo ordine, comporta l’assorbimento simultaneo di due fotoni, con energia: E_exc-E_ground=2?? L’assorbimento del primo fotone promuove l’elettrone dallo stato fondamentale a uno stato virtuale, dal quale esso passa immediatamente allo stato eccitato attraverso l’assorbimento simultaneo di un secondo fotone incidente. Infine il sistema può tornare allo stato fondamentale, attraverso l’emissione di un fotone a energia superiore rispetto ala pompa. Gran parte del lavoro di dottorato è incentrato sulla realizzazione e caratterizzazione di microcavità attive per l’ottenimento di sorgenti laser. All’interno di tale attività sono stati studiati due sistemi differenti: Una microcavità laser a semiconduttore, realizzata sfruttando le proprietà dei cristalli fotonici bi-dimensionali, che emette alla lunghezza d’onda delle telecomunicazioni. Un dispositivo laser DFB, pompato oticamente a due fotoni, per la conversione di emissione laser dall’infrarosso al visibile. All’interno della seconda tematica, particolare attenzione è stata rivolta alla caratterizzazione delle proprietà di emissione indotta a due fotoni di un cromoforo organico e di quantum dots di un semiconduttore II-VI, il CdSe, entrambi inglobati in matrice sol-gel. Un terzo soggetto è costituito dallo studio delle proprietà foto catalitiche di film sol-gel ibridi a base di silica e titania, in vista di possibili applicazioni per il patterning diretto tramite radiazione UV. CONFINAMENTO DI MODI LENTI IN GUIDA D’ONDA A CRISTALLO FOTONICO PER L’OTTENIMENTO DI MICROCAVITA’ LASER Questa ricerca riguarda lo studio di cavità, ottenute sfruttando cristalli fotonici bidimensionali, a basso volume modale e alto fattore di qualità Q, finalizzate all’ottenimento di dispositivi laser integrati a bassa soglia. Questo lavoro si basa sull’utilizzo dei modi guidati lenti corrispondenti al punto ad elevata simmetria K della curva di dispersione di una guida d’onda W1-PC. Una guida d’onda W1-PC si ottiene da un cristallo fotonico a simmetria triangolare, attraverso la rimozione di una fila di buche lungo la direzione ?K. In questo modo si introduce un difetto lineare, il quale si riflette nella comparse di modi del difetto, aventi frequenze localizzate all’interno del band-gap del cristallo fotonico, che pertanto decadono esponenzialmente all’interno del cristallo. Le bande associate ai modi del difetto hanno curvatura nulla in corrispondenza dei punti a elevata simmetria, e ciò implica una velocità di gruppo del modo nulla in corrispondenza di tali punti. L’estensione laterale dei modi lenti viene controllata agendo sull’indice di rifrazione del cristallo fotonico, in modo da creare una etero struttura in grado di confinarli efficacemente. L’indice effettivo della guida viene modificato localmente depositando un film di polimero all’interfaccia superiore della guida. La forza del confinamento dipende dall’entità della variazione dell’indice e dalla curvatura della banda associata al modo lento. L’attività svolta all’interno di questo progetto consiste nel design della struttura, nella sua realizzazione sperimentale e infine nella caratterizzazione ottica del dispositivo. Per ottimizzare i parametri del dispositivo e comprendere il comportamento della radiazione elettromagnetica all’interno della cavità, sono stati impiegati strumenti di calcolo computazionale, quali i software MPB e TESSA 3D-FDTD. I parametri delle simulazioni sono stati poi utilizzati per la realizzazione del cristallo fotonico, effettuata tramite tecniche litografiche, quali la litografia con fascio elettronico e l’etching ionico. La caratterizzazione ottica del dispositivo è stata effettuata con un apposito set-up, al fine di determinarne le prestazioni. EMISSIONE LASER CON CONVERSIONE DI FREQUENZA La conversione di frequenza laser fornisce l’interessante possibilità di convertire una sorgente laser economica e di facile reperibilità nell’infrarosso, in una sorgente laser nel visibile di enorme interesse tecnologico. Essa si basa sull’emissione indotta a seguito di processi di assorbimento a due fotoni nel vicino IR. In questo lavoro verranno presentati gli sforzi profusi e i risultati preliminari ottenuti nella ricerca di un dispositivo laser allo stato solido per la conversione di frequenza. A tal fine sono state investigate le proprietà di conversione di un cromoforo push-pull organico disperso in matrici sol-gel ibride, e di quantum dots di semiconduttore II-VI, CdSe-CdS-ZnS, dispersi in una matrice inorganica a base di zirconia. Il composto organico presenta interessanti proprietà di emissione indotta a due fotoni in soluzione. Tuttavia la sua scarsa resistenza al pompaggio ottico in matrice solida preclude un suo possibile impiego e rende estremamente problematica la stessa caratterizzazione ottica. Al contrario i film di QDs-ZrO2 mostrano una buona efficienza di conversione di frequenza, con valori di guadagno per l’emissione spontanea amplificata interessanti, e elevata stabilità del segnale emesso nel tempo. E’ stata pertanto studiata la possibilità di implementare i film di QDs-ZrO2 all’interno di una cavità risonante di tipo distributed feedback per ottenere un dispositivo laser compatto e integrabile. I parametri del reticolo sono stati determinati con il software MPB e sono stati fissati in modo da avere amplificazione in corrispondenza del massimo di emissione dei QDs. Sono tutt’ora in corso delle prove di realizzazione del reticolo DFB tramite litografia elettronica su film sol-gel appositamente sviluppati per il patterning diretto. Infine è stato messo appunto un set-up dedicato per la caratterizzazione ottica dei dispositivi prodotti. FILM SOL-GEL IBRIDI A BASE DI SILICA-TITANIA PER IL PATTERNING DIRETTO CON LUCE UV E’ stata studiata l’attività fotocatalitica di film sol-gel ibridi a base di silica-titania, promossa dalla radiazione UV. I film sono stati caratterizzati a livello micro strutturale tramite spettroscopia infrarossa, e sono stati osservati al microscopio elettronico per confermare la presenza di cluster di titanio cristallino al loro interno. L’efficienza del processo di fotocatalisi è stata determinata mediante test standard che si avvalgono dell’acido stearico come materiale di riferimento. Quest’ultimo infatti è in grado di simulare efficacemente i comuni inquinanti organici, è può essere depositato facilmente per spin-coating. Successivamente è stata valutata la possibilità di sfruttare l’attività foto catalitica per il patterning diretto dei film. Tale studio parte dall’osservazione che la fotocatalisi si manifesta anche nei confronti della componente organica dei film sol gel ibridi.. Questo fenomeno è accompagnato da una diminuzione dello spessore del film, fino al 60% sullo spessore iniziale, e può pertanto essere sfruttato per la realizzazione di strutture a rilievo. Test di patterning diretto sono stati effettuati irradiando il film con una lampada UV attraverso una maschera in quarzo, ottenendo strutture di dimensione micrometrica ben definite.