• QCL SAW

Le cavità Fabry-Perot rappresentano l'approccio più comune per fornire il feedback ottico necessario all'azione laser e, conseguentemente, di norma, i dispositivi, a causa dell'uguaglianza delle perdite relative ai molteplici modi longitudinali attivi in ca- vità, difficilmente posso essere fatti operare in regine di singolo modo. Tuttavia in molte applicazioni (spettroscopia, astronomia, sensori chimici) è di grande inte- resse poter disporre di sorgenti a singola frequenza con caratteristiche di precisione, stabilità e accordabilità. Questo può essere ottenuto combinando il mezzo attivo con quello che oggi è detto Cristallo Fotonico monodimensionale \cite{kogelnik}. Attraverso la variazione periodica dell'indice di rifrazione efficace della cavità è possibile ottenere la diffusione alla Bragg dei fotoni ivi propaganti: in questo modo, ad una specifica frequenza si genera un feedback rilevante distribuito su tutta la lunghezza del reticolo (\textit{Distributed FeedBack, DFB}). Alternativamente è possibile realizzare dispositivi a singolo modo utilizzando una cavità Fabry-Perot dove uno degli specchi riflette solo ad una determinata lunghezza d'onda. Questo avviene ad esempio, quando uno specchio tradizionale è sostituito da un riflettore di Bragg. In questo caso solo la radiazione in fase con quest'ultimo contribuisce al feedback del laser.

Oggi per realizzare Laser DFB a semiconduttore, sono utilizzate prevalentemente tecniche di litografia ottica ed elettronica \cite{dfb}. Tuttavia, sono stati proposti numerosi altri metodi per generare perturbazioni dell'indice di rifrazione. Uno di questi prevede la generazione di un'onda acustica di superficie (\textit{Surface Acoustic Wave, SAW}) nel materiale semiconduttore \cite{marcuse}. La caratteristica più interessante di questo approccio è data dalla possibilità di variare la frequenza di risonanza del DFB, semplicemente variando la lunghezza d'onda della SAW. Tuttavia, per realizzare un effetto DFB a basso ordine, è necessario generare onde acustiche con lunghezza d'onda comparabile a quella della radiazione \cite{irby}. La fabbricazione di tali dispositivi per laser nel visibile o nel vicino infrarosso è pertanto estremamente complessa.
Il recente sviluppo dei laser a cascata quantica (Quantum Cascade Laser, QCL), rende possibile utilizzare questi dispositivi per strutture DFB indotte da onde acustiche \cite{irby} (\textit{Acoustically induced Distributed FeedBack, ADFB}) nel lontano infrarosso. Nella regione dei THz sono già disponibili QCL operanti tra i 2 e i 5 THz, con potenze di emissione dell'ordine del milliwatt \cite{kohler}.


L'obbiettivo di questo lavoro di tesi è lo studio delle caratteristiche che devono possedere le strutture QC per consentire la modulazione di radiazione THz tramite onde acustiche di superficie. In particolare sono state evidenziate le limitazioni tecnologiche di questi dispositivi, che vanno risolte tramite un'accurata ingegnerizzazione. In questo lavoro saranno analizzati sia lo schema ADFB che ADBR (\textit{Acoustically induced Distributed Bragg Reflector}). Entrambi gli schemi proposti sono stati effettivamente realizzati con la fabbricazione di un trasduttore interdigitato depositato tramite evaporazione termica sulla superficie di un'eterostruttura progettata per QCL nel sistema materiale GaAs/AlGaAs. Questo materiale è piezoelettrico come necessario per la realizzazione dei dispositivi di interesse. Per ogni dispositivo, per guidare la fabbricazione, sono state analizzate le proprietà ottiche tramite metodi ad elementi finiti. Infine è stata effettuata una caratterizzazione optoelettronica per osservare gli effetti che la SAW genera su un laser a cascata quantica.


Questo lavoro ha evidenziato come sia possibile realizzare dispositivi con proprietà estremamente interessanti, utilizzando tecniche relativamente semplici e ben consolidate come quelle relative a QCL e SAW. Tuttavia i primi dispositivi realizzati rappresentano solamente una verifica sulla effettiva possibilità di fabbricazione di strutture ADBR e ADFB. In questo lavoro ho osservato una limitata interazione tra onda acustica e regione attiva, prevalentemente nel regime di soglia del laser. Questo è dovuto alla debole intensità della SAW che si può generare nel sistema materiale scelto in quanto questo presenta una costante di accoppiamento piezoelettrico non elevata. Esistono però concrete opportunità per aggirare questo ostacolo in fase di progetto del dispositivo ricorrendo ad esempio a configurazioni ibride che integrino un QCL nel sistema AlGaAs con trasduttori fabbricati in materiali ad alta efficienza piezoelettrica.


Nei primi due capitoli è presentata una descrizione del funzionamento dei laser a cascata quantica e delle relative guide d'onda. Nel capitolo tre viene data un'introduzione alle onde acustiche di superficie, mentre nel capitolo quattro è discusso come queste onde possano interagire con il modo ottico, facendo uso di simulazioni al calcolatore tramite un modello ad elementi finiti. I capitoli seguenti descrivono il lavoro sperimentale, includendo le motivazioni delle scelte sulle caratteristiche geo- metriche dei dispositivi fabbricati. Infine sono presentate conclusioni e possibili sviluppi.