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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

 

Tesi etd-09232016-163407


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
GARRASI, KATIA
URN
etd-09232016-163407
Titolo
Design litografici innovativi per la realizzazione di micro-Laser a cascata quantica a feedback distribuito operanti a frequenze Terahertz con elevatissima potenza, bassa divergenza ed emissione singolo modo.
Struttura
FISICA
Corso di studi
FISICA
Commissione
relatore Dott.ssa Vitiello, Miriam Serena
Parole chiave
  • laser corrugati
  • terahertz
  • CQL
  • laser a feedback distribuito
Data inizio appello
17/10/2016;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
17/10/2019
Riassunto analitico
Negli ultimi decenni il settore delle nanotecnologie ha portato a ragguardevoli progressi scientifici e tecnologici. Le tecniche di crescita controllata, come l’epitassia da fasci molecolari (MBE) sviluppate a partire dagli anni 70, hanno permesso di esplorare le leggi fisiche che governano i sistemi a bassa dimensionalità e di sfruttarle per ingegnerizzare quantisticamente nuovi sistemi complessi e innovatici dispositivi optoelettronici e fotonici. Tra questi rivestono un ruolo particolarmente interessante i laser a cascata quantica. Questi ultimi sono dispositivi unipolari il cui mezzo attivo è progettato quantisticamente alternando buche e barriere di potenziale di dimensioni nanometriche; gli effetti di forte confinamento spaziale che ne risultano determinano la formazione di stati fortemente localizzati all’interno di un’unica banda (sotto-bande) tra i quali si innescano le transizioni che portano all’emissione di radiazione laser. Le proprietà fisiche alla base dell’azione laser differiscono largamente dai meccanismi di ricombinazione elettrone-lacuna alla base del funzionamento dei normali laser a semiconduttore. Il controllo accurato degli spessori degli strati di crescita consente di scegliere adeguatamente la lunghezza d’onda di emissione che attualmente copre l’intervallo spettrale dal medio al lontano infrarosso.
A partire dalla prima dimostrazione di emissione laser a frequenze Terahertz, sono stati compiuti molteplici progressi tecnologici e scientifici al fine di ottimizzare le performance di questa classe di dispositivi laser in termini di brillanza, temperature di esercizio, controllo delle proprietà spettrali e dei profili di emissione di radiazione per rispondere alle specifiche esigenze applicative.
Molteplici sono infatti le potenzialità applicative della radiazione Terahertz nel settore della metrologia, della spettroscopia, della ricostruzione di immagini nel campo biomedicale e farmacologico, delle telecomunicazioni, della spettroscopia e della sicurezza. Molte delle applicazioni sopracitate richiedono dispositivi che operino a singolo modo, con alte potenze di emissione e bassa divergenza angolare.
Nei laser a cascata quantica, il simultaneo controllo della selettività sulla frequenza di emissione e la direzionalità dei fasci ottici è ottenibile con la realizzazione di strutture a feedback distribuito, ossia reticoli di Bragg definiti litograficamente sulla superficie superiore della cavita laser. Reticoli di Bragg di diverso ordine sono stati esplorati in QCL THz; le migliori prestazioni ottenute riguardano i reticoli al terzo ordine, in cui la conservazione dell'impulso impone che il vettore d'onda della radiazione in aria sia parallelo al vettore d'onda del modo in guida, dando così luogo ad un’emissione altamente collimata nel piano. Tuttavia, il raggiungimento di queste condizioni richiede un oculato processo litografico, di difficilissimo controllo, finalizzato all’ottenimento di un indice di rifrazione del modo in guida esattamente pari a 3 .
Obiettivo del presente lavoro di tesi è l’ingegnerizzazione di un nuovo e innovativo design litografico libero dai suddetti vincoli litografici, che, implementato sulla superficie di una struttura laser a cascata quantica terahertz in guida d’onda doppio metallo garantisca di preservare le prestazioni in temperature e simultaneamente di ottenere emissione a singolo modo alla frequenza desiderata, elevate potenze di emissione e slope efficiency, con profili di fascio altamente direzionali (divergenze < 10°) .
Le attività di ricerca svolte nel presente lavoro di tesi includono la progettazione, fabbricazione e lo studio delle proprietà elettriche ed ottiche THz-QCL caratterizzati da reticoli a feedback distribuito non convenzionali. L'idea di base è l’utilizzo di reticoli non periodici in cui il vettor d’onda di estrazione e quello di feedback della radiazione laser vengono ignegnerizzati e controllati indipendentemente in modo da regolare la frequenza di emissione e al contempo l'angolo di estrazione della radiazione emessa. Nello specifico sono state progettate due differenti strutture a feedback distribuito:


- Reticoli rettangolati a doppia fenditura bi-periodici: questi ultimi sono stati realizzati sovrapponendo opportunamente due reticoli di definita periodicità, uno atto a controllare l'estrazione, l'altro il feedback.

- Cavità laser con profilo corrugato sinusoidalmente: in questo ultimo caso il reticolo atto a controllare il feedback è stato realizzato con una corrugazione periodica del profilo laterale del dispositivo, mentre il reticolo di estrazione è realizzato litografando sul contatto superiore delle aperture circolari.

In entrambe le geometrie, le aperture realizzate in superficie, che permettono l’estrazione di radiazione si comportano come emettitori puntiformi: il profilo di radiazione emessa è il risultato di effetti di interferenza costruttiva e distruttiva della radiazione emessa da ogni singolo emettitore.
Per entrambe le due tipologie di laser è stato realizzato un array di dispositivi variando leggermente il vettore d’onda del reticolo di estrazione attorno al cono di luce, in tal modo è stato possibile effettuare uno studio sistematico sulle condizioni ottimali per il raggiungimento dell’ emissione nel piano a bassa divergenza ed alta efficienza.
Le strutture sono state simulate attraverso l’analisi ad elementi finiti (COMSOL MULTYPHYSICS) così da poter prevedere per ognuna di esse l’angolo di estrazione, il modo fondamentale, la frequenza di emissione e i relativi fattori di qualità.
La fabbricazione dei dispositivi laser è stata realizzata seguendo una combinazione di fasi sequenziali di litografia ottica, attacco chimico in fase umida e assistita da plasma, deposizione di metalli, e microsaldature ad ultrasuoni .
Ogni dispositivo è stato infine caratterizzato elettricamente per analizzare le figure di merito rilevanti: densità di corrente di soglia, potenza di emissione e profili di fascio. Le caratteristiche spettrali sono state infine analizzate mediante spettroscopia a trasformata di Fourier (FTIR).
Le geometrie proposte, sfruttando un approccio differente dai convenzionali laser a feedback distribuito, aprono la strada allo sviluppo di una nuova classe di THz DFB QCL con emissione nel piano che garantiscono emissione a singolo modo, elevate potenze di emissione e slope efficiency, e far field altamente direzionali.





Referenze

[1] Y. Chassagneux et al. "Electrically pumped photonic-crystal terahertz lasers controlled by boundary conditions" Nature 457, 174 (2009).

[2] G. Xu et al. "Efficient power extraction in surface-emitting semiconductor lasers using graded photonic heterostructures", Nature
Communications 3, 952 (2012).

[3] M.I.Amanti et al.,"Low divergence single-mode terahertz quantum cascade laser ", Nature Photonics 3, (2009).

[4] F. Castellano et al, "Distribuited feedback terahertz frequency quantum cascade lasers with dual periodicity gratings", Applied Physics Letters 106, 011103 (2015).

[5] B.S. Williams et al., "Distribuited-feedback teraherts quantum-cascade lasers with laterally corrugated metal waveguides", Optics Letters Vol. 30, No 21 (2005).
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