ITPI20080039A1

ITPI20080039A1 - Laser circolari a semiconduttore con reticoli per emissione verticale

Info

Publication number: ITPI20080039A1
Application number: IT000039A
Authority: IT
Inventors: Fabio Beltram; Lukas Mahler; Alessandro Tredicucci
Original assignee: Scuola Normale Superiore
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2009-11-06
Also published as: WO2009136244A1; US20110080931A1; EP2286493A1

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: “LASER CIRCOLARI A SEMICONDUTTORE CON RETICOLI PER EMISSIONE VERTICALE”

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione si colloca nell’ambito dei dispositivi laser, e più precisamente, si riferisce a dispositivi utilizzanti un risonatore laser con geometria planare ad emissione verticale, ossia ortogonale al piano dello stesso risonatore laser.

In particolare ma non esclusivamente, l'invenzione è applicabile per gli emettitori laser con frequenze dell'ordine dei Terahertz del tipo a cascata quantica (THz QCL).

Descrizione della tecnica nota

Oltre ai classici laser con geometria Fabry-Perot (FP), che utilizzano due riflettori paralleli che confinano la radiazione in una direzione longitudinale, combinati con guide d'onda per confinare la radiazione nelle altre direzioni, esistono laser con altre geometrie, tra i quali il laser che utilizzano risonatori con geometria circolare.

Rispetto ad un tradizionale laser con geometria FP, in un risonatore laser circolare gli specchi terminali del risonatore non sono presenti, e il confinamento laterale avviene su un percorso circolare. Più precisamente, utilizzando per la guida d'onda un materiale ad elevato indice di rifrazione, i fotoni generati vicino alla circonferenza vengono riflessi secondo un certo angolo permettendo una riflessione totale così che i fotoni rimangono all'interno del risonatore. I modi risultanti sono detti “whispering gallery”, per analogia con il noto fenomeno acustico sotto particolari volte architettoniche. Con questa struttura si hanno minime perdite dovute principalmente a diffusione, ad esempio causate da imperfezioni della circonferenza.

Tuttavia, per l’utilizzo in campo pratico, un risonatore con geometria circolare è pregiudicato da una bassa potenza in uscita che per giunta è distribuita uniformemente nel piano del risonatore laser.

Per quanto riguarda una possibile integrazione laser nel campo dei Terahertz (THz QCLs), con i laser odierni le guide d’onda utilizzate hanno modi di propagazione le cui sezioni trasversali sono estremamente inferiori alla lunghezza d'onda che la radiazione emessa esplicherebbe nello spazio libero. Poiché questa radiazione viene emessa dal bordo tagliato di una guida d'onda, si ottiene all’uscita un fascio di radiazione divergente, e quindi con scarse applicazioni pratiche.

È d'altra parte noto l'uso di cavità a emissione verticale (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL), con sue possibilità di ottenere profili di fascio di radiazione molto buoni sia nel campo visibile che nel vicino infrarosso. Tuttavia, i VCSEL non possono essere applicati per dispositivi basati sul principio della cascata quantica, a causa delle regole di selezione delle transizioni elettroniche che proibiscono l’emissione in direzione verticale.

Un risonatore con geometria circolare, con forma a disco o ad anello, utilizza strutture di guide d'onda che possono anche fornire uno sconfinamento verticale, ossia ortogonale al piano della guida d'onda. A tal proposito, in EP1544967A1 viene descritto un risonatore a disco, che può essere utilizzato anche per emissione laser, avente un reticolo che premette di accoppiare la radiazione in uscita in direzione verticale. Il disco può risuonare in modo whispering gallery formando una cavità pressoché circolare. Il reticolo può essere utilizzato per selezionare il modo azimutale, ossia circonferenziale, per l’azione laser, secondo il meccanismo dei laser a feedback distribuito. In particolare, il reticolo viene realizzato nel piano del disco e, ad esempio, può essere strutturato sulla periferia del disco mediante intagli radiali.

Tuttavia, in un risonatore come quello descritto in EP1544967A1, non consente di assicurare che il modo di operazione del laser sia effettivamente whispering gallery e che il massimo dell’emissione sia in direzione verticale. Infatti, i vantaggi di un siffatto risonatore risiederebbero nella possibilità di realizzare laser planari ad emissione verticale. In particolare, solo se il reticolo è del secondo ordine, cioè se il periodo o passo del reticolo corrisponde alla lunghezza d’onda, o se è di un ordine superiore multiplo al secondo ordine, cioè se il periodo o passo del reticolo corrisponde a un multiplo della lunghezza d’onda, il massimo della radiazione è in direzione verticale.

Tuttavia, in un laser a simmetria circolare, fissata la lunghezza d’onda, il modo privilegiato per l’azione laser può avere una componente del vettore di propagazione anche in direzione radiale, per cui il reticolo, pur avendo un passo corrispondente alla lunghezza d’onda, si comporta in realtà come un reticolo del primo ordine, e il massimo della radiazione emessa dal risonatore laser è sensibilmente divergente, con scarse applicazioni pratiche.

Sintesi dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un risonatore laser che assicuri un modo di operazione di tipo whispering gallery con massimo dell’emissione in direzione verticale.

È anche scopo della presente invenzione fornire un risonatore laser che consenta emissione laser a frequenze dell’ordine dei terahertz, ed in particolare con regione attiva a cascata quantica.

È anche scopo della presente invenzione fornire un risonatore laser che abbia un profilo regolare della radiazione emessa, a bassa divergenza e elevata efficienza.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un risonatore planare applicabile ad un laser, detto risonatore comprendendo una regione attiva planare, un primo ed un secondo strato di guida d’onda racchiudenti detta regione attiva; in cui detto risonatore ha una forma geometrica definita da un perimetro, lungo detto perimetro detto primo strato di guida d’onda presentando una pluralità di incisioni radiali formanti un reticolo, caratterizzato dal fatto che il numero di dette incisioni è un numero primo o un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque.

In tal modo, si evita che si formino modi di risonanza con estensione al di fuori della zona intagliata, o comunque con componente non nulla del vettore d’onda in direzione radiale. Quindi, si ottiene un modo di operazione di tipo whispering gallery puro, con massimo dell’emissione in direzione verticale, ossia ortogonale al piano del risonatore laser.

In particolare, si è sorprendentemente notato che quando il numero di incisioni radiali è un numero primo, si evita che l’azione laser si sviluppi in un modo del risonatore per cui il reticolo si comporta come se fosse di ordine dispari, ottenendo invece che il reticolo si comporti come un reticolo del secondo ordine o multiplo.

Più precisamente, essendo λ la lunghezza d’onda della radiazione emessa dal laser, Λ il passo reticolare ossia la distanza fra due incisioni, e K = 2π/λ il vettore d’onda della radiazione, si ottiene che il reticolo si comporta come un reticolo del secondo ordine se la componente di K nella direzione circonferenziale del reticolo è 2π/Λ mentre il reticolo si comporta come un reticolo del primo ordine se la componente di K nella direzione circonferenziale del reticolo è π/Λ. Questo è possibile, pur mantenendo una medesima λ con una componente radiale non nulla. Questa componente radiale causa, tuttavia, una direzione preferenziale di emissione non più in verticale. Invece, utilizzando un numero primo come numero di intagli lungo la periferia del risonatore laser, il reticolo non permette che la componente circonferenziale sia π/Λ, e quindi il reticolo si comporta sempre come un reticolo del secondo ordine garantendo una emissione verticale.

Una situazione analoga si verifica, per frequenze dell’ordine dei THz in presenza di un numero di intagli che non è un numero primo ma è un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque. In tal caso, infatti, essendo il risonatore circolare, pur essendo teoricamente possibile che il risonatore vada a “laserare” in zone diverse dal reticolo, ossia verso il centro del disco a distanze multiple della lunghezza d’onda, tali zone sarebbero impossibili dato il limitato diametro del disco.

Quindi, integrando un laser a disco e un reticolo, fabbricando il reticolo direttamente sulla periferia circolare del laser, e scegliendo nel modo suddetto il numero di intagli del reticolo, si ottengono due risultati importanti:

− in primo luogo, il laser viene forzato a funzionare nel modo whispering gallery, che si presenta grazie alla totale riflessione interna lungo la circonferenza, con minime perdite di radiazione e possibilità di accoppiamento di questo modo di oscillazione con la direzione verticale, con elevata direzionalità della potenza emessa;

− in secondo luogo, mentre nel caso di risonatori lineari di tipo DFB, implementati in laser a semiconduttore compatto, la relazione di fase tra le faccette e il reticolo è difficile da controllare, diminuendo l’efficienza dei dispositivi a singolo modo, con il reticolo disposto lungo la circonferenza del disco, si ottiene la più naturale approssimazione di una reticolo infinito, consentendo un migliore controllo dei modi del risonatore.

Il reticolo può essere prodotto mediante tecniche di fotolitografia e di etching in corrispondenza di qualsiasi posizione verticale della guida d’onda: nella regione attiva, sopra o sotto la regione attiva, o nel rivestimento. Alternativamente, può essere ottenuto mediante deposito di vari strati sulla guida d’onda che abbiano già la forma di un reticolo. Nel caso di un anello laser o di un disco laser, il reticolo può essere fabbricato sia sulla circonferenza, oppure lungo il raggio del disco.

Una applicazione particolare dell’invenzione è quella di laser a cascata quantica nel campo dei THz. Questo viene ottenuto utilizzando una regione attiva a semiconduttore confinata tra due guide d’onda metalliche, in associazione al reticolo formato dagli intagli radiali in corrispondenza della periferia del disco.

Per spiegare questa realizzazione vantaggiosa di guida d’onda con un doppio strato metallico e reticolo, si nota quanto segue. Una distribuzione fondamentale per la realizzazione di questi laser è quella di sfruttare per il risonatore dei plasmoni superficiali (SP), ossia onde elettromagnetiche che esistono nell’interfaccia tra due materiali che abbiano costanti dielettriche diverse, una positiva, come nel caso del semiconduttore, e una negativa, normalmente un metallo. Questi modi ottici propagano lungo l’interfaccia tra i due materiali e decadono in modo esponenziale perpendicolarmente all’interfaccia. La loro polarizzazione intrinseca trasversale-magnetica (TM) si adatta alle regole di selezione delle transizioni “intersubband”. Inoltre, poiché il modo raggiunge valori di picco in corrispondenza dell’interfaccia, esso può essere facilmente alterato creando un patterning sullo strato metallico, ossia il reticolo, che quindi modifica le proprietà spettrali del risonatore.

Quindi, introducendo una corrugazione periodica sopra una guida d’onda SP si è ottenuto un laser a cascata quantica a feedback distribuito (DFB) nelle frequenze dell’ordine dei THz con emissioni stabili in un solo modo. Questo condizionamento del modo del risonatore, insieme al fatto che la lunghezza d’onda tipica è due ordini di grandezza maggiore della lunghezza d’onda dei laser ottici, rende i laser a cascata quantica adatti per sviluppare nuovi concetti di risonatori. Inoltre, la lunghezza d’onda delle radiazioni nel campo dei THz e la forte influenza del perimetro del risonatore, tipica delle guide d’onda metalliche, permette una facile produzione del reticolo. Quindi, grazie all’invenzione, è possibile ottenere un laser a cascata quantica a semiconduttore nel campo dei terahertz ottenendo per queste frequenze un’emissione verticale della radiazione laser.

Vantaggiosamente, detto risonatore laser ha una regione attiva a semiconduttore che è interposta tra due strati di semiconduttore drogati, ad eccezione di una zona centrale, priva dello strato drogato. In tal modo, si evita che vi sia una emissione dalla zona centrale del risonatore laser, forzando ancora di più il dispositivo laser ad emettere radiazione nel modo whispering gallery nella sola regione del reticolo. Questo è particolarmente utile nel caso il coefficiente di accoppiamento del reticolo, κ, sia particolarmente piccolo, in particolare κ < 1/L, dove L è la lunghezza della circonferenza.

Vantaggiosamente, detto risonatore laser ha detto primo e secondo strato di guida d’onda in materiale metallico, preferibilmente scelto tra: oro, cromo palladio titanio germanio, o loro combinazioni, ad esempio cromo/oro, palladio/germanio, titanio/oro, ecc.

Vantaggiosamente, il coefficiente di riempimento del reticolo, ossia il rapporto superficiale tra le incisioni e le zone non incise è tra 40 e 60%, ad esempio 50%.

In una possibile ulteriore variante realizzativa, gli intagli sono realizzati come almeno due fessure affiancate, in modo da ridurre le zone centrali dell’intaglio senza metallo, senza diminuire l’efficienza di estrazione. In questo modo si aumenta l’efficienza del pompaggio elettrico delle zone intagliate, particolarmente utile per lunghezze d’onda molto elevate.

Vantaggiosamente, detto numero di intagli è un numero primo scelto tra cinque, sette, undici, tredici, diciassette, diciannove, ventitre, ventinove, trentuno, trentasette, quarantuno, quarantatre, quarantasette.

In particolare, detto numero di intagli è un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque, scelto tra quindici, ventuno, venticinque, ventisette, trentatre, trentacinque, trentanove, quarantacinque, quarantanove, cinquantuno.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione un dispositivo laser comprende un risonatore laser come sopra definito.

Vantaggiosamente, detto dispositivo laser comprende su almeno un piano una schiera di tali risonatori laser.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione un metodo di produzione di un risonatore planare applicabile ad un laser, comprendente le fasi di predisporre una regione attiva a semiconduttore, predisporre un primo ed un secondo strato di guida d’onda racchiudenti detta regione attiva; in cui detta regione attiva ha una forma geometrica definita da un perimetro, caratterizzato dal fatto che detto primo strato di guida d’onda viene formato su detta regione attiva secondo un reticolo di incisioni radiali, caratterizzato dal fatto che dette incisioni radiali sono realizzate in modo che il numero di dette incisioni sia un numero primo o un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà di seguito illustrata con la descrizione che segue di alcune sue forme realizzative, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la figura 1 mostra in vista prospettica una prima forma realizzativa di una risonatore laser secondo la presente invenzione, con forma a disco comprendente uno strato esterno che poggia su una regione attiva avente intagli radiali nella periferia, con il numero di intagli secondo un numero primo;

- le figure 1A – 1C mostrano in una vista in sezione trasversale tre possibili realizzazioni del risonatore laser di figura 1;

- la figura 2 mostra in vista prospettica una variante realizzativa, con forma a anello comprendente uno strato esterno che poggia su una regione attiva avente un numero di intagli radiali secondo un numero primo; - la figura 3 mostra in vista prospettica un’altra variante realizzativa, con forma a anello comprendente uno strato esterno che poggia su una regione attiva avente un numero di intagli radiali a raggiera secondo un numero primo;

- le figure 4 e 5 mostrano, rispettivamente in vista prospettica e in sezione trasversale, l'applicazione di filo conduttore per applicare l'eccitazione sotto forma di impulso elettrico al risonatore di figura 1;

- la figura 6 mostra in sezione trasversale una variante realizzativa di un risonatore laser come da figura 5 in cui la regione attiva è rivestita da uno strato di semiconduttore drogato;

- la figura 7 mostra in vista prospettica, l'applicazione di filo conduttore per applicare l'eccitazione sotto forma di impulso elettrico al risonatore di figura 1C, in cui la regione attiva è rivestita da uno strato di semiconduttore drogato che è assente nella parte centrale;

- la figura 8 mostra una variante realizzativa degli intagli, realizzati come almeno due fessure affiancate, in modo da ridurre le zone centrali dell’intaglio senza metallo;

- la figura 9 mostra il modo di emissione di un risonatore laser a disco analogo a quello di figura 1 ma con numero di intagli pari;

- la figura 10 mostra l’intensità del modo privilegiato per l’azione laser di un risonatore laser come quello di figura 1, con numero di intagli secondo un numero primo; - le figure 11 e 12 mostrano un grafico di emissione laser calcolato utilizzando rispettivamente una risonatore laser a disco come quello di figure 9 e 10; - la figura 13 confronta due grafici di emissione laser con un risonatore laser a disco come quello di figura 9 e con un risonatore laser a disco come quello di figura 10, secondo l'invenzione, per un laser a cascata quantica per emissione a circa 3 THz con uno stesso tipo di regione attiva;

- la figura 14 mostra un dispositivo laser comprendente una schiera di risonatori laser come da figura 1 e disposti secondo un piano.

Descrizione dettagliata di alcune forme realizzative Nella descrizione che segue per risonatore circolare si intende un risonatore piano, a disco o ad anello, come pure un risonatore ellittico, o rettangolare a estremità circolari o ellittiche, per i quali è possibile il modo “whispering gallery”.

Con riferimento alle figure 1 e 1A, in una prima forma realizzativa della presente invenzione, un risonatore laser 1 con una forma a disco comprende uno strato esterno 2, applicato su una regione attiva 3, in cui sono realizzati nella periferia intagli radiali 4, che mettono a nudo al loro interno la regione attiva 3.

Secondo l’invenzione, il numero di intagli 4 è un numero primo, ad esempio cinque, sette, undici, tredici, diciassette, diciannove, ventitre, ventinove, trentuno, trentasette, quarantuno, quarantatre, quarantasette ecc., o un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque, ad esempio quindici, ventuno, venticinque, ventisette, trentatre, trentacinque, trentanove, quarantacinque, quarantanove, cinquantuno. Nel caso specifico di figura 1, il numero di intagli è diciassette, con altrettante porzioni 5 di strato esterno 2 che delimitano gli intagli 4, che ricordano nella loro struttura i denti di un ingranaggio. La forma squadrata degli intagli 4, e delle porzioni 5 che li delimitano, non è da intendersi limitativa.

Come mostrato in figura 1, al di sopra del risonatore 1 non è disposto alcun ulteriore strato, anche se non si esclude che vi possano essere applicati ulteriori piani, ad esempio in materiale trasparente.

In particolare, gli intagli 4 formano un reticolo circonferenziale con un fattore di riempimento del reticolo, ossia un rapporto superficiale tra gli intagli 4 e le porzioni non incise 5, compreso preferibilmente tra 40 e 60%, o viceversa. Nella variante realizzativa di figura 1, il rapporto tra pieni e vuoti lungo il perimetro è approssimativamente 60/40 %.

La figura 1A in una vista sezionata mostra che la regione attiva 3 poggia su uno strato 6, che insieme allo strato 2 forma una guida d’onda per le onde elettromagnetiche che attraversano la regione attiva 3. Gli strati 2 e 6 possono essere dielettrici o metallici.

Lo spessore complessivo del disco o anello 1 può essere anche di solo un micron, anche se nel caso di laser a cascata quantica, con doppio metallo, ossia con regione attiva 3 interposta tra due strati di metallo 2 e 6, lo spessore complessivo è racchiuso, ad esempio, tra cinque e quindici micron.

In figura 1B è mostrata una variante realizzativa in cui i substrati esterni 3a e 3b della regione attiva 3 sono formati da un semiconduttore drogato, per facilitare la conduzione nei confronti degli strati esterni 2 e 6, qualora essi siano in metallo.

In figura 1C è mostrata una ulteriore variante realizzativa in cui lo strato esterno centrale 3a della regione attiva 3 è limitato alla zona periferica in corrispondenza degli intagli 4, e delle porzioni 5 dello strato 2 che li delimitano. In tal caso, la porzione centrale è ribassata, ossia lo strato 2 nella porzione centrale aderisce direttamente alla regione attiva 3, mancando lo strato 3a.

In figura 2, la porzione centrale degli strati 2 e 3 è assente, e il risonatore laser ha forma ad anello.

In figura 3 è rappresentata una variante costruttiva in cui la lunghezza degli intagli 4 è pari al raggio del disco, cosi che quest’ultimi originano direttamente dal centro del risonatore per cui è assente la zona centrale senza intagli.

Il pompaggio del risonatore laser può avvenire con una eccitazione ottica, magnetica, elettromagnetica, elettrica, ecc.

In figure 4, 5 e 6 è mostrato un conduttore 10, ad esempio, un filo in rame con diametro di un millesimo di pollice, saldato per bonding a caldo nel risonatore laser di figura 1, 1A e 1B, nel caso in cui esso abbia gli strati 2 e 6 in metallo. Il pompaggio può avvenire mediante impulsi di corrente di varia durata e duty cycle o con corrente continua.

Questa soluzione è vantaggiosa per un risonatore laser a disco, mentre è meno indicata per un risonatore laser ad anello, come quello di figura 2, per minore efficacia del pompaggio elettrico, essendo difficoltosa l’applicazione del conduttore elettrico nella zona centrale.

Il rivestimento metallico esterno può essere spesso circa 10-300 nm, in titanio/oro, e unito al wafer mediante un metodo a termocompressione. Gli intagli, in direzione radiale, possono avere varie lunghezze, ad esempio da 160 a 210 ȝm e ottenute mediante litografia ottica con liftoff in una metallizzazione in Cr/Au evaporata termicamente. Gli intagli nello strato drogato di semiconduttore sono realizzati mediante incisione al plasma accoppiato induttivamente (ICP). In particolare, il contatto superiore è inciso utilizzando il metallo come maschera auto-allineata, mentre le porzioni centrali sono incise mediante una maschera in fotoresist. I dispositivi fabbricati sono poi saldati con indio su una base di rame, uniti al filo elettrico e montati su un ramo freddo di un criostati ad elio liquido.

Il diametro, il numero di intagli e la lunghezza in senso radiale degli intagli, dipende dalla, o influenza la, lunghezza d’onda della radiazione emessa dal laser all’interno del materiale semiconduttore. In possibili esempi applicativi, il disco ha un diametro tra 170-180 micron con lunghezza degli intagli di circa 20 micron. In tal caso, la lunghezza d’onda della radiazione emessa è di circa 100 micron.

Variando, invece, il numero di intagli, ad esempio da diciassette intagli passando a tredici intagli, oppure a diciannove intagli, e così via, diminuisce o aumenta il numero di periodi di oscillazione della radiazione laser, rispettivamente a tredici o ventitre periodi, comportando una variazione della lunghezza d’onda della radiazione laser.

L’aver scelto il numero di intagli 4 come un numero primo consente di forzare, in presenza di una eccitazione del materiale attivo, il risonatore a “laserare” solo all’interno del reticolo formato dagli intagli 4 e dalle porzioni 5. Nel caso di figura 1, come mostrato anche in figura 10, si avrebbero diciassette periodi di oscillazione del campo elettromagnetico, che si propagano nel piano del risonatore, con emissione risultante in direzione verticale, ossia ortogonale al piano del risonatore. Questa emissione risulta estremamente collimata e efficiente e a simmetria circolare.

Per una migliore comprensione di questo aspetto, in maniera intuitiva possiamo osservare che, in un risonatore a disco, i modi ottici permessi che si propagano lungo la circonferenza sono caratterizzati dalla condizione che la componente del vettore d’onda della radiazione nella direzione azimutale kasoddisfi:

ka=2π n/L

dove L è la lunghezza della circonferenza del disco ed n un numero intero. Questa condizione deriva semplicemente dalla necessità che l’onda elettromagnetica, dopo aver compiuto un giro completo del disco, si ritrovi perfettamente in fase a prima.

Il reticolo, per poter estrarre efficacemente la radiazione in direzione verticale, dovrà funzionare sul secondo ordine di diffrazione e cioè soddisfare:

ka=2π /Λ

dove Λ è il passo del reticolo, cioè L=nΛ.

Il modo whispering gallery puro di un laser a disco ha ka=2π/λ

dove λ è la lunghezza d’onda della radiazione nel materiale semiconduttore, per cui la scelta delle dimensioni del disco e del passo reticolare dovrebbe essere tale per cui

Λ=λ.

Tuttavia in un laser a disco una componente del vettore d’onda può esistere anche in direzione radiale krper cui, data λ,un laser può operare su molti modi diversi con:

ka≤2π/λ,

purché sia in ogni caso

2π/λ=√(ka<2>+ k<2>

r).

Pertanto, il laser potrebbe operare comunque su un modo in cui ad esempio:

ka= π/Λ

(reticolo del prim’ordine) che però avrebbe allora

L=2nΛ,

o ancora su un modo che avrebbe

L=3nΛ

(sempre con n interi) ecc., a patto di avere

kr> 0.

Questa situazione è ad esempio mostrata in figura 9, per un risonatore con sedici intagli, dove nel reticolo il laser opera su un modo corrispondente ad un reticolo del prim’ordine, come visibile dalla distribuzione azimutale 50 dei massimi M e minimi m alternati per ogni intaglio ka= π/Λ. Ι massimi M e minimi m si sviluppano anche in senso radiale (L=2nΛ, L=3nΛ) ,con ulteriori distribuzioni azimutali 51 e 52, la conseguenza di ottenere una intensità di emissione laser con scarse applicazioni pratiche (si veda più avanti quanto detto a proposito della figura 11).

La condizione cha assicura che solo la relazione

ka= 2π/Λ

possa essere soddisfatta è di disegnare il laser a disco in maniera che

L=mΛ

con m numero primo.

Si veda a tal proposito la figura 10, per un risonatore con 17 intagli, dove nel reticolo il laser opera su un modo corrispondente ad un reticolo del secondo ordine, come visibile dalla distribuzione azimutale 60 dei massimi M e minimi m alternati per ogni intaglio ka= 2π/Λ.

In sostanza, indicando sempre con Ȝ la lunghezza d’onda della radiazione emessa dal laser, Λ il passo reticolare ossia la distanza fra due incisioni, e K = 2π/Ȝ il vettore d’onda della radiazione, si ottiene che il reticolo si comporta come un reticolo del secondo ordine se la componente di K nella direzione circonferenziale o azimutale del reticolo è 2π/Λ (vedi figura 10), mentre il reticolo si comporta come un reticolo del primo ordine (vedi fig. 9) se la componente di K nella direzione circonferenziale del reticolo è π/Λ. Questo è possibile, pur mantenendo una medesima Ȝ con una componente radiale non nulla. Questa componente radiale causa, tuttavia, una direzione preferenziale di emissione non più in verticale.

In pratica, utilizzando un numero primo come numero di intagli, o un numero dispari multiplo di numeri primi maggiori di cinque, lungo la periferia del risonatore laser, il reticolo non permette che la componente circonferenziale sia π/Λ, e quindi il reticolo si comporta sempre come un reticolo del secondo ordine garantendo una emissione verticale.

Questa impostazione teorica dimostra anche che, per frequenze dell’ordine dei THz in presenza di un numero di intagli che non è un numero primo ma è un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque. In tal caso, infatti, essendo il risonatore circolare, pur essendo teoricamente possibile che il risonatore vada a “laserare” in zone diverse dal reticolo, ossia verso il centro del disco a distanze multiple della lunghezza d’onda, tali zone sarebbero impossibili dato il limitato diametro del disco.

Se il reticolo ha un coefficiente di accoppiamento sufficientemente alto (~ 1/L o maggiore) questa scelta permette al laser di funzionare solo sul modo whispering gallery puro per cui il reticolo è esattamente del secondo ordine ed estrae il massimo della radiazione in verticale.

I modi con kr≠ 0 sono modi che si estendono maggiormente verso il centro del disco e in un dispositivo laser potrebbero essere favoriti rispetto a quello whispering gallery puro dalle minori perdite (dovute all’introduzione del reticolo) e dal più efficiente pompaggio elettrico (vedi fig.).

Nel caso il coefficiente di accoppiamento sia troppo basso tali modi possono essere soppressi anche riducendo il pompaggio elettrico della zona centrale. Questo è ottenibile con la forma realizzativa di figure 7 e 8, che mostrano in modo analogo il conduttore 10 applicato alla porzione centrale ribassata 2 del risonatore di figura 1C. Il rivestimento metallico dello strato superiore 2 nella zona centrale è leggermente ribassato di alcuni micron, per effetto dell’assenza dello strato drogato 3a (visibile in figura 1C). Il risonatore laser di figura 7 e 8 ha il vantaggio di forzare ulteriormente il risonatore a “laserare" nel reticolo periferico formato dagli intagli 4 e dalle zone 5, per effetto della mancanza dello strato drogato 3a nella zona centrale, e quindi maggiore “pompaggio” nella zona periferica dove è presente il reticolo. Questa variante può essere preferita in caso di configurazioni di “debolezza” del reticolo, ossia appunto con coefficiente di accoppiamento basso.

Poiché la metallizzazione superiore agisce allo stesso tempo come il contatto elettrico, è possibile sostituire ciascun intaglio 4 con due intagli ravvicinati 4a e 4b o una sequenza intagli a ridotta distanza, migliorando il pompaggio elettrico senza compromettere l’efficienza dell’emissione verticale, e senza modificare il modo di risonanza. Infatti, le porzioni 5 rimangono invariate, mentre i due (o più) intagli 4a e 4b sono separati da porzioni 5a, che appunto migliorano il pompaggio elettrico senza compromettere le prestazioni complessive. Questo è particolarmente vantaggioso per dispositivi laser che operano a lunghezze d’onda maggiori, dove la larghezza di un singolo intaglio sarebbe troppo grande per una iniezione uniforme di elettroni.

Con riferimento alle figure 11 del 12, che mostrano un grafico di emissione laser calcolato utilizzando rispettivamente una risonatore laser a disco come quello di figura 9 e 10, si osserva (figura 11) come varia l’intensità emessa (in unità arbitrarie non normalizzate) in funzione dell’angolo dalla verticale, ossia la normale al piano del risonatore laser. Si riscontra, in particolare, come i massimi di emissione si abbiano per angoli superiori a 60°, cosa che comporta una non utilizzabilità pratica del laser. Questo è dovuto al fatto che, come visibile in figura 9, lungo il reticolo si ha una componente non nulla del vettore di propagazione anche in direzione radiale, e nel reticolo si ha una diffrazione del primo ordine, k = k = π/Λ. Invece, in figura 12 si nota come i massimi di emissione si ottengano per angoli prossimi allo zero, ossia alla verticale. In pratica il numero di minimi o massimi del campo elettrico/magnetico corrisponde alla metà del numero di intagli. Questo è dovuto al fatto che, come visibile in figura 9, lungo il reticolo si ha una componente non nulla del vettore di propagazione in direzione radiale, e nel reticolo si ha una diffrazione del primo ordine, con kazimutale= π/Λ. Nel secondo caso, in pratica il numero di minimi o massimi del campo elettrico/magnetico corrisponde al numero di intagli e si ha una diffrazione del secondo ordine con kazimutale=2π/λ. Con riferimento alla figura 13, sono confrontati due grafici di emissione laser rispettivamente ottenuti con un risonatore laser a disco, come quello di figura 9, e con un risonatore laser a disco come quello di figura 10. In particolare, si evidenzia la differenza di potenza che raggiunge la curva a tratto discontinuo 30, che illustra la potenza emessa in direzione verticale in funzione dell’intensità di corrente per un risonatore con sedici intagli e un diametro di 170 micron, con la curva a tratto continuo 31 che relaziona la potenza emessa in funzione dell’intensità di corrente per un risonatore con diciassette intagli e un diametro di 182 micron. Il grafico si ferma al limite di sopportazione dell’intensità di corrente. È evidente come sia estremamente più alta la potenza raggiunta e come sia anche molto più alta la derivata della potenza in funzione dell’intensità di corrente. Ciò dimostra l’elevata potenza estraibile con una siffatta geometria, che forza l’emissione laser solo lungo il reticolo.

Con riferimento alla figura 14, è possibile realizzare un dispositivo laser comprendente una schiera di risonatori laser come sopra definito. Ad esempio, nella figura viene mostrato un piano, che costituisce lo strato 6 metallico, con sopra una schiera di risonatori 1 del tipo illustrato in figura 1. Ovviamente, possono essere utilizzate anche le strutture di figure 1B o 1C, in modo ovvio per un tecnico del ramo.

La descrizione di cui sopra di una forma realizzativa specifica è in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un risonatore planare applicabile ad un laser, detto risonatore comprendendo una regione attiva planare, un primo ed un secondo strato di guida d’onda racchiudenti detta regione attiva; in cui detto risonatore ha una forma geometrica definita da un perimetro, lungo detto perimetro essendo prevista una pluralità di incisioni di detto primo strato di guida d’onda formanti un reticolo di incisioni radiali, caratterizzato dal fatto che il numero di dette incisioni è un numero primo o un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque.
2. Un risonatore laser come da rivendicazione 1, in cui detto risonatore laser è di tipo a cascata quantica nel campo dei THz, e comprende una regione attiva a semiconduttore confinata tra due guide d’onda metalliche, in associazione al reticolo formato dagli intagli radiali in corrispondenza della periferia del disco.
3. Un risonatore laser come da rivendicazione 2, in cui detta regione attiva a semiconduttore è interposta tra due strati di semiconduttore drogati.
4. Un risonatore laser come da rivendicazione 3, in cui detto primo strato di semiconduttore drogato è assente in una zona centrale.
5. Un risonatore laser come da rivendicazione 2, in cui detto primo e secondo strato di guida d’onda in materiale metallico è scelto tra: Oro, Cromo Palladio Titanio germanio, o loro combinazioni, ad esempio Cromo/Oro, Palladio/germanio, Titanio/oro, ecc.
6. Un risonatore laser come da rivendicazione 2, in cui detto coefficiente di riempimento del reticolo, ossia il rapporto superficiale tra le incisioni e le zone non incise è tra 40 e 60%, ad esempio 50%.
7. Un risonatore laser come da rivendicazione 1, in cui detti intagli sono realizzati come almeno due fessure affiancate, in modo da ridurre le zone centrali dell’intaglio senza metallo, senza diminuire l’efficienza di estrazione.
8. Un risonatore laser come da rivendicazione 1, in cui detto numero di intagli è un numero primo scelto tra cinque, sette, undici, tredici, diciassette, diciannove, ventitre, ventinove, trentuno, trentasette, quarantuno, quarantatre, quarantasette.
9. Un risonatore laser come da rivendicazione 1, in cui detto numero di intagli è un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque, scelto tra quindici, ventuno, venticinque, ventisette, trentatre, trentacinque, trentanove, quarantacinque, quarantanove, cinquantuno.
10.Un dispositivo laser caratterizzato dal fatto di comprendere un risonatore laser come da rivendicazioni precedenti.
11.Un dispositivo laser come da rivendicazione 10 caratterizzato dal fatto di comprendere su almeno un piano una schiera di risonatori laser come da una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9.
12.Un metodo di produzione di un risonatore planare applicabile ad un laser, comprendente le fasi di predisporre una regione attiva a semiconduttore, predisporre un primo ed un secondo strato di guida d’onda racchiudenti detta regione attiva; in cui detta regione attiva ha una forma geometrica definita da un perimetro, caratterizzato dal fatto che detto primo strato di guida d’onda viene formato su detta regione attiva secondo un reticolo di incisioni radiali, caratterizzato dal fatto che dette incisioni radiali sono realizzate in modo che il numero di dette incisioni sia un numero primo o un numero dispari multiplo di un numero primo maggiore o uguale a cinque.