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I laser allo stato solido
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… breve storia sull’invenzione del Laser
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Dopo aver fallito nella realizzazione di
un radar a microonde durante la
seconda guerra mondiale, Charles
Townes voleva utilizzare le microonde
per investigare la struttura delle
molecole.
Per questo aveva bisogno di onde elettromagnetiche con una
lunghezza d'onda il più corta possibile, estremamente “pulita” nonché
monocromatica.
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Non sapendo come ottenere una simile radiazione, Townes e il suo
studente Gordon Gould si ricordarono dei lavori di Albert Einstein
del 1917. Nello specifico di quell’effetto chiamato “emissione
stimolata di radiazione”, per cui è possibile indurre un atomo ad
emettere radiazione “illuminandolo” con una radiazione dello stesso
tipo.
Superati innumerevoli problemi tecnici, nel 1953, utilizzando un gas
di ammoniaca, i due riuscirono a far funzionare un dispositivo poi
battezzato, dagli stessi, “MASER”, dove la “M” iniziale sta per
“Microonde”.
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Nel contempo, il fisico sovietico Nicolay Basov e il fisico
australiano Aleksandr Prokhorov, emigrato in Unione Sovietica,
stavano ottenendo risultati del tutto analoghi.
Sempre l'esigenza di studiare la struttura delle molecole spinse
Townes ed un suo collega della Columbia University, Arthur
Schawlow, a cercare di ottenere lo stesso effetto con una
radiazione di lunghezza d'onda ancora piu corta, come la luce
infrarossa o visibile. Schawlow suggerì di sistemare degli specchi
agli estremi della cavità e, nel 1958, i due scienziati americani
pubblicarono uno storico articolo sulla rivista Physical Review
Letters, e nello stesso momento brevettarono la loro invenzione.
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… e Gordon Gould?
In realtà fu lui il primo a utilizzare la parola Laser ed a
depositare presso un notaio uno schema che illustrava il nuovo
dispositivo.
Secondo Townes, Gould gli rubò l'idea del laser; secondo Gould,
il ladro fu Townes.
Iniziò così una ventennale battaglia legale estremamente
controversa che si risolse nel 1977 con la vittoria di Gould.
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Dal punto di vista legale, l'inventore del laser è quindi Gordon
Gould, ma la comunità scientifica tende ad attribuirne
l'elaborazione teorica a Townes, Basov e Prokhorov, ai quali nel
1967 venne assegnato il Premio Nobel per la fisica.
E’ comunque doveroso ricordare che il primo dispositivo
utilizzabile in pratica fu sviluppato da Theodore Maiman.
Egli infatti, nel 1960, brevettò il laser al rubino. Questa sua
invenzione aprì definitivamente le porte alle innumerevoli
applicazioni del laser.
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Le prime risultanze sperimentali circa i laser a semiconduttore
furono osservate nel 1962 utilizzando dei diodi a giunzione p-n.
Tali osservazioni furono, stando alla letteratura, condotte da
almeno quattro gruppi diversi, Hall a.o., Nathan a.o., Holonyak
a.o., Quist a.o..
I primi tre gruppi in particolare impiegarono quale materiale
semiconduttore l’arseniuro di gallio, il quarto un composto
ternario di Gallio, Arsenico e Fosforo. In ogni caso si trattava
sempre di laser ad omogiunzione, che possono operare in regimi
di temperatura criogenici, p.es. 77K.
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… concetti fondamentali per la comprensione
del funzionamento del Laser
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LASER è l'acronimo inglese di Light Amplification by the
Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di
Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazioni.
Sostanzialmente è un oscillatore ottico che realizza due funzioni,
l'amplificazione della luce attraverso un mezzo attivo e la
retroazione della luce stessa tramite un risuonatore ottico,
tipicamente realizzato mediante due specchi riflettenti.
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I laser, come i led, sono particolari diodi che, per il loro
funzionamento, necessitano di almeno una giunzone p-n.
Questa è necessaria affinchè possa esistere luce per effetto della
ricombinazione tra elettroni e lacune iniettati, nel senso che è
auspicabile che entrambi i portatori si trovino simultaneamente
nella stessa regione spaziale.
Ciò in maniera molto elementare è ottenuto mettendo assieme
due pezzi di semi-conduttore, uno di tipo n ed uno di tipo p,
sotto l’effetto di un campo elettrico.
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Ciò che distingue i dispositivi ottici dai comuni diodi è proprio il
fenomeno della “ricombinazione radiativa”.
L’emissione luminosa derivante dalle ricombinazioni radiative, nel
caso dei materiali semiconduttori, per esempio è spesso
osservabile attraverso il fenomeno della “fotoluminescenza”
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I meccanismi di interazione tra l'onda elettromagnetica e la
materia sono:
• l'assorbimento
• l'emissione spontanea
• l'emissione stimolata.
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E2
E1
Nel primo caso, un atomo a livello energetico basso, E1, assorbe
un fotone e si porta ad un livello energetico superiore, E2.
Affinchè questo avvenga è necessario che l'energia del fotone hν,
con h costante di Plank e ν frequenza, sia maggiore o uguale alla
differenza di energia tra i due livelli energetici coinvolti nella
transizione
h  E2  E1
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E2
E1
L'emissione spontanea rappresenta il processo inverso a quello
appena descritto, ovvero si manifesta quando un atomo a livello
eccitato E2 si riporta a livello E1 emettendo un fotone di energia
pari a
h  E2  E1
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E2
E1
L'emissione stimolata, spesso nota in letteratura come effetto
laser, si verifica quando un atomo che si trova al livello eccitato, si
riporta ad un livello energetico più basso a seguito dell'arrivo di
un fotone incidente. A seguito di questo processo viene emesso
un altro fotone sempre di energia
h  E2  E1
con fase e polarizzazione identiche a quelle del fotone incidente.
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Consideriamo il modello a bande di un semiconduttore:
gli elettroni di energia E si muovono attraverso il reticolo
cristallino periodico con vettore d'onda k.
Le energie permesse per gli elettroni sono legate al vettore d'onda
tramite la relazione
 2k 2
E
2m*
con m*, massa efficace dell'elettrone.
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La relazione tra E e k ha importanti conseguenze sulle transizioni
subite dagli elettroni all'interno di un materiale semiconduttori.
Tali materiali possono infatti essere suddivisi in due categorie:
• semiconduttori a band-gap diretto
• semiconduttori a band-gap indiretto
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Nel caso di un semiconduttore a band-gap diretto il massimo
dell'energia nella banda di valenza ed il minimo in quella di
conduzione si presentano per lo stesso valore del vettore d'onda
k. Nei semiconduttori a gap diretto, un elettrone nella banda di
conduzione può subire una transizione energetica verso un livello
vuoto della banda di valenza, emettendo un fotone, senza che
siano necessari cambiamenti del vettore d'onda.
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Nel caso di gap indiretto invece, come per esempio Si o Ge, la
transizione di un elettrone tra la banda di conduzione e quella di
valenza deve coinvolgere anche una variazione del vettore d'onda.
In altre parole, la transizione può avvenire solo se si verifica
anche una interazione con una unità quantica che descrive
l'oscillazione meccanica, ovvero un fonone del cristallo. Questo,
ovviamente, riduce la probabilità delle transizioni indirette →
“phonon-assisted transition”.
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Per questo motivo solo i materiali a gap diretto permettono di
realizzare emettitori laser efficienti, essendo la probabilità di
transizioni elettroniche estremamente elevata.
Semiconduttori a gap diretto tipicamente impiegati sono GaAs,
InP, InAs, InGaAs, InGaAsP.
In particolare i composti quaternari In1-xGaxAsyP1-y che si
possono ottenere variando le frazioni molari x e y di Gallio ed
Arsenico, sono particolarmente interessanti in quanto in grado di
coprire l'intervallo di lunghezze d'onda 1100÷1650nm, cioè tutta
la banda di interesse per gli attuali sistemi di comunicazione in
fibra ottica.
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… ma qual è l’idea alla base dei laser?
Consideriamo due livelli energetici arbitrari di un materiale, E1 ed
E2.
Siano N1 ed N2 le rispettive popolazioni.
E2, N2
E1, N1
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F
F+dF
z
dz
Consideriamo un onda piana che i propaghi all’interno del
materiale, nella direzione dell’asse z, veicolando una densità di
fotoni, per unità di superficie e per unità di tempo, pari a F.
Indichiamo con dF la variazione indotta sul flusso fotonico,
dall’elementino di materiale lungo dz ed avente sezione trasversa
pari ad S.
La variazione indotta sul numero dei fotoni, tra quelli che escono
e quelli che entrano, dal volume del materiale in oggetto sarà
quindi
S  dF
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Sappiamo che ogni fenomeno di assorbimento assorbe un fotone
mentre ogni fenomeno di emissione genera un fotone.
La variazione del numero dei fotoni deve quindi SdF dovrà
coincidere con i fenomeni di emissione stimolata ed
assorbimento che si verificano nel volume Sdz nell’unità di
tempo.
Si può quindi scrivere
S dF  W21N2  W12 N1 S dz 
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e, ricordando che
W21   21F
W21   21F
in cui W21 e σ21 e W12 e σ12 rappresentano il tasso e la sezione
trasversa ripettivamente nel caso della emissione stimolata e
dell’assorbimento.
N.B.: W [t-1], σ [cm2], F [t-1 cm-2]
Einstein all’inizio del secolo ha dimostrato che se
g2W21  g1W12  g2 21  g112
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per cui si puo arrivare a scrivere che

 g 2 N1  
dF

  21F  N 2  
dz
 g1 

Questa relazione è stata ottenuta non considerando gli effetti
relativi ai decadimenti radiativi e non radiativi. Infatti i
decadimenti non radiativi, non aggiungono fotoni, mentre i
decadimenti radiativi (emissione spontanea), emettendo in ogni
direzione danno un contributo trascurabile al flusso di fotoni che
investe la materia in una specifica direzione.
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
 g 2 N1 
dF
  0
 0   N 2  
dz
 g1 


 g 2 N1 
dF
  0
 0   N 2  
dz
 g1 

Il materiale si comporta da amplificatore nel primo caso, da
assorbitore nel secondo.
La prima condizione ci dice che siamo in presenza di una
inversione di popolazione ed un mezzo in cui si realizza una
inversione di popolazione si dice mezzo attivo, mezzo cioè che
può fungere da amplificatore.
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Abbiamo l’amplificatore!
A questo punto per realizzare un oscillatore a partire da un
amplificatore è necessario introdurre una retroazione positiva.
Nel caso dei laser il feedback è tipicamente ottenuto collocando il
materiale attivo tra due specchi ad elevata riflettività → cavità
ottica. In questo modo una onda elettromagnetica che si
propaghi in direzione perpendicolare agli specchi si trasmette
avanti ed indietro tra gli specchi e ad ogni passaggio viene
amplificata dal mezzo attivo.
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Mezzo Attivo
Specchio 1
Fascio d’uscita
Specchio 2
Se uno dei due specchi è parzialmente trasparente, dallo stesso
può essere ottenuto un fascio laser in uscita.
Il meccanismo che induce la condizione di inversione della
popolazione è detto meccanismo di pompaggio.
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N.B.
La condizione in cui dF/dz=0 è detta condizione di trasparenza:
il materiale è cioè trasparente alla radiazione che lo investe.
Quando questa condizione si verifica, nel caso di un sistema a
due livelli energetici, si parla di saturazione del due livelli.
E’ quindi impossibile produrre una inversione di popolazione!
Per questo motivo si utilizzano tipicamente sistemi a tre o quattro
livelli energetici.
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Nel caso di laser ad omogiunzione, in cui entrambi in i lati della
giunzione è presente lo stesso materiale, la condizione di
pompaggio è raggiunta quando entrambe le due regioni di
materiale semiconduttore sono degeneri. In tal caso la
concentrazione delle specie donori ed accettori è talmente alta
(p.es. 1018 atomi/cm3) che il livello di Fermi penetra la banda di
valenza nel caso del materiale di tipo p, EFp, ed quella di
conduzione nel caso del materiale di tipo n, EFn.
p
n
Eg
EFp
EFn
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Quando due semiconduttori di differente drogaggio sono posti
a contatto l'uno con l'altro, si ha una diffusione di elettroni dal
lato n al lato p e di lacune dal lato p al lato n. Il processo
continua fino al raggiungimento di uno stato stazionario in cui il
campo elettrico dovuto alla presenza di cariche negative, gli
accettori, sul lato n e di cariche positive, i donatori, sul lato p, si
oppone ad una ulteriore diffusione di cariche.
d
p
n
Eg
ΔE=eV
EFp
V
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EFn
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Se la giunzione viene polarizzata direttamente, applicando una
tensione esterna, il campo elettrico interno viene ridotto ed è
possibile avere una ulteriore diffusione di cariche attraverso la
giunzione. Si crea quindi una piccola regione dove sono presenti
sia elettroni che lacune che possono ricombinarsi radiativamente,
emettendo fotoni di energia pari al band-gap.
Quando il voltaggio diviene sufficientemente elevato vengono
iniettati un numero di portatori tali da raggiungere la condizione
di inversione di popolazione.
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La corrispondente corrente iniettata è detta corrente di soglia del
laser.
I laser ad omogiunzione hanno, a temperatura ambiente, densità
di corrente estremamente elevate (Jth=105 A/cm2).
Le ragioni per una soglia così elevata sono principalmente due:
• spessore della regione attiva elevato (d≈1μm) ed essendo la
corrente di soglia direttamente proporzionale al volume della
regione attiva → soglia molto elevata;
• dimensioni trasverse elevate per cui buona parte del fascio laser
emesso è assorbito pesantemente dalle due regioni del materiale
semiconduttore.
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La tipica struttura e dimensioni di un laser ad omogiunzione a
larga area sono illustrate in figura
metallo
tipo p
I
regione attiva
tipo n
fascio laser
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Due facce parallele di tale struttura sono ottenute per clivaggio o
lucidatura, tipicamente lungo la direzione cristallografica <110>
e la luice, generalmente è emessa da uno di questi due piani.
Le superfici degli altri due lati del diodo laser sono scabre per
eliminare l’emissione di luce coerente in direzioni diverse da
quella principale.
Questo tipo di struttura è largamente impiegato nei moderni
laser a semiconduttore ed è noto come cavità Fabry-Perot.
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Per aumentare l'efficienza dei laser, si è presto passati dalle
semplici giunzioni pn alle eterogiunzioni e quindi alle strutture a
doppia eterogiunzione in cui il sottile strato del materiale attivo
viene cresciuto tra due strati di materiale semiconduttore a gap
maggiore differentemente drogati.
Esempio tipico è quello di una laser in cui la regione attiva è
costituita da un sottilissimo strato (0.1÷0.2 μm) di GaAs oppure
InGaAsP, viene cresciuta tra due regioni di Al0.3Ga0.7As o InP di
tipo p e di tipo n.
1 μm p-Al0.3Ga0.7As
0.15μm GaAs
1 μm p-InP
0.15μm GaAs
1 μm n-Al0.3Ga0.7As
1 μm n-InP
n+-GaAs
substrato
n-InP
substrato
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Quando le precitate strutture sono ben ottimizzate si riesce a
ridurre di due ordini di grandezza, rispetto al caso dei laser ad
omogiunzione, la corrente di soglia a temperatura ambiente (p.es.
Jth˜103 A/cm2).
Questi furono i primi dispositivi Laser ad essere impiegati in
regime continuo e ciò fu dimostrato simultaneamente da Zhores
Alferov, scienziato sovietico e dai due ricercatori Morton Panish
e Izuo Hayashi che conducevano le loro ricerche negli Stati Uniti.
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Una simile riduzione della corrente di soglia è principalmente
imputabile a tre diversi fattori:
• l’indice di rifrazione dello strato attivo (p.es. n=3.6 per GaAs) è
maggiore rispetto a quello dei due strati adiacenti (p.es. n=3.4 per
Al0.3Ga0.7As), i “cladding layers”, realizzando in tal modo una
struttura guidante. Ciò significa che il fascio della radiazione
prodotta è sostanzialmente confinato all’interno della regione
attiva.
• l’energy gap della regione attiva (p.es. n=1.5 eV per GaAs) è
significativamente minore rispetto a quello dei cladding layers
(p.es. n=1.8 eV per Al0.3Ga0.7As). ciò consente di realizzare un
confinamento dei portatori all’interno della regione attiva.
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• considerato che l’energy gap dei cladding layers è
significativamente maggiore rispetto a quello dei della regione
attiva, il fascio laser, che avrà una frequenza pari a ν=EGact/h,
sarà meno pesantemente assorbito nelle sue code.
n2
n1
EFn
Eg2
Eg1
Eg2
EFp
lato p
regione
attiva
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lato n
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Se l’indice di rifrazione della regione attiva è maggiore di quello
dei cladding layers possiamo quindi dire che la propagazione è
guidata in una direzione parallela alle interfacce tra i diversi strati.
Fattore di confinamento
  1 e
(  Anh )
in cui Δn rappresenta la variazione di indice di rifrazione, h lo
spessore della regione attiva. A è una costante.
Г aumenta al crescere di Δn e h.
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Le strutture di cui si è fin qui parlato, indicate con il nome di
strutture planari ad area estesa, possono emettere radiazione
lungo l’intera area del piano della giunzione.
contatti
metallici
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Le strutture a striscia, sono caratterizzate dalla emissione della
radiazione laser dalla stretta regione al di sotto del contattto.
Dimensioni tipiche per la larghezza della striscia vanno da circa
1μm a 30μm.
contatti
metallici
ossido
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I vantaggi di tale configurazione sono:
• riduzione della corrente di soglia
• eliminazione della presenza di aree multiple di emissione
• aumento della affidabilità.
I bassi valori delle correnti di soglia che caratterizzano questi
dispositivi a Tamb hanno portato ad una notevole diffusione dei
laser a semiconduttore nei sistemi di telecomunicazione in fibra
ottica.
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Se lo spessore della regione attiva di un DH laser viene
ulteriormente ridotto, al punto in cui le sue dimensioni sono
comparabili con la lunghezza d’onda di deBroglie λ=h/p, allora
di parla di Quantum Well DH laser.
Questi laser manifestano
• aumento del guadagno della regione attiva
• minore dipendenza del guadagno dalla temperatura.
Queste proprietà dipendono sostanzialmente dalle differenti
forme assunte dalla densità degli stati.
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EC
EC
EV
EV
Al centro delle strutture una QW (˜10nm), su entrambi i lati della
well, due layer interni (˜0.1μm) caratterizzati da un energy gap più
ampio ed un indice di rifrazione inferiore. All’esterno degli “inner
layers”, i cladding layers, molto più spessi, che costituiscono i lati
p ed n del diodo laser.
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Il confinamento della radiazione ottica è ottenuto per effetto
della differenza di indice di rifrazione tra gli inner layers ed i
cladding layers. Il contributo al confinamento da parte della well
è trascurabile.
La seconda immagine mostra una struttura particolarmente
diffusa e nota come GRINSCH acronimo di GRaded INdex
Separated Confinement Heterostructure. Questa configurazione
è ottenuta impiegando composti ternari o quaternari in cui si
variano opportunamente le frazioni molari si da matchare gli
indici di composizione di QW e cladding layers.
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Esempio
(*) Dispostitivo interamente realizzato impiegando il composto
ternario Al1-xGaxAs
QW: Al0.2Ga0.8As
inner layers: Al0.2Ga0.8As ÷ Al0.6Ga0.4As
cladding layers: Al0.6Ga0.4As
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I layer interni o di confinamento in particolare possono
contenere o una QW singola oppure una struttura MQW (Multi
Quantum Well).
Nel caso di MQW, lo spessore di ciascuna well è di circa 5nm e, la
separazione tra wells è ottenuta mediante una alternanza con
materiale semiconduttore ad ampio energy-gap, avente uno
spessore tale da evitare il tunneling degli elettroni da una well
all’altra.
EC
EC
EV
EV
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Tutti i dispositivi finora visti sono del tipo “edge emitting
semiconductor laser”, cioè laser a semiconduttore che emettono
lateralmente la radiazione prodotta nella regione attiva.
Questi dispositivi tendono ad oscillare simultaneamente su un
numero piuttosto elevato di modi di cavità.
Ciò implica la necessità di integrare all’interno della struttura del
laser delle features che consentano di operare su un singolo
modo.
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Inclusione di un “grating” in una zona prossima alla regione
attiva con cui i modi di cavità possano interagire.
Un grating consiste in un numero piuttosto elevato di groove
regolarmente spaziate tra loro.
La distanza tra due groove successive è detta “pitch”. Nel caso in
cui il grating sia costituito da una struttura periodica, allora il
pitch coincide con il periodo stesso della struttura.
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d
L’immagine mostra una struttura che include un grating di
periodo d.
Un laser di questo tipo è detto DFB laser, cioè Distributed
FeedBack laser.
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Soltanto la radiazione che soddisfa alla condizione di Braggviene
riflessa efficientemente. Se l’indice di rifrazione del mezzo
guidante è n, allora la condizione di Bragg può essere scritta
come segue
m
2d sen 
n
θ rappresenta l’angolo di incidenza sul grating che tipicamente è
prossimo a 90°. I suoi effetti sono comunque generalmente
inglobati in un indice di rifrazione efficace, neff.
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Fissata quindi la frequenza del singolo modo di cavità, nota cioè
λ* a cui si vuol far oscillare la struttura, è univocamente
determinato il periodo del grating
m*
d
2neff
Le groove dei gratings sono tipicamente realizzate per litografia,
in cui sono anche impiegate tecniche olografiche e pattern di
interferenza proiettati direttamente sulla superficie da etchare.
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Abbiamo già visto che nel caso di “edge emitting semiconductor
lasers”, la radiazione emesse viaggia in una direzione parallela al
piano della giunzione .
Esiste tuttavia un’altra categoria di dispositivi, i “surface emitting
semiconductor lasers” che emettono la radiazione in direzione
normale al piano della giunzione.
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Abbiamo già visto che nel caso di “edge emitting semiconductor
lasers”, la radiazione emesse viaggia in una direzione parallela al
piano della giunzione .
Esiste tuttavia un’altra categoria di dispositivi, i “surface emitting
semiconductor lasers” che emettono la radiazione in direzione
normale al piano della giunzione.
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I VCSELs (Vertical Cavity Surfave Emetting Lasers) sono in
maniera esemplificativa realizzati confinando la regione attiva
all’interno di due pile di layer a basso ed alto indice di rifrazione,
alternati tra loro.
Ciascuno di questi stack di layer ciascuno dello spessore di ¼ la
lunghezza d’onda della radiazione emessa funge da specchio a
banda stretta ed alta riflettività realizzando in tal modo una cavità
ottica verticale.
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Questo tipo di struttura offre diversi vantaggi:
• Larghissima scala di integrazione considerate le piccolissime
dimensioni di ciascun laser. Una collaborazione tra gli AT&T Bell
Laboratories e la Bellcore ha prodotto dei microlaser a densità di
integrazione di oltre mille singoli dispositivi per millimetro
quadrato. Essi avevano 5μm di altezza e diametro da 1 a 5 μm.
• Operano mono-modo
• Correnti di soglia bassissime, casi tipici 1mA.
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Output power
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Ith
Input current
Il grafico illustra la caratteristica Potenza-Corrente di un laser.
Per bassi valori della corrente di iniezione si osserva l’emissione
di una debole radiazione incoerente, in cui il dispositivo si
comporta sostanzialmente la LED.
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La potenza ottica nel caso di un laser a semiconduttore assume la
seguente forma
 I  I th i h   ln R 
P



e

 L  ln R 
in cui I è la corrente di pompaggio, Ith la corrente di soglia, ηi la
efficienza quantica interna che rappresenta la frazione di
portatori iniettati nella regione attiva che ivi si ricombinano
radiativamente, ν la frequenza della radiazione emessa, L la
lunghezza della cavità, R la riflettività dei due specchi, sotto
l’assunzione che sia uguale per entrambi, α il coefficiente di
perdita interno ed e la carica.
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Una figura di merito particolarmente importante per un laser
nella regione operativa è la “slope efficiency”.
Pout
s 
V  I in
La slope efficency rappresenta pertanto la pendenza della
caratteristica del laser oggetto di osservazione.
I diodi laser attualmente disponibili sul mercato hanno valori di
slope efficiency che possono raggiungere il 35%.
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Esempio
Consideriamo il diodo laser
temperatura di 25°C.
modello ML4405, ad una
Variando la corrente da 35 a 45mA, si ha una variazione della
potenza di uscita 1.1 a 4.1 mW, a fronte di una minima variazione
della tensione, il cui valore si attesta stabilmente ad 1.8V.
La slope efficiency vale:
s 
4.1  1.1103
1.8  (45  35) 10
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3
 0.17  17%
Output power
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Ith
Input current
Talvolta le caratteristiche dei diodi laser mostrano delle
irregolarità, i “kink”.
In tal caso il concetto di slope efficiency perde significato.
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Output power
T=25°C T=50°C T=75°C
Input current
La corrente di soglia dei diodi laser dipende dalla temperatura
secondo una legge empirica per cui
I th  e
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T

 T0



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Il valore T0 corrisponde ad una temperatura caratteristica per lo
specifico diodo laser, il cui valore è un indice della qualità del
DUT.
'
th
''
th
I
e
I
 T ' T ''

 T
0





Dalle precedenti relazioni è evidente che tanto maggiore è il
valore di T0 tanto meno sensibile risulterà la corrente di soglia
alle variazioni di temperatura.
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Per avere un idea:
• nel caso di DH laser in GaAs il valore di T0 risulta compreso
tra 100K e 200K
• nel caso di un GaAs QW laser il valore di T0 è maggiore di
270K
I laser a semiconduttore usati nelle telecomunicazioni ottiche
sono generalmente termostatati mediante sistemi di controllo in
reazione basati sull'effetto termoelettrico Peltier, le TEC o
Thermo Electric Cooler, per evitare instabilità delle
caratteristiche di emissione.
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La radiazione emessa la una sorgente laser presenta delle
caratteristiche ben precise:
1.
2.
3.
Direzionalità
Monocromaticità
Coerenza
1. LLa radiazione emessa da un laser si propaga in una direzione
ben definita, a differenza della luce emessa da una comune
lampadina a incandescenza che si propaga in tutte le
direzioni.
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2. la radiazione laser è monocromatica nel senso che tutti i fotoni
generati per effetto della emissione stimolata sono
assolutamente isofrequenziali a quelli incidenti.
Una lampadina ad incandescenza emette invece una
radiazione radiazione composta da fotoni di energie differenti.
3. La radiazione laser ha elevata coerenza spaziale e temporale. La
coerenza temporale misura la correlazione tra i valori che il
campo elettromagnetico assume in due istanti di tempo t e t+
t; si definisce tempo di coerenza il massimo ritardo t tale che il
campo nei due istanti mantenga costanza di fase. Si dimostra
che esso è inversamente proporzionale alla larghezza di banda
della radiazione.
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La coerenza spaziale indica la correlazione tra i valori che il
campo elettromagnetico assume in due punti diversi dello
spazio e si definisce area di coerenza, nell'intorno di un
generico punto, l'area della zona all'interno della quale si
realizza questa condizione.
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Sistemi WDM
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La multiplazione a divisione di lunghezza d'onda (Wavelength
Division Multiplexing, WDM) costituisce oggigiorno la tecnica
più efficiente per sfruttare l'ampia banda trasmissiva di una fibra
ottica.
Variando la lunghezza d'onda dei trasmettitori è possibile
aggregare in una singola fibra decine di canali trasmissivi,
indipendentemente dalle proprietà di codifica e di bit-rate.
La disponibilita di sistemi di amplificazione in fibra ormai ben
collaudati rende possibile la trasmissione dell'intera trama per
migliaia di chilometri prima di essere filtrata per ricostruire i
canali originari.
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TX
TX
λ1
fibra
λ2
λ2
λ MUX
OA
λ1, λ2, … , λn
λ1, λ2, … , λn
TX
λ1
fibra
λn
λ
DEMUX
λn
λ1 λ2 λ3
λn
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72
λ
RX
RX
RX
Trama ad n canali