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Studio dell'amplificazione in strutture a banda fotonica proibita

In questo lavoro di tesi è stata dimostrata la possibilità di realizzare dispositivi attivi operanti a frequenze ottiche, sfruttando le proprietà delle strutture a banda fotonica proibita. Si è osservato l’effetto di amplificazione, per valori di frequenza corrispondenti agli estremi delle bande proibite, utilizzando materiali attivi per la costituzione di cristalli fotonici unidimensionali e bidimensionali.
Per la prima volta, è stato analizzato, con un codice di calcolo da me sviluppato basato sul metodo FDTD, il comportamento di strutture a banda fotonica proibita, realizzate con materiali attivi con caratteristiche di guadagno, dipendenti dalla frequenza, di tipo Lorentziano. Utilizzando un materiale attivo Lorentziano, con picco di guadagno posto in corrispondenza di uno degli estremi delle bande proibite, è stata mostrata la nascita di oscillazioni laser (senza l’aiuto di specchi esterni) con frequenza pari a quella in cui è localizzato il massimo del guadagno del mezzo attivo, sia per strutture unidimensionali sia per strutture bidimensionali.
In quest’analisi si è dimostrato come il metodo alle differenze finite nel dominio del tempo, sia utilizzabile per lo studio delle caratteristiche di trasmissione e riflessione delle strutture PBG, costituite da materiali con caratteristiche dipendenti o indipendenti dalla frequenza.
E’ stato sviluppato ed implementato un modello, basato sul metodo FDTD, relativo a strutture PBG attive, con periodicità unidimensionale e bidimensionale, con caratteristiche di guadagno indipendenti o dipendenti dalla frequenza. Nel primo caso, è stato introdotto il guadagno, utilizzando una conducibilità elettrica negativa indipendente dalla frequenza, mentre nel secondo caso è stato introdotto il guadagno, utilizzando una conducibilità elettrica negativa, dipendente dalla frequenza di tipo Lorentziano.

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Introduzione 2 Introduzione Negli ultimi anni, i cristalli fotonici, noti anche come strutture a banda fotonica proibita (PBG, photonic band gap), sono stati oggetto di studio sia nel campo delle microonde sia in quello delle frequenze ottiche. Le strutture a banda fotonica proibita rappresentano un filone di ricerca attivo, alimentato dalla speranza di scoprire nuove proprietà utili per lo sviluppo di futuri dispositivi. In questa ricerca, la teoria gioca un ruolo fondamentale, a causa delle difficoltà nella realizzazione delle strutture fotoniche; oggi paradossalmente risulta più facile la fase di sviluppo, rispetto alla fase di produzione dei cristalli fotonici. Si possono realizzare cristalli fotonici con una specifica geometria, sia con dimensioni millimetriche per il controllo alle microonde, sia con dimensioni micrometriche per il controllo agli infrarossi. Le possibili applicazioni dei cristalli fotonici alle frequenze ottiche riguardano la realizzazione di cavità risonanti, guide d’onda, amplificatori, LED e laser con un’ottima efficienza. I materiali che presentano un band gap completo, infatti, consentono non solo di controllare e manipolare il fascio luminoso, ma anche di influenzare i processi di emissione spontanea della luce. Per comprendere in che modo un materiale possa garantire un completo controllo sulla propagazione della luce, è necessario tracciare un’analogia con i materiali elettronici. Un cristallo è un arrangiamento periodico di particelle, in altre parole si ha un cristallo quando un piccolo blocco costitutivo di base di atomi o molecole si ripete nello spazio. Un cristallo presenta, quindi, un potenziale periodico per un elettrone che si propaga al suo interno e la geometria stessa del cristallo ne determina molte proprietà di conduzione. In particolare, un reticolo atomico potrebbe introdurre degli intervalli proibiti nella struttura a bande di energia del cristallo, sicché agli elettroni sarebbe impedita la propagazione con determinate energie in certe direzioni. Se il potenziale fosse sufficientemente forte, il gap potrebbe estendersi in tutte le possibili direzioni determinando una banda proibita completa, come accade nei semiconduttori che ne hanno uno tra la banda di valenza e quella di conduzione. L’analogia ottica è il cristallo fotonico: in esso il “potenziale periodico” è dovuto al reticolo di un mezzo dielettrico macroscopico anziché ad un reticolo di atomi. Se le costanti dielettriche dei materiali nel cristallo sono sufficientemente differenti e l’assorbimento della luce da parte del materiale è minimo, allora lo scattering alle

Tesi di Laurea

Facoltà: Ingegneria

Autore: Vincenzo De Palo Contatta »

Composta da 236 pagine.

 

Questa tesi ha raggiunto 1372 click dal 20/03/2004.

 

Consultata integralmente 2 volte.

Disponibile in PDF, la consultazione è esclusivamente in formato digitale.