cristalli fotonici: principi di funzionamento ed applicazioni
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cristalli fotonici: principi di funzionamento ed applicazioni
NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica, Laboratorio di Dispositivi Elettronici, Politecnico di Bari Via E. Orabona 4, 70125, Bari, Italy Phone: +39-80-5963314/5963427 Fax: +39-80-5963410 E-mail: [email protected] CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) - SECONDA PARTE (la prima parte dell’articolo è stata pubblicata sul numero Unico 2003 de LA COMUNICAZIONE vol.LII) S bstract: the advent of Internet and of emergent applications what, for instance,TV to high definition, transmission and elaboration to distance of images, above all for applications in medical field, ultrafast connections between supercomputers, require an unprecedented bandwidth in the networks of telecommunications. A new very promising technology for these applications is the Photonic Crystals with forbidden bandgap (Photonic Band-Gap, PBG), which are periodic structures having an interval of wavelengths to inside of which the electromagnetic propagation is forbidden. In this review we have analyzed the photonic crystals using the approach of the leaky mode propagation (LMP) and we have described the principal applications of these structures on PBG. 5. Difetti e dispositivi su PBG trascurabili in quanto il meccanismo guidante non è più la TIR ma si basa sulla presenza del BG. Nei paragrafi successivi si approfondirà il comportamento dei PBG in presenza di difetti; anche in questo caso è possibile sottolineare l'analogia esistente tra un cristallo fotonico e un cristallo ordinario, tanto che un PBG in cui siano presenti difetti è spesso definito come drogato. È noto, infatti, che drogando un semiconduttore con atomi di tipo donore o di tipo accettore si introducono stati permessi, per gli elettroni, all'interno dell'intervallo di banda proibita in prossimità della banda di conduzione o della banda di ommario: l'avvento di Internet ha condotto ad una richiesta senza precedenti di larghezza di banda nelle reti di telecomunicazioni. Di qui è nata la necessità di sviluppare nuove tecnologie avanzate che consentano di processare dati ad alta velocità. E' ampiamente riconosciuto, peraltro, che solo i circuiti fotonici possono assolvere a questo ruolo.Uno dei limiti maggiori per conseguire questo obiettivo è il livello di integrazione attualmente raggiungibile con i circuiti fotonici che possono svolgere solo poche funzioni sullo stesso chip. La ragione principale è la dimensione dei componenti fotonici, che si estende tipicamente in alcuni mm. I cristalli fotonici (Photonic Crystals, PC o Photonic Band-Gap, PBG) possono essere impiegati per superare questo limite. In questo articolo di rassegna abbiamo descritto i principi di funzionamento dei cristalli fotonici con particolare riferimento alle applicazioni più recenti. Introducendo opportune irregolarità nella struttura periodica di un cristallo fotonico, e, quindi, perturbandone la periodicità, si possono creare facilmente stati fotonici localizzati nel gap, mediante cui realizzare dispositivi ottici di nuova concezione. Tali perturbazioni sono meglio note come difetti. Un difetto singolo nella struttura agisce come un microrisonatore ottico, mentre un'intera regione difettiva agisce come una guida d'onda con la quale è possibile realizzare curvature con perdite La Comunicazione - numero unico 2004 A 165 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri valenza, rispettivamente; si modificano, così, le caratteristiche di conducibilità del cristallo alla base del funzionamento dei dispositivi elettronici. Osservato che il drogaggio di un semiconduttore consiste in realtà in una perturbazione della periodicità del reticolo cristallino e ricordando l'equivalenza esistente tra la banda di conduzione (banda di valenza) con la banda d'aria (banda dielettrica) di un PBG, è possibile estendere l'analogia tra PBG e semiconduttori e parlare di cristalli fotonici drogati. Esaminiamo la struttura dei difetti e le conseguenze dovute alla loro presenza, nei casi di PBG 1-D, 2-D e 3-D. 5.1 Difetti nei PBG 1-D In questo caso il difetto è formato da un piano Ne segue che il numero di stati permessi è quantizzato e le corrispondenti frequenze di risonanza decrescono all'aumentare dell'estensione del difetto. Si realizzano in questo modo cavità risonanti alle frequenze ottiche con un fattore di qualità Q più elevato rispetto alle cavità con pareti metalliche, che in tale intervallo hanno notevoli perdite per assorbimento del materiale [20]. La presenza di uno stato localizzato all'interno del BG modifica anche la curva di trasmittività del cristallo (Fig.18). Strutture realizzate su PBG 1-D con difetto possono essere vantaggiosamente utilizzate per realizzare filtri passa banda noti come filtri dielettrici Fabry-Perot. Fig.17 - Difetto in un PBG 1-D costituito da un'alternanza di piani ad alto e basso indice. Il difetto si ottiene modificando lo spessore di uno di tali piani. Si osservi che questo può essere considerato come l'interfaccia tra due specchi di materiale dielettrico realizzati con un reticolo di Bragg. In figura è mostrato anche l'andamento del campo D. del PBG con spessore diverso dagli altri (Fig.17). Il difetto, se opportunamente dimensionato, determina uno stato permesso all'interno del BG e, quindi, la localizzazione della luce; si osserva, infatti, la localizzazione di un modo con frequenza interna all'intervallo di banda oscurata. Il modo oscillerà, in avanti e indietro, all'interno della regione difettiva, mentre decadrà esponenzialmente nelle due regioni periodiche (che, pertanto, si comportano come specchi); infatti, essendo interna al bandgap, il relativo campo non può propagarsi nel PC e sarà, quindi, un modo leaky. Tale comportamento è identico a quello osservato nelle cavità risonanti. Pertanto, affinché si possa avere uno stato localizzato all'interno del BG, il difetto deve avere un'estensione tale da produrre uno sfasamento del campo, per una oscillazione completa (in avanti e indietro), multiplo dispari di π (difetto a λ /4) [19]. 166 Fig.18 - Trasmittività di un PBG 1-D con un difetto a λ/4. È evidente la presenza di un picco di trasmittività in corrispondenza della lunghezza d'onda di risonanza. La Comunicazione - numero unico 2004 5.2 Difetti nei PBG 2-D Nei cristalli 2-D un singolo difetto è ottenibile eliminando una colonna dal reticolo (Fig.19) oppure sostituendo una colonna con un'altra di materiale a diverso indice di rifrazione (Fig.20). NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) La presenza di un difetto si manifesta come un picco di trasmittività all'interno della banda oscurata e produce una concentrazione di campo nella regione difettiva (cavità risonante) [21]. Fig.19 - Cristallo fotonico 2 D con difetto ottenuto mediante la rimozione di una colonna di dielettrico. La figura a destra mostra il corrispondente spettro di trasmittività. La Fig.21 mostra l'ampiezza del campo D nella regione difettiva ottenuta rimovendo una colonna di dielettrico. Si può osservare da tale figura che il campo è localizzato nel difetto decadendo esponenzialmenFig.20 te al di fuori di esso. Cristallo fotonico 2 Si crea così una cavità bidimensionale (nel piano D con difetto ottexy del cristallo) circondata da pareti riflettenti nuto sostituendo adatta a supportare uno stato permesso all'interuna colonna di aria con una no del BG. colonna di mateIn un PBG 2-D, a differenza di un cristallo riale ad alto indice monodimensionale, si possono realizzare difetti di di rifrazione. linea ottenuti rimuovendo un insieme di colonne di materiale dielettrico. Fabbricando un intero percorso difettivo si determina una guida d'onda, ovvero un percorso permesso per la luce, che risulta molto ben confinata nella regione difettiva essendone proibita la propagazione nel cristallo circostante. Si tratta di un nuovo meccanismo guidante, differente dalla tradizionale TIR e molto promettente perché risultano molto ridotte Fig.21 - Ampiezza del vettore spostamendo di Maxwell di uno stato localizzato intorno ad un le perdite. difetto in un reticolo a simmetria quadrata di colonne di alluminio. I colori indicano l'ampiezza del campo, che è orientato in direzione z. La Comunicazione - numero unico 2004 167 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri Le Figg.22 e 23 sono alcuni esempi di dispositivi su PBG fabbricati secondo questo nuovo principio [22, 23]. curvature aventi perdite molto basse, a beneficio di un maggiore livello di integrazione ottenibile (Fig.24). Fig.22 - Strutture differenti realizzate con difetti di linea. a)guida d'onda rettilinea e curva; b)Y-branch; c) microrisonatore. Le stutture sono realizzate con silicio macroporoso. Fig.23 - Immagine al microscopio elettronico di un risonatore in guida d'onda. La figura di destra mostra la distribuzione del campo all'interno della struttura; è evidente la localizzazione del campo nel difetto. La capacità di confinare la luce con perdite trascurabili in una guida su PBG può essere vantaggiosamente sfruttata per realizzare guide con forti La Fig.25 mostra la distribuzione di campo all'interno della guida. Fig.24 - Fotografia SEM di una guida d'onda curva su PBG. 168 La Comunicazione - numero unico 2004 Fig.25 - Distribuzione di campo all'interno di una guida curva. E' evidente il buon confinamento del campo ed in particolare le perdite trascurabili in corrispondenza della curvatura. 5.3 Difetti nei PBG 3-D E' possibile introdurre delle irregolarità nel reticolo di un cristallo 3-D in due maniere: 1. aggiungendo un materiale con diversa costante dielettrica nella cella unitaria (dielectrict defect); 2. rimuovendo parte del materiale dielettrico dalla cella unitaria (air defect). NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) Nel primo caso il difetto si comporta analogamente ad un atomo donore in un cristallo ordinario. Si ottiene uno stato permesso (modo donore) all'interno del gap in prossimità del bordo inferiore della banda d'aria (Fig.26). Nel secondo caso il difetto si comporta similmente ad un atomo accettore. Il modo accettore associato si localizza in prossimità del bordo superiore della banda dielettrica. I difetti di questo tipo sono particolarmente adatti a realizzare microcavità risonanti con elevato Q. La frequenza del modo accettore cresce all'aumentare del volume di materiale rimosso. Un piccolo volume rimosso comporta un livello poco profondo e quindi vicino al bordo superiore della banda dielettrica. La Fig.26 evidenzia l'esistenza di un volume di soglia al di sotto del quale non si hanno modi di tipo accettore. I difetti di tipo donore, invece, danno origine a livelli multipli che tendono a fondersi in un unico livello doppiamente degenere quando il difetto è al centro della cella unitaria. La frequenza del modo donore diminusce all'aumentare del volume del difetto. Come nel caso degli accettori esiste un volume di soglia richiesto per poter sostenere degli stati Fig.26 - Frequenze dei modi donore e accettore in funzione del volume normalizzato del difetto. I punti indicano risultati sperimentali le curve sono calcolate. è la lunghezza d'onda nel vuoto di centro banda, n è l'indice di rifrazione. La banda di valenza coincide con la banda dielettrica, la banda di conduzione con la banda d'aria. La Comunicazione - numero unico 2004 169 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri localizzati.Tale soglia è, tuttavia, dieci volte maggiore rispetto alla soglia relativa ad un difetto donore. In un cristallo 3-D è possibile localizzare la luce in una singola regione introducendo un difetto puntuale. Questo si comporta come una cavità risonante con pareti perfettamente riflettenti all'interno della quale è confinato il campo elettromagnetico. Esternamente al difetto il campo decadrà esponenzialmente lungo le tre dimensioni del cristallo. Oltre a difetti di tipo puntuale si possono realizzare anche difetti di tipo lineare. Si tratta di una intera regione difettiva che si estende nel cristallo rispettando o meno la simmetria traslazionale dello stesso [24]. Si ottiene in questo modo un comportamento molto simle ad una guida metallica, quindi, con un'elevata capacità di confinare la luce ma, al contrario, con perdite trascurabili anche alle frequenze ottiche. 5.4 Conclusioni L'introduzione di irregolarità che interrompono la simmetria traslazionale di un reticolo periodico, in presenza di opportune condizioni, determina uno stato permesso, all'interno della regione spettrale proibita, caratterizzato da un elevato confinamento del campo nel difetto. Tale caratteristica consente la realizzazione di dispositivi dalle prestazioni migliori rispetto a quelli tradizionali e soprattutto con dimensioni di diversi ordini di grandezza inferiori. Quest'ultimo aspetto, insieme con la concreta possibilità di realizzare interconnessioni ottiche con forti curvature e basse perdite, promette il raggiungimento di livelli di integrazione paragonabili alla VLSI in elettronica anche nel campo dell'optoelettronica e spiega il sempre maggiore interesse che i PBG hanno suscitato negli ultimi anni. In particolare la ricerca è orientata verso la messa a punto di metodologie di progetto affidabili che consentano di prevedere il comportamento di un dispositivo su PBG in laboratorio prima ancora che questo sia effettivamente fabbricato. Nel paragrafo successivo passeremo in rassegna le applicazioni, con particolare riferimento ai metodi di analisi maggiormente diffusi, sottolinaendone i principi fondamentali, i vantaggi e gli svantaggi. 170 6. Applicazioni Il primo PBG fu fabbricato nel 1989 da Yablonovitch presso i Bell Communications Research in New Jersey, e presentava un BG solo alle microonde a causa di limitazioni tecnologiche (per spostarsi a lunghezze d'onda più piccole occorre ridurre le dimensioni) ed era del tipo 2-D Bulk ottenuto perforando un blocco di Si secondo una geometria reticolare del tipo FCC perché gli studi teorici suggerivano che fosse questa la più semplice struttura che presentasse un BG completo (in tutte le direzioni e per tutte le condizioni di polarizzazione). Attualmente, a frequenze ottiche, studi intensivi vengono condotti sulle strutture 2-D, importanti per realizzare guide d'onda e circuiti integrati ottici monolitici. Tuttavia, queste strutture vanno progettate con molta cura se si vuole ottenere un BG completo. Le applicazioni maggiori sono: - Guide d'onda, divisori di potenza, switch con basse perdite su lunghe distanze ed in presenza di forti curvature. - Fibre ottiche monomodali in un ampio intervallo di λ , con basso indice di rifrazione del core. Si propaga solo il modo che soddisfa la condizione di Bragg - Specchi perfettamente riflettenti, in particolare per le pareti di cavità LASER - Diodi LED con altissima efficienza esterna (4% senza PBG) perché avviene l'emissione dei soli modi che possono essere trasmessi.Tutta l'energia emessa viene così trasmessa. - Diodi LASER con bassa soglia (< 100 µ A): in forza della soppressione della emissione spontanea (non vengono emessi fotoni con energia all'interno del BG) si riducono le perdite per emissione spontanea, aumenta l'efficienza e si riduce la potenza dissipata ed il relativo riscaldamento. - Filtri con banda passante molto stretta, per sistemi DWDM. - Cavità risonanti con fattore di qualità Q estremamente elevato. - Circuiti Integrati Fotonici: i PBG permettono di ridurre le dimensioni dei circuiti fotonici (attualmente alcuni mm) perché - il fascio LASER si può propagare attraverso guide fortemente incurvate con perdite molto basse; - l'alta efficienza dei LED e dei LASER permette una minore dissipazione di potenza e, quindi, La Comunicazione - numero unico 2004 l'integrazione in spazi molto ridotti; - risulta molto ridotto l'accoppiamento parassita fra guide adiacenti; - può essere sfruttato l'effetto del superprisma. - Applicazioni biomedicali con silicio poroso per la realizzazione di sensori. - Applicazioni nella fisica delle particelle per realizzare acceleratori con elevata purezza spettrale. 6.1 Guide d'onda su PBG L'obiettivo è di produrre guide con bassa dispersione e basse perdite anche su lunghe distanze e con geometrie non rettilinee. Il percorso guidante è ottenuto creando una regione difettiva. Uno dei vantaggi essenziali in questo tipo di guide è la possibilità di guidare su geometrie non rettilinee con basse perdite. I meccanismi di perdita nelle guide su PBG sono sostanzialmente 3: I) scattering dovuto ad imperfezioni: teoricamente le guide in PBG non dovrebbero soffrire di alcuna perdita nel piano in quanto le regioni periodiche entro cui è creata la regione guidante non permettono che si propaghi alcun modo alla frequenza di interesse. Pertanto anche i modi eccitabili potenzialmente da imperfezioni non volute dovrebbero avere una influenza trascurabile (i modi eventualmente eccitabili si riducono a code evanescenti di campo) rispetto a quella che hanno nelle guide ridge tradizionali. L'impatto è maggiore se le guide su PBG sono multimodali perché i centri di scattering possono eccitare modi di ordine superiore. II) Out-of-plane losses: le perdite fuori dal piano della guida costitui- NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) scono il meccanismo di perdita dominante. Esse sono causate: a) dal fatto che le regioni etchate non guidano, per cui l'onda quando le attraversa per passare da una regione all'altra di semiconduttore ad alto indice, tende a diffrangersi e disperdersi nel cover e substrato, cioè fuori dal piano guidante; b) dalla eventuale, insufficiente profondità di etching per cui non tutto il modo è sottoposto alla stessa periodicità e la coda evanescente fuori dal core tende ad essere significativa (Fig.27). Queste perdite possono essere minimizzate aumentando il rapporto d'aspetto delle buche nei cristalli 2-D o, in ogni caso, delle regioni etchate. III) Accoppiamento tra modi TE e TM: può avvenire se il PBG che deve provvedere al meccanismo di confinamento del campo nella regione difettiva presenta un BG per i modi TE ma non per i TM, alla frequenza di interesse. Questo meccanismo di perdita, tuttavia, è generalmente poco significativo e dipende dalla asimmetria verticale della guida: più forte è la asimmetria maggiore il trasferimento di potenza da modo TE a TM. Quando ciò avviene, il modo non trova più BG e si disperde attraverso il cristallo. 6.2 Guide a cavità accoppiate Un nuovo meccanismo di confinamento e guida della luce, ottenibile soltanto con l'impiego di cristalli fotonici, è stato proposto recentemente e si basa sull'accoppiamento tra cavità risonanti create tramite difetti in cristalli fotonici (CCW: Coupled Cavity Waveguides, oppure, anche, CROW: Coupled Resonator Optical Waveguide). L'importanza di queste guide risiede nel più elevato numero di parametri di progetto a disposi- Fig.27 - a)Una guida fortemente etchata progettata per una riflettività massima con i piani ad alto e basso indice di spessore λ/4n. Questa configurazione è caratterizzata da elevate perdite per diffrazione , a causa dello scarso confinamento della luce e della diffrazione al di fuori del piano della guida. b) Un'altra sorgente di perdita è un'insufficiente profondità di etching. Se la struttura non è sufficientemente etchata i modi guidati non interagiscono con la struttura e irradiano. c) Se l'estensione delle cavità di aria è piccola e la guida è fortemente etchata , si ottengono perdide contenute e, quindi, un bandgap fotonico prgogettando la guida con periodo multiplo intero della semi-lunghezza d'onda (condizione di Bragg). La Comunicazione - numero unico 2004 171 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri zione per modulare a proprio piacimento le caratteristiche guidanti e la velocità di gruppo al variare della lunghezza d'onda. Infatti, variando il tipo di difetti e la loro distanza si dispone di un importante elemento di controllo sulla propagazione della luce da difetto a difetto e, cioè, sezione per sezione, quasi, della guida. I primi risultati sperimentali indicano ottime caratteristiche di propagazione con perdite molto basse anche in presenza di forti curvature. Per questo sono guide in diretta competizione con quelle standard. 6.3 Fibre ottiche su PBG Le fibre ottiche tradizionali possono essere monomodali soltanto in un ristretto intervallo spettrale. Per frequenze più elevate la trasmissione diviene multimodale e per frequenze più basse aumentano le perdite di radiazione. Le fibre ottiche su PBG (Fig.28) permettono di espandere notevolmente l'intervallo spettrale di monomodalità poiché l'indice effettivo del cladding varia con la frequenza non solo a causa della dispersione del materiale ma anche a causa della polarizzazione del campo (essendo un 2D PBG) [25] Le fibre su PBG possono essere del tipo con Fig.27 - Tipi di fibre ottiche. a) Fibra convenzionale con ncladding<ncore, b)fibra a basso indice con cladding unetched, c) fibra etchata, d)fibra a basso indice etchata. Le zone scure corrispondono al materiale ad alto indice di rifrazione. 172 core a basso o alto indice, rispetto al cladding. Le fibre del tipo ad alto indice si comportano praticamente come le fibre standard; quelle a basso indice sono le più interessanti per le proprietà di monomodalità. Il meccanismo guidante è fornito dalla interferenza costruttiva alla Bragg che solo un cristallo fotonico è in grado di produrre. Infatti, il cladding è costituito da una struttura periodica e solo i modi che soddisfano la condizione di Bragg ( λ=2Λsinϕ/m) possono propagarsi. Dimensionando opportunamente la struttura periodica che agisce da cladding si ottiene un BG in corrispondenza di un solo angolo di propagazione e questo significa che in corrispondenza di quest'angolo si ha retropropagazione nel cladding del fascio incidente che, così, rimane confinato nel core. Le fibre su PBG sono particolarmente indicate come componenti innovativi di un impianto OCT (Tomografia Ottica Coerente). 6.4 Riflettori perfetti Specchi omnidirezionali possono avere diverse applicazioni come le pareti delle cavità LASER. Specchi metallici vengono frequentemente usati alle frequenze ottiche ma hanno lo svantaggio di comportare notevoli perdite per dissipazione (assorbimento del materiale). Questo problema può essere superato attraverso l'impiego di cristalli fotonici. Infatti, un cristallo 3-D adeguato si comporta come un perfetto riflettore omnidirezionale con bassissime perdite (teoricamente nulle). Poiché le strutture 3-D risentono ancora di forti limitazioni tecnologiche (deve essere perfettamente rispettata la periodicità in tutte le direzioni ma le tolleranze associate ai processi non sempre lo permettono) si studiano le proprietà di riflessione omnidirezionale in cristalli 1-D e 2-D. Proprietà di riflessione omnidirezionale alle lunghezze d'onda nel visibile (6328 nm), sono state ottenute usando un reticolo di 19 strati di NaAlF (n=1.34) e ZnSe (n=2.8). 6.5 LED su PBG L'efficienza interna di un LED standard è già piuttosto elevata (99.7%) ma la luce non può essere emessa fuori dal dispositivo in modo molto efficiente perché meccanismi di riflessione totale interna (TIR) intrappolano parte della luce generata, all'interno del dispositivo (esiste un forte conLa Comunicazione - numero unico 2004 trasto d'indice tra il semiconduttore all'interno del quale la luce viene generata ed il mezzo esterno, aria in genere, in cui viene trasmessa). Per questo l'efficienza esterna nei casi migliori non supera il 4%. Se, invece, si usa un cristallo fotonico come materiale attivo, si può proibire l'emissione spontanea di quei modi che subirebbero TIR e far emettere solo quei modi che possono essere trasmessi dal dispositivo. Tutta l'energia luminosa emessa viene così convogliata nei modi trasmessi con un notevole aumento della efficienza quantica esterna. 6.6 LASER su PBG Con l'impiego dei cristalli fotonici si possono realizzare LASER con una soglia molto bassa. La riduzione della corrente di soglia permette ai LASER di operare in modo molto più efficiente e con forte riduzione della potenza termica da dissipare. Questo permette anche di aumentare la densità d'integrazione perché è possibile posizionare un maggior numero di sorgenti e componenti passivi in uno spazio minore, essendo ridotta la potenza termica generata. I cristalli fotonici permettono anche di sopprimere l'emissione spontanea, in altre parole l'emissione di quei fotoni che dovrebbero propagarsi con costante di propagazione all'interno del BG. Affinché avvenga l'emissione LASER, è necessario introdurre un difetto nel materiale, che determini uno stato permesso nel BG, cioè una frequenza ed una direzione precisa secondo cui l'on- NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) da può propagarsi. Con la creazione di un solo stato permesso all'interno del bandgap si ottiene una maggiore purezza spettrale (Fig.29) ed una riduzione delle perdite in seguito alla soppressione della emissione spontanea non desiderata [26]. L'introduzione dei difetti è paragonabile al drogaggio dei semiconduttori per il trasferimento di elettroni all'interno del gap. Un LASER di questi tipo può essere realizzato con PBG 3-D: in genere sfere di SiO2 in cui gli interspazi sono riempiti da un mezzo attivo in grado di supportare l'emissione LASER. Esaminano adesso alcuni dettagli relativi ai microspecchi utilizzati per realizzare le cavità LASER. Microstrutture periodiche consistenti di strati alternati di aria e semiconduttore possono essere considerati l'evoluzione dei reticoli alla Bragg comunemente impiegati nei LASER DFB (Distributed Feed-Back) e nei LASER DBR (Distribute Bragg Reflector). La differenza è nel contrasto d'indice che è tipicamente 0.01 nei DFB/DBR ma dell'ordine anche di 2.5 (3.5:1) nei PBG. Il forte contrasto d'indice implica una lunghezza molto ridotta per i LASER su PBG (Fig.30), dell'ordine del micron, confrontata con le centinaia di micron dei LASER DFB/DBR, aprendo le porte alla realizzazione di LASER con piccolissimo volume ottico. Le prerogative di compattezza e soglia molto bassa dei LASER su PBG sono state finora proprie solo dei LASER VCSEL (Vertical Cavity Surface Fig.29 - Spettro di emissione per un diodo LASER e un diodo LED. La Comunicazione - numero unico 2004 173 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri Emitting LASER). Per questa caratteristica i LASER con microspecchi alla Bragg su PBG, estremamente corti, sono noti in letteratura come Horizontal VCSELs. Attualmente la massima riflettività misurata in LASER di questo tipo è del 95 % ed il dispositivo più corto fin ora realizzato è lungo 20µm. Ovviamente le linee guida per il progetto di questi specchi su PBG sono differenti da quelle tipiche dei reticoli a debole contrasto d'indice ma sono legate alla necessità di eccitare modi a basse perdite nei PBG (che hanno forte contrasto d'indice), che abbiano, quindi, la massima profondità di etching possibile e la più piccola lunghezza possibile, rispetto al periodo della struttura, delle regioni etchate. Inoltre, il fatto che il LASER oltre agli specchi debba avere una regione attiva comporta un ulteriore vincolo di progetto, cioè la necessità che vi sia un cladding per evitare perdite di assorbimento ai contatti metallici. Si sono progettati con strutture di questo tipo LASER aventi correnti di soglia dell'ordine di 100 µ A, più basse del miglior VCSEL. 6.7 Circuiti Integrati fotonici La maggiore spinta verso l'integrazione ottica monolitica viene dai requisiti di velocità e larghezza di banda dei moderni sistemi di trasmissione dati. Fin ora i limiti maggiori per un aumento della densità di integrazione erano posti da due fattori: le grandi dimensioni dei singoli componenti e le alte perdite nelle guide curve. Con l'impiego dei cristalli fotonici entrambi Fig.30 - Esempi di LASER su PBG. questi limiti possono essere superati. Infatti sia la possibilità di impiegare guide curve con basse perdite sia la riduzione della potenza termica dissipata dalle sorgenti LED e LASER gra- Fig.31 - Curva P-I e microfotografia di un LASER a semiconduttore. 174 La Comunicazione - numero unico 2004 NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) Fig.32 - Esempio di un circuito fotonico integrato. Sono evidenti i diversi componenti integrati su un unico chip. zie alla maggiore efficienza, permettono una maggiore densità di integrazione potendo ubicare i dispositivi più vicini tra loro sullo steso chip. L'isolamento tra i dispositivi è garantito anche perché, grazie ai PC, viene drasticamente ridotto l'accoppiamento fra i vari componenti che, quindi, possono essere fabbricati entro spazi più stretti. Nella Fig.32 si vede quale fisionomia assumano tipici circuiti ottici integrati realizzati interamente su PBG. 6.8 Effetto del superprisma Gli effetti di dispersione nelle strutture periodiche sono noti da oltre un ventennio ma recentemente sono stati ripresi in considerazione per il significativo utilizzo che può esserci nelle applicazioni dei cristalli fotonici nella WDM (Wavelength Division Multiplexing). In particolare l'effetto del superprisma fa uso di una forte asimmetria della struttura a bande vicino al punto Γ, dove il vettor d'onda varia molto più nella direzione Γ-K che nella Γ-M variando la frequenza (Fig.33). Ne consegue una dispersione angolare in uscita al cristallo notevolissima, di circa 50° in corrispondenza di una variazione delle lunghezze d'onda in ingresso al cristallo da 990 nm a 1000 nm. Questo significa che, in un sistema WDM, alla lunghezza d'onda di 1.55 µm, per canali spaziati di 50 GHz (pari a ∆λ = 0.4 nm) vi è una separazione spaziale pari ad un angolo di circa 2°; se le guide d'inda che devono incanalare i segnali demultiplati in uscita sono spaziate tra loro di 5 µm, sarà necessario un cristallo lungo appena 150 µm per Fig.33 - Illustrazione schematica del fenomeno del superprisma. La Comunicazione - numero unico 2004 175 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri Fig.34 - Struttura schematica di un PC fabbricato su un substrato di Si. separare tutti i canali, che è una dimensione incredibilmente più piccola rispetto alle attuali [27]. Risulta evidente, quindi, come l'effetto del superprisma renda i cristalli fotonici di cruciale importanza per operare una svolta epocale nella integrazione ottica monolitica, in termini di aumento significativo della densità d'integrazione (Fig. 34). 6.9 Add/Drop multiplexer La possibilità di disporre di funzione del tipo add/drop è una prerogativa molto desiderabile nei sistemi WDM. Si tratta di poter aggiungere o rimuovere selettivamente un particolare canale, dedicato ad una particolare lunghezza d'onda, permettendo in tal modo un utilizzo completo ed efficiente di tutti i canali. Il primo cristallo fotonico add/drop è stato recentemente proposto (1997) ed è basato sulla risonanza tra due difetti, permettendo l'accoppiamento tra due guide d'onda a canale alla frequenza di risonanza. Mentre la base teorica del funzionamento di questo dispositivo è molto convincente, ci sono notevoli difficoltà circa la verifica sperimentale. Infatti, il problema principale è la forte dipendenza della condizione di risonanza dalla dimensione del difetto, come mostrato in Fig.35. Variando la dimensione del difetto di appena 2D la risposta della cavità risonante subisce uno shift di Fig.35 - Illustrazione della dipendenza della lunghezza d'onda di risonanza dall'estensione del difettoin un cristallo fotonico. 176 La Comunicazione - numero unico 2004 1 nm che equivale a 125 GHz @ 1.55 µm. Poiché la tolleranza associata ai processi di fabbricazione è di circa 10 nm risulta praticamente impossibile fabbricare strutture di questo tipo correttamente funzionanti. Questa osservazione se, da una parte, compromette attualmente lo studio sperimentale di questi dispositivi, d'altra parte suggerisce che può essere in futuro molto facile realizzare cristalli fotonici accordabili per la elevatissima sensibilità della risposta in frequenza alle variazioni di dimensioni. 6.10 Biosensori Vengono realizzati sfruttando le proprietà di elettroluminescenza (EL) e fotoluminescenza (FL) del silicio poroso (Psi), cristallo fotonico 3-D composto da nanocristalli di Si. Inserendo uno strato di Psi fra due riflettori alla Bragg si ottiene un LED racchiuso in una microcavità risonante Fabry-Perot che emette ad una lunghezza d'onda λ di circa 750 nm con una larghezza di linea molto esigua, di circa 10 nm. In genere anche i riflettori sono realizzati con strati alternati di Psi aventi differente percentuale di porosità e, quindi, differente indice di rifrazione (da n = 1.06 a n = 2.69). In presenza di agenti chimico-fisici (DNA, virus, umidità,..) assorbiti dallo strato attivo, il picco di emissione si sposta (Fig.36). 6.11 Cavità risonanti Le tradizionali cavità risonanti alle microonde sono costituite da scatole a pareti conduttrici che confinano al loro interno l'energia elettromagnetica. Le pareti conduttrici hanno la funzione di schermi perfetti, così che l'interno sia perfettamente schermato rispetto all'esterno e non esista radiazione. Poiché le pareti interne della scatola servono per il passaggio di corrente, si Fig.36 - Esempi di biosensori realizzati utilizzando i PC. La Comunicazione - numero unico 2004 NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) ottiene un'ampia area per il flusso di corrente e le perdite risultano ridotte. I risonatori ottici differiscono da quelli tipici per le microonde sostanzialmente per le dimensioni della lunghezza d'onda, molto più piccola alle frequenze ottiche.Tali sistemi possono essere sede di molti modi e per ridurli in numero sono usualmente aperti verso l'esterno con conseguente presenza di perdite per diffrazione, oltre che a quelle dovute a riflessioni non perfette. Sebbene esistano importanti differenze tra i risonatori ottici e alle microonde, alcuni parametri come il fattore di qualità Q conservano la loro pratica utilità anche per quelli ottici. La configurazione e.m. di onde stazionarie, in condizioni di risonanza, può essere pensata come la sovrapposizione di varie onde riflesse dalle pareti del risonatore. Una cavità può essere sede di infiniti modi differenti e per ciascun modo la frequenza di risonanza è determinata dal modo, dalle dimensioni della cavità, e dai parametri del dielettrico che la riempie. Un parametro caratteristico dei risonatori è il fattore di qualità Q, definito come: Q = ϖoU/WL dove ϖo indica la frequenza di risonanza, U l'energia e.m. accumulata nella cavità e WL la potenza dissipata. Perdite nel dielettrico e radiazioni da piccole fessure, se presenti, possono contribuire in modo notevole all'abbassamento di Q. Tale definizione di Q permette di valutare anche l'ampiezza di banda delle cavità. Se ∆ϖ è la distanza tra due punti della curva di risposta in frequenza tali che l'ampiezza della risposta è 1/ V2 del suo valore massimo, si ha che ∆ϖ /0 =-1/Q . Si dimostra che il valore di Q, ad una certa frequenza, aumenta al crescere dell'ordine dei modi. Al crescere dell'ordine del modo la lunghezza d'onda decresce, ossia la frequenza di risonanza aumenta e quindi, ad una certa frequenza, per ottenere la risonanza, la scatola deve avere dimensioni più elevate al crescere dell'ordine del modo. Per accoppiare l'energia e.m. interna al risona- 177 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri tore con quella esterna si introduce un foro tra la cavità e la guida d'onda di pilotaggio, collocando il foro in maniera tale che qualche componente di campo del modo di cavità abbia la stessa direzione di quello relativo al modo di guida. Una cavità risonante può essere ottenuta introducendo un difetto in un cristallo fotonico. Le proprietà di un PC possono essere modificate dall'introduzione di difetti in corrispondenza di determinate celle elementari e cioè mediante l'aggiunta o la rimozione di materiale dielettrico. Dalle proprietà dei cristalli fotonici è noto che l'energia non può propagarsi secondo specifiche direzioni all'interno del BG, nel quale però è possibile creare una stretta regione di frequenze permesse (passband) in seguito all'inserimento di un difetto nella struttura periodica. Questo fenomeno di localizzazione degli stati viene utilizzato nel progetto di microcavità su PC caratterizzate da un alto valore di Q. Tale fattore, caratteristico del difetto, dipende principalmente dalle dimensioni del cristallo e definisce la larghezza della regione permessa. I difetti da introdurre nel reticolo periodico possono avere differenti forme, dimensioni o diversi valori di indice di rifrazione. La variazione di uno di questi parametri nel difetto, rispetto alla struttura circostante, può modificare il numero dei modi o la frequenza del modo o dei modi localizzati all'interno della cavità. È dimostrato, inoltre, che la larghezza spettrale del defect mode diminuisce rapidamente all'aumentare del numero di ripetizioni di reticolo periodico, migliorando così la selettività della frequenza di risonanza all'interno del BG. Le possibili applicazioni per le cavità risonanti ottiche su PBG sono soprattutto nella realizzazione di laser single-mode, e in strutture come i sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing) in cui si sfrutta la possibilità di ottenere bande passanti molto strette all'interno del BG in corrispondenza delle frequenze di risonanza. Le cavità laser sono realizzate utilizzando dei microspecchi, ossia microstrutture periodiche che possono essere considerate l'evoluzione dei reticoli alla Bragg comunemente usati nei laser DFB (Distributed Feed-Back) e nei laser DBR (Distributed Bragg Riflector ). Le cavità possono essere realizzate su strutture a PC sia monodimensionali che bidimensionali. Un esempio di cavità ottica monodimensionale non assorbente su PBG è costituito da uno spacer 178 in AlxOy posto fra due DBR in AlxOy/AlGaAs. Lo strato di ossido minimizza le possibili perdite per assorbimento nella cavità. Le misure effettuate su un risonatore verticale in cui è stato inserito uno spacer di ossido dello spessore di mezza lunghezza d'onda, hanno dimostrato che la maggior parte dell'energia del modo di risonanza resta confinato nello spacer , con conseguente diminuzione delle perdite in tutta la cavità (Fig.37). Un'ulteriore applicazione delle cavità riso- Fig.37 - Tipica struttura di un campione con strato di ossido. nanti su PBG si ha nei sistemi Multichannel WDM. Un esempio di tali sistemi è costituito da una struttura che include 6 cavità, ognuna caratterizzata da una diversa dimensione del difetto e dalla sua guida a canale ottenuta sempre sul PBG (Fig.38). Ognuna delle sei cavità ha un singolo modo localizzato all'interno del BG, il che consente un'operazione di filtraggio o di demultiplexing di lunghezza d'onda a partire da un'onda incidente caratterizzata da una banda larga. Il risultato è una sequenza di onde a stretta banda che vengono guidate dalle opportune strutture a canale realizzate rimovendo file di colonne di dielettrico. Il modo localizzato nella cavità si accoppia con il canale attraverso il campo evanescente e l'accoppiamento si realizza abbassando la costante dielettrica delle due colonne all'interfaccia cavità-canale e cavità-guida principale nella quale viene guidata l'onda a larga banda. La frequenza centrale in ogni canale è direttamente proporzionale al raggio del difetto, cioè aumentando il raggio si sposta tale frequenza verso valori più alti all'interno della banda dell'onda incidente. Infine la differenza tra le linewidths spettrali, dovuta ai diversi valori di Q nelle diverse cavità, può essere ottimizzata rendendo uguali i valori di Q. Le prestazioni eccellenti dei PBG sono state La Comunicazione - numero unico 2004 NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) Fig.38 - Struttura di un sistema Multichannel WDM, utilizzante 6 diversi canali. utilizzate per sviluppare risonatori caratterizzati da alti valori di Q per frequenze alle microonde, mediante l'introduzione di difetti in strutture 3-D ed in particolar modo 2-D. Nelle cavità risonanti alle microonde, è possibile utilizzare strutture costituite da materiali dielettrici e da metallo, conservando le proprietà essenziali relative alle strutture PBG. Le strutture metalliche sono più facili e meno costose da fabbricare oltre a presentare proprietà uniche che possono risultare vantaggiose nel progetto degli acceleratori. Le strutture più interessanti, tra quelle realizzabili con tecnologie gia collaudate alle microonde su PBG 2-D e 3-D, sono la struttura bidimensionale esagonale ed esagonale inversa e la struttura 3-D woodpile, che permettono di ottenere larghi BG. I materiali in uso per le applicazioni alle microonde sono materiali a basse perdite basate sul carbonio (Duroid,Teflon), ossido di alluminio o silicio altamente resistivo - quest'ultimo viene riferito particolarmente al range di frequenze intorno a 100 GHz. Un esempio di risonatore con alto Q, è stato realizzato rimovendo un singolo elemento nel reticolo periodico. Sono stati analizzati sia reticoli dielettrici che metallo-dielettrici, ottenendo come risultati valori di Q pari a 700 e superiore a 983 rispettivamente. Nei PC dielettrici, la risonanza nel difetto è causata dalla riflessione dal reticolo PBG. Essendo proibita la propagazione di energia all'interno del BG attraverso il reticolo, tutta l'energia incidente viene riflessa. Quando la fase della riflessione, cauLa Comunicazione - numero unico 2004 sata dal BG ai contorni del difetto aggancia la fase del modo che può propagarsi nel difetto, allora si verifica la risonanza. Nel range di frequenze del BG, invece, le riflessioni multiple sulle pareti delle colonne interferiscono distruttivamente impedendo la propagazione del campo attraverso il reticolo del PC. Studi riguardo una cavità risonante su PBG operante ad una frequenza di 17 GHz (Fig.39), proposta per l'utilizzo in un acceleratore sono stati condotti dal Massachusetts Institute of Technology. Il vantaggio nell'utilizzo di una cavità accelerante su PBG risiede nella efficiente soppressione dei modi dei campi di scia a più alte frequenze e di più alto ordine, senza interferire con il modo operante. La cavità risulta eccitata attraverso le aperture di una guida rettangolare. Nel testing dei campioni realizzati, particolare interesse è stato rivolto al problema dell'accoppiamento con la cavità in quanto esso rappresenta una questione critica per le applicazioni negli acceleratori. Nelle tradizionali Fig.39 - Cavità risonante su PBG operante a 17GHz, realizzata per le prove a freddo. 179 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri cavità pillbox tale problema poteva essere migliorato solo modificando le dimensioni del foro di accoppiamento; nelle strutture PBG, invece è possibile intervenire sul reticolo del cristallo rimovendo parzialmente le colonne metalliche, proprietà unica dei PBG. La struttura base per questa cavità è costituita da un reticolo triangolare di colonne metalliche nel quale è stato creato un difetto (è stata rimossa una colonna al centro del reticolo) che costituisce appunto la cavità risonante (Fig.40). Nel caso in esame sono utilizzati solo tre anelli di colonne, sufficienti per localizzare il modo. L'insieme delle colonne metalliche è contenuto in un cilindro metallico chiuso ad entrambe le estremità. La guida posta sulla destra della cavità è usata per accoppiare la potenza RF nella cavità, mentre quella simile posta sul lato sinistro è usata per rendere simmetrico il sistema. Due colonne sono state rimosse da ogni lato della cavità contiguo alle aperture delle guide. La differenza con le cavità tradizionali è l'assenza, nelle cavità su PBG, di fori di accoppiamento in corrispondenza dell'apertura delle guide. Nelle cavità tradizionali l'accoppiamento con le guide causa un down-shift di frequenza del 2%: tale effetto è assente nelle cavità su PBG a causa del fenomeno dell'accoppiamento distribuito nella cavità. Infatti i campi sono confinati dai primi anelli di colonne più vicini al difetto e tali colonne non sono disturbate allo scopo di ottenere l'accoppiamento; quindi, quest'ultimo non causa variazioni nella distribuzione di campo che conserva il suo andamento originale. Riassumiamo i passi fondamentali nel progetto di una cavità risonante: - progetto di un reticolo del PC corrispondente ad un BG attorno alla frequenza operante che si desidera ottenere; - creazione di un difetto nel reticolo in modo tale da ottenere un defect mode che possa essere utilizzato come modo operante della struttura; - tale modo, essendo interno al BG, risulta confinato nella direzione trasversale; - i modi di alto ordine che rientrano nella passband del cristallo non vengono confinati, potendo così essere dissipati su rivestimenti assorbenti predisposti sui contorni della struttura; - al fine di permettere la propagazione del fascio accelerato fuori dal dispositivo, deve essere praticato un foro nei piatti nella regione centrale. 6.11.a Applicazioni: 180 Fig.40 - Cross-section della geometria della cavità PBG. La cavità è formata da un reticolo di colonne metalliche con un difetto nel centro ed è circondata da una parete metallica.Sono tracciati i contorni del campo elettrico costante. Acceleratori di particelle Come si è accennato in precedenza, le cavità risonanti su PBG sono utilizzate come cavità acceleranti negli acceleratori di particelle, nei quali con l'impiego dei PBG è possibile migliorare drasticamente costi e prestazioni. I tradizionali acceleratori di particelle possono essere considerati come guide d'onda metalliche che trasportano il modo TM01, che produce il più elevato gradiente di accelerazione per una fissata potenza operativa, e presentano i limiti dovuti alla eccitazione di modi di ordine superiore (HOM), presenti particolarmente alle alte frequenze, ed i limiti legati all'impiego di pareti metalliche per confinare l'onda elettromagnetica, pareti che provocano perdite per assorbimento sempre più significative all'aumentare della frequenza operativa [28]. Con l'impiego dei PBG è possibile migliorare drasticamente costi e prestazioni degli acceleratori di particelle (Fig.41). Infatti: 1) i PBG possono sostituire le pareti metalliche per realizzare superfici perfettamente riflettenti, teoricamente prive di perdite per assorbimento; 2) i PBG permettono la soppressione dei modi di ordine superiore nella cavità risonante dell'acceleratore; 3) poiché il campo nella cavità a PBG è fortemente localizzato in una regione molto piccola, divengono accettabili più ampie tolleranze sulla qualità dei materiali, che deve essere molto elevata in corrispondenza della parte centrale della caviLa Comunicazione - numero unico 2004 NOTE CRISTALLI FOTONICI: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ED APPLICAZIONI (PHOTONIC CRYSTALS: OPERATION PRINCIPLES AND APPLICATIONS) In ogni caso, le specifiche di progetto sono strettamente dettate dall'applicazione a cui sono destinate tali cavità acceleranti. Fig.41 - Vista schematica di un acceleratore di particelle realizzato con PBG. La struttura è costituita da tre reticoli con cella triangolare separati da piani di materiale superconduttore. Ogni reticolo ha un difetto ottenuto rimuovendo un cilindro. Il foro realizzato al centro dei piani conduttori consente l'emissione del fascio di particelle accelerato attraverso la struttura. tà (dove, appunto, si concentra il campo) ma che può essere non altrettanto elevata verso la regione più esterna. Questo è un grado di libertà molto importante soprattutto quando si impiegano materiali superconduttori che molto difficilmente presentano una qualità elevata in modo omogeneo su grandi superfici. 4) Si possono realizzare strutture rettilinee ed ottenere alti gradienti e forti accelerazioni. 5) E' possibile ottimizzare l'accoppiamento tra la cavità risonante e la guida d'onda in ingresso, riducendo lo shift della frequenza di risonanza, problema di rilevante importanza nelle cavità standard di tipo pill-box. La presenza di una regione difettiva (in cui la periodicità non è più regolare, per esempio rimuovendo una o più colonne), implica una forte localizzazione di campo elettromagnetico ad una precisa frequenza, dipendente dalle caratteristiche del difetto. Il Q del difetto è direttamente correlato alla larghezza della banda passante. Risulta possibile, quindi, realizzare risonatori per acceleratori ad alto Q su PBG, in cui siano soppressi i modi di ordine superiore, tipicamente presenti negli acceleratori standard di tipo pill-box. I parametri di progetto fondamentali sono: altezza, diametro e numero dei cilindri diffusori; distanza tra i centri dei cilindri diffusori; geometria e spessore dei piatti; dimensioni del foro centrale. La Comunicazione - numero unico 2004 7. Conclusioni Si può ritenere che la chiave del successo dei cristalli fotonici sia la possibilità di eccitare in strutture periodiche, con forte contrasto d'indice, modi con bassissime perdite, cioè di ottenere ottime proprietà di confinamento della luce, e di riflettere in modo pressoché ideale tutte le onde che si propaghino con lunghezze d'onda nel BG. I PBG risultano di importanza cruciale per la realizzazione di dispositivi ottici ad alte prestazioni (guide, filtri, fibre ottiche, cavità risonanti, LASER a bassa soglia) e di microcircuiti, utilizzando tecnologie già mature e collaudate nell'elettronica per alte frequenze. Le tecnologie collaudate sono GaAs/AlGaAs e SiO2/Si3N4. Il parametro di progetto per strutture 2-D è il rapporto d'aspetto delle buche: più sono piccole e profonde minori sono le perdite che ci si aspetta. Per l'etching si fa uso generalmente del RIE che è un processo già ottimizzato; per ottenere miglioramenti tecnologici ulteriori occorre far riferimento ad altre tecniche quali ECR/ICP, in plasma, o Ion Bema Etching per le sue caratteristiche di elevata direzionalità (per via del meccanismo di rimozione prevalentemente fisico) e bassa pressione operativa. Per accrescere strati epitassiali, la tecnica che permette di ottenere migliore qualità delle interfacce è la MBE. La struttura attualmente più promettente e maggiormente studiata è la 2-D WPBG costituita da cilindri a basso indice, disposti a cella esagonale, perché presenta, se adeguatamente progettata, BG completo (PBG ideale). Le indicazioni generali di progetto per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi, sono: a) L'impiego di materiali con forte contrasto d'indice di rifrazione per ampliare il più possibile il BG; b) geometrie simmetriche per evitare accoppiamento tra modi TE/TM e, quindi, ridurre le perdite, in quei cristalli che non presentano BG completo; c) regioni etchate strette, per migliorare le caratteristiche guidanti, e profonde, per garantire che tutto il modo che si propaga "veda" la stessa periodicità: le parti del modo che non vedono la stessa struttura vengono inevitabilmente irradiate. 181 NOTE Agostino Giorgio, Decio Pasqua, Anna Gina Perri BIBLIOGRAFIA [1] E.Yablonovitch: "Inibited spontaneus emission in solid state physics and electronics", Phys. Rev. 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La Comunicazione - numero unico 2004