Optomecánica y optoelectrónica en microrresonadores basados en espejos de Bragg.
En este trabajo estudiamos un sistema propuesto algunos años atrás como un posible candidato para la demostración de efectos optomecánicos en el rango de las decenas y cientos de GHz, con la ventaja de ser fácilmente integrable en circuitos optoelectró- nicos. El mismo consiste en una cavidad for...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2019
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/809/1/1Anguiano.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | En este trabajo estudiamos un sistema propuesto algunos años atrás como un posible
candidato para la demostración de efectos optomecánicos en el rango de las decenas
y cientos de GHz, con la ventaja de ser fácilmente integrable en circuitos optoelectró-
nicos. El mismo consiste en una cavidad formada por un espaciador de GaAs ubicado
entre dos espejos de Bragg (DBRs), crecidos epitaxialmente. Dos muestras basadas en
la misma estructura fueron estudiadas: por un lado, una muestra tal como fue crecida,
es decir, plana; por otro, una muestra idéntica a la anterior, pero a la cual se le grabaron
pilares de distinto tamaño lateral mediante litografía por haces iónicos reactivos
(ICP-RIE). Este sistema con un espaciador de GaAs es el más simple de su tipo, por
lo que sirve como base para una amplia variedad de posibilidades, ya que durante el
mismo proceso de crecimiento epitaxial es posible agregar pozos y/o puntos cuánticos
donde se lo desee, permitiendo hacer ingeniería de las interacciones y del acoplamiento
con distintos grados de libertad. Entenderlo es, entonces, de gran importancia. Para
ello se realizó una serie de experimentos, en los cuales se buscó entender el sistema y los
mecanismos que gobiernan las interacciones entre fotones, electrones y fonones. Asimismo,
se buscó demostrar la existencia de efectos optomecánicos debidos al acoplamiento
entre los modos acústicos y ópticos de cavidad.
En primer lugar se estudió el efecto del confinamiento lateral sobre los modos ópticos
de las estructuras. Para ello se llevaron a cabo experimentos de microscopía de
fotoluminiscencia con resolución espacial (campo cercano) y angular (campo lejano),
mediante un sistema de microscopía desarrollado durante el presente trabajo. Para caracterizar
los modos acústicos en este tipo de estructuras se llevaron a cabo mediciones
de dispersión Raman resonante. Utilizando un arreglo que permite obtener espectros
de ultra-alta resolución se obtuvieron los primeros espectros de los modos acústicos
propios de estas estructuras. En este tipo de experimentos se observa la presencia tanto
de los modos acústicos de cavidad como de modos acústicos extendidos (de centro
de zona de Brillouin). Si bien la amplitud de las tensiones debida a estos últimos es
despreciable comparada con la correspondiente a los modos de cavidad, debido a la
simetría de su distribución espacial y a la existencia de un acoplamiento no nulo en
los espejos, la intensidad de la dispersión observada es aproximadamente del mismo
orden. A pesar de utilizar un equipo de ultra-alta resolución, los anchos espectrales de
los modos de cavidad no pudieron ser resueltos, debido a su gran factor de calidad Qm
(larga vida media).
La existencia de significativa luz espuria impidió realizar mediciones de este tipo
en pilares de diámetro menor a 60 μm. Por otro lado, si bien la dispersión Raman
aporta información valiosa respecto de efectos optomecánicos estacionarios, la dinámica
temporal de los procesos involucrados no es accesible. Incluso la vida media de los
modos acústicos de cavidad, reflejada en el ancho espectral de los modos acústicos, es
demasiado larga hasta para la máxima resolución posible experimentalmente, por lo
que tampoco puede estimarse a partir de este tipo de mediciones.
Para sortear estos problemas se investigaron, mediante la técnica de reflectometría
diferencial ultra-rápida (bombeo-sondeo), los modos acústicos de cavidad, su dinámica
temporal y el acoplamiento optomecánico. Utilizando el arreglo de microscopía multiprop
ósito desarrollado, se estudió la dependencia con el tamaño lateral (L) de la
amplitud de las vibraciones generadas y detectadas (relacionada con el factor de acoplamiento
optomecánico g0), la frecuencia de las mismas (ω_0) y su vida media (Ƭ ). Los
resultados muestran un aumento en la amplitud de las vibraciones mecánicas (α1=L)
y una disminución de su vida media (α L=ω_0), al disminuir el tamaño de los pilares.
Esta caída de la vida media debida a la micro-estructuración conlleva una diferencia
importante en el factor de calidad mecánico ջm de los resonadores de menor tamaño.
Para el modo de ~19 GHz, por ejemplo, esto se traduce en pasar de un valor nominal
de ~37000 (si se consideran sólo las pérdidas debidas al escape de fonones al substrato)
a valores reales por debajo de ~1100 para pilares de tamaño lateral menor a 7 μm.
Por otro lado, debido al confinamiento lateral generado por la micro-estructuración, se
observó un aumento en la frecuencia de los modos mecánicos. Este cambio es diferente
para los distintos modos, siendo en aproximación inversamente proporcional al área de
confinamiento y a la frecuencia de los mismos (α1=ω_0L"2). Estos resultados se explican
mediante una serie de modelos que tienen en cuenta el efecto del confinamiento lateral,
así como la influencia creciente de la imperfecciones superficiales, a medida que se
reduce el tamaño lateral.
Además de la respuesta mecánica, se analizó, en función del tamaño lateral, la
evolución del sistema electrónico luego de una excitación láser ultra-rápida, y su relación
con la dinámica del modo óptico y la eficiencia de generación y detección de fonones
coherentes. Al ser los electrones los mediadores entre los campos electromagnéticos y
las vibraciones, la comprensión de su dinámica temporal es importante para interpretar
la generación y detección de fonones coherentes en los experimentos de reflectometría
ultra-rápida. Para profundizar la comprensión de esta dinámica, y su influencia sobre
la respuesta óptica de las muestras, se diseño y se puso en práctica una nueva técnica
compuesta, la cual aprovecha las ventaja del equipo de reflectometría ultra-rápida y
del de espectroscopía. Gracias a la misma, es posible estudiar la respuesta espectral
del modo óptico durante los instantes que dura la excitación óptica, así como durante
la recuperación posterior. Durante la excitación, se presenta una dinámica compleja,
donde se observa emisión de luz desplazada en energía debido al cambio rápido en las
propiedades ópticas generado por el pulso de excitación (conversión de frecuencias). Por
otro lado, los resultados experimentales muestran una caída en el tiempo característico
de recuperación del modo óptico para pilares por debajo de ~10 μm de lado. Mediante
la comparación con un modelo teórico, se demuestra que la recuperación luego de la
excitación esta dominada por la difusión lateral de los portadores foto-excitados y su
eventual recombinación en la superficie. Mediante una ligera modificación del esquema
experimental, es posible ralentizar o incluso bloquear la recuperación del modo óptico,
por medio de la excitación de portadores con un láser de emisión continua, evidenciando
fenómenos de biestabilidad óptica.
Finalmente, se estudió un fenómeno que surge al excitar una cavidad óptica mediante
un láser de energía mayor a la del gap electrónico del GaAs, con una potencia
elevada y en un área reducida. El mismo se manifiesta por la aparición de picos de
emisión de fotoluminiscencia a energías por debajo del modo óptico fundamental. Mediante
la caracterización espacial y angular de esta emisión, y por medio de un modelo
teórico, se demuestra que esto se debe a la formación de una zona localizada de mayor
índice de refracción, que funciona como un pozo de potencial óptico 3D. Lo que esto
significa es que se forman nuevos estados ópticos permitidos, análogos a los observados
en los pilares, y confinados dentro del área excitada. Para determinar el origen de este
fenómeno, se llevaron a cabo mediciones modulando el haz de excitación mediante
un modulador de frecuencia y ciclo de trabajo sintonizables. Los resultados obtenidos
confirman que el origen del cambio en el índice de refracción es térmico.
Durante la realización de esta tesis, se logró una profunda comprensión del sistema
de interés, allanando el camino para el diseño y estudio de muestras de mayor complejidad,
así como para la demostración de efectos de retroacción dinámica en estos
dispositivos. Asimismo, se desarrollaron nuevos métodos experimentales y de procesamiento
de datos que asientan las bases para la realización de nuevos e interesantes
experimentos en el ámbito de la optoelectrónica y optomecánica en cavidades basadas
en espejos de Bragg. |
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