Laser a semiconduttore multi-lunghezza d’onda

Titolo del progetto di ricerca

CombLASER - Development of simulation tools for the analysis and design of single section comb semiconductor lasers based on nanostructured materials

Area scientifica

Fotonica, Componenti attivi per la comunicazione ottica, Laser a semiconduttore

Coordinatore

Mariangela Gioannini

Abstract 

Il progetto ha studiato i principi fisici e i metodi per laser a semiconduttore multi-lunghezza d’onda (comb laser) realizzati con una sola sezione e con materiali nano-strutturati. Sono stati considerati laser con emissione alle lunghezze d’onda delle comunicazioni ottiche sia laser per il medio infra-rosso e la regione del TeraHertz (THz).

Descrizione del progetto di ricerca

"CombLASER" si inquadra nell’ambito della ricerca sui dispositivi optoelettronici condotta presso il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni (DET). Si ispira dai numerosi risultati sperimentali ottenuti in laboratori di ricerca internazionali dove è stato mostrato che particolari laser a semiconduttore, dalla struttura molto semplice (una sola sezione attiva) e con materiali a punti quantici o a cascata quantica, sono in grado di generare spettri ottici multi-lunghezza d’onda con righe di emissione di uguale intensità perfettamente equi-spaziate tra loro. Tali laser sono definiti “comb laser”. Nonostante i numerosi risultati sperimentali siano confermati da vari laboratori di ricerca indipendenti, non sono ad oggi chiare le origini fisiche dell’emissione multi-lunghezza d’onda con righe spettrali tra loro in sincronismo di fase. In questo progetto sono stati sviluppati dei modelli fisici complessi (inclusivi delle peculiarità dei materiali nano-strutturati) e, sulla base di questi modelli, dei programmi di simulazione per lo studio e la progettazione dei laser comb a singola sezione. Tramite il confronto tra i risultati delle simulazioni e i dati sperimentali sono state chiarite le origini fisiche del sincronismo. Siccome le righe di emissione del laser comb possono considerarsi anche equivalenti ad una rete di oscillatori accoppiati, il progetto ha coinvolto anche il gruppo del Dipartimento DET attivo nello studio dei circuiti e sistemi non lineari.  Questo gruppo ha indagato le similitudini tra i laser comb e altre reti di oscillatori per comprendere meglio i meccanismi di sincronismo nei laser multi-lunghezza d’onda.

Impatto sulla società 

La comprensione del funzionamento fisico dei laser comb a singola sezione porterà a migliorare la loro progettazione favorendone l’utilizzo da parte dell’industria come sorgenti di elezione per le interconnessioni ottiche ad elevata velocità (multi Tbit/s) all’interno dei data-center. I laser comb permettono infatti di generare, con un solo dispositivo, più lunghezze d’onda e quindi di eliminare le barrette di diodi laser diversi, che sono più difficili da integrare e controllare elettricamente e termicamente.

Risultati della ricerca

Grazie al modello teorico e al simulatore di comb laser sviluppati dal progetto sono state messe in evidenza caratteristiche fisiche di questo tipo di laser che permettono di aumentare significativamente il rapporto segnale-rumore sui canali di trasmissione e migliorare la qualità della trasmissione. Il progetto hainoltre permesso di creare un nuovo gruppo di ricerca che formerà giovani ricercatori nel campo della simulazione e progettazione di dispositivi fotonici.

In particolare:

  • Presentazioni su invito a conferenze internazionali
  • Nuove collaborazioni con prestigiosi enti di ricerca come ETH Zurigo, Université de Paris Diderot, Technical University Darmstadt
  • Nuove collaborazioni con centri di ricerca industriali come CISCO Systems
  • Realizzazione del primo Silicon Photonics chip al Politecnico di Torino (finanziato dal consorzio Europractice)

Gruppo di lavoro 

Presso il Politecnico:

Mariangela Gioannini (coordinatrice del progetto), Paolo Bardella, Michele Bonnin, Federica Cappelluti, Lorenzo Luigi Columbo, Javad Rahimi, Arastoo Khalili (studente dottorato) 

Partner Internazionali:

Semiconductor Optics Group Technical University of Darmstadt, Germania

Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques of Univeristy Paris-Diderot, Francia

III-V Lab, Francia

  • Budget: 148.000
  • Data inizio: 15/12/2015
  • Data fine: 14/12/2017