Design of microlaser in medium infrared wavelength range for biomedicine and environmental monitoring

Optical micro-resonators represent one of the most important devices in photonics. A special kind is constituted by the WGM resonators, i.e. devices with circular symmetry such as spheres, rings, disks and toroids. They are characterized by very small dimensions, exceptionally quality factor and very low modal volume becoming a valuable alternative to the traditional optical micro-resonators, such as Fabry-Pérot cavities. These devices allow applications in several fields, such as sensing, optical filtering and nonlinear optics. In particular, different applications in biology and medicine, molecular spectroscopy, environmental monitoring, astronomy and astrophysics are feasible in Mid-Infrared wavelength range. For example, it includes a lot of strong vibrational transitions that act as “fingerprints” of many bio-molecules and organic species allowing the develop of innovative spectroscopic applications and novel sensors. In addition, the earth's atmosphere is transparent in two atmospheric transmission windows at 3–5 μm and 8–13 μm and then applications such as remote explosive detection, e.g. in airports and for border control, and covert communication systems are feasible. The wide transparency window of chalcogenide glasses in Mid-Infrared makes possible the development of several devices. Chalcogenide glasses are characterized by good mechanical strength and chemically durability in water and atmosphere. Furthermore, the high refractive index, high quantum efficiency, the low phonon energy and high rare-earth solubility enables the emissions at long wavelengths. In this thesis, the design of innovative chalcogenide devices for applications in Mid-Infrared is investigated using an ad-hoc home-made computer code. The devices are based on three kinds of micro-resonators: microspheres, micro-disks and microbubbles. The WGM resonators are efficiently excited by using tapered fiber and ridge waveguides. A novel design procedure is developed using the particle swarm optimization approach (PSO). It allows to maximize the gain of an amplifier based on an erbium-doped microsphere lasing at 2.7 μm. An innovative technique in order to characterize the spectroscopic properties of rare-earth is developed integrating the WGM electromagnetic investigation with PSO algorithm. The method is based on two subsequent steps: in the first one, the geometrical parameters are recovered, in the second one, the spectroscopic parameters. The recovered values are affected by an error less than that provided by high-cost measurement instruments. Furthermore, the procedure is very versatile and could be applied to develop innovative sensing systems. Interesting applications could be obtained exciting the micro-resonator by a tapered fiber with two identical LPGs on the sides. Indeed the LPGs can select the fiber modes coupling with the WGM resonator. Using different pairs of identical LPGs operating in different wavelength bands, it is possible to selective couple different micro-resonators by using the same optical fiber. An ad-hoc computer code is developed and validated and it demonstrated the feasibility of a microbubble glucose sensor. In order to obtain a compact and cost-saving light source in Mid-Infrared, rare-earth doped micro-disk are investigated. A computer code is developed in order to simulate a rare-earth doped micro-disk coupled to two ridge waveguide, one at signal wavelength and the other one at pump wavelength. The model is validated using an erbium-doped micro-disk emitting at 4.5 μm. A very promising device for application in Mid-Infrared is obtained using a praseodymium-doped micro-disk emitting at 4.7 μm.

I micro-risonatori ottici svolgono un ruolo importantissimo nella fotonica moderna. In particolare negli ultimi anni l’attenzione si è concentrata sui micro-risonatori a simmetria circolare, come ad esempio micro-sfere, micro-anelli, micro-dischi e micro-toroidi. Essi sono caratterizzati da dimensioni particolarmente ridotte, fattori di qualità eccezionalmente alti e volumi modali bassissimi diventando così una valida alternativa ai tradizionali micro-risonatori ottici come le cavità Fabry-Pérot. Questi dispositivi trovano applicazione in numerosi ambiti, come la sensoristica, il filtraggio ottico e l’ottica non lineare. Numerose ed interessanti sono le applicazioni di tali strutture nel medio infrarosso in ambiti come la biologia e la medicina, la spettroscopia molecolare, il monitoraggio ambientale, l’astronomia e l’astrofisica. Ad esempio, nel medio infrarosso si trovano numerose transizioni vibrazionali che agiscono come ‘impronte digitali’ di bio-molecole e specie organiche consentendo così lo sviluppo di innovative applicazioni spettroscopiche e di nuovi sensori. Inoltre, l’atmosfera terrestre presenta due finestre di trasparenza a 3 – 5 μm e 8 – 13 μm rendendo così possibili applicazioni come il rilevamento remoto di esplosivi, ad esempio in aeroporti e ai controlli di confine, e sistemi di telecomunicazioni protetti. Per sfruttare tali potenzialità, è necessario utilizzare vetri che siano trasparenti nel medio infrarosso, come ad esempio i vetri calcolgenuri. I vetri calcolgenuri sono caratterizzati da una buona resistenza meccanica e chimica in acqua e atmosfera. Inoltre presentano alto indice di rifrazione, alta efficienza quantica, bassa phonon energy e alta solubilità alle terre rare consentendo l’emissione di luce alle alte lunghezze d’onda. Obiettivo di questa tesi è stato la progettazione di innovativi dispositivi in vetro calcogenuro per applicazioni nel medio infrarosso utilizzando codice home-made scritto appositamente. L’attenzione si è concentrata su tre tipologie di dispositivi: micro-sfere, micro-dischi e micro-bolle. Per eccitare il campo elettromagnetico all’interno di queste strutture si possono utilizzare differenti metodi, ma i più efficienti fanno uso del campo evanescente di fibre ottiche rastremate (taper) o di guide d’onda opportunamente progettate. Un primo ambito di ricerca ha riguardato lo sviluppo di una nuova procedura di progettazione di amplificatori a micro-risonatore utilizzando l’algoritmo particle swarm optimization (PSO). Tale approccio ha consentito di massimizzare il guadagno di un amplificatore realizzato da una micro-sfera drogata con Erbio che emette luce a 2.7 μm. Una diversa attività di ricerca ha consentito di definire un innovativo approccio alla caratterizzazione spettroscopica delle terre rare integrando lo studio elettromagnetico dei WGM eccitati in una micro-sfera con l’algoritmo PSO. Il metodo è basato su due passaggi successivi: nel primo vengono recuperati i parametri geometrici della struttura, nel secondo i parametri spettroscopici. Il tool complessivo consente di ricavare i parametri spettroscopici con un errore minore di quello generalmente ottenuto utilizzando strumentazione di misura estremamente costosa. Inoltre la procedura sviluppata è estremamente versatile e potrebbe essere applicata per progettare innovativi sistemi per la sensoristica. Un’ulteriore attività ha riguardato le interessanti applicazioni che possono essere ottenute eccitando un micro-risonatore per mezzo di una fibra ottica rastremata avente due identici LPG (Long Period Grating) ai lati. Infatti gli LPG possono essere utilizzati per selezionare quale modo di core della fibra deve essere accoppiato con il risonatore WGM. Facendo uso di diverse coppie di LPG che lavorano a differenti lunghezze d’onda, è possibile accoppiare selettivamente differenti micro-risonatori utilizzando una stessa fibra ottica ed ottenendo così un sistema di sensing distribuito. Un codice ad-hoc è stato sviluppato e validato. Inoltre, sono stati condotti studi preliminari su sensori a micro-bolla che hanno dimostrato la fattibilità di un sensore sensibile alla concentrazione di glucosio. Ultimo ambito di ricerca ha riguardato i sistemi laser basati su micro-dischi drogati con terre-rare. L’industria fotonica tende a privilegiare strutture planari perché più compatte, più facilmente integrabili e più economiche da realizzare. Anche in questo caso è stato sviluppato un codice numerico con lo scopo di simulare un micro-disco drogato con terre-rare e accoppiato a due guide d’onda di tipo ridge, una per il segnale utile ed una per il segnale di pompa. Il modello è stato validato utilizzando un micro-disco drogato con Erbio e che emette luce a 4.5 μm. Successivamente il modello è stato utilizzato per progettare un innovativo e promettente micro-disco drogato con Praseodimio e che emette a 4.7 μm.