Orientador: Newton Cesário Frateschi

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Este trabalho apresenta o uso de cavidades ressonantes baseadas em geometrias de bilhares caóticos construídas em meios semicondutores opticamente ativos, visando seu aproveitamento ao sensoriamento. Apesar do comportamento clássico caótico do estádio, a descrição quântica, no limite...

Resumo: Este trabalho apresenta o uso de cavidades ressonantes baseadas em geometrias de bilhares caóticos construídas em meios semicondutores opticamente ativos, visando seu aproveitamento ao sensoriamento. Apesar do comportamento clássico caótico do estádio, a descrição quântica, no limite semiclássico, mostra inesperados acúmulos de densidade de probabilidade sobre muitas trajetórias periódicas fechadas, chamadas cicatrizes. A literatura mostra que o espaço físico das trajetórias relacionadas a cada cicatriz pode ser obtido pela soma da densidade de probabilidade de auto-estados na vizinhança de cada cicatriz. Classicamente, as trajetórias ligadas a cada auto-estado possuem órbitas muito próximas devido a sua instabilidade, e quando misturadas, definem uma órbita de largura não nula. No domínio óptico, isomórfico ao problema quântico descrito acima, as trajetórias vêm de um tratamento de traçado de raios e os auto-estados são os modos eletromagnéticos estacionários. Particularmente, no caso da cavidade dielétrica, o sistema é aberto, uma vez que a luz pode ser transmitida para fora do ressonador. Desta forma, há grande mistura dos modos e uma seleção maior daqueles que podem sobreviver por terem trajetórias com ângulos internos de incidência maiores que o ângulo crítico para reflexão total interna. Em uma trajetória fechada e curta, modos estacionários são definidos e essas trajetórias têm maior probabilidade de serem observadas, em relação a outras possíveis. Quando o ressonador é constituído por um meio ativo opticamente, este confinamento realiza a realimentação óptica do sistema, cujo ganho óptico permite o estabelecimento estável e coerente de tais trajetórias. Estes resultados inspiraram a realização deste trabalho, cuja grande motivação foi investigar o processo de seleção modal e aplicá-lo em dispositivos práticos para sensoriamento em pequenos volumes. Experimentalmente foi desenvolvida uma técnica híbrida de fabricação utilizando um sistema de íons focalizados (FIB) juntamente com técnicas de microfabricação convencionais para a produção de cavidades estádio com meio ativo de poços quânticos de InGaAsP. Finalmente, foram obtidos resultados da emissão espectral com grande concordância com a previsão teórica baseada numa abordagem matemática simples de soma incoerente de cicatrizes. A seleção modal foi demonstrada com a alteração da excentricidade e com a inserção de furos sobre as trajetórias. A aplicação ao sensoriamento foi explorada tanto pela observação do espectro de emissão quanto pela detecção de fotocorrente por estádios emissor e detector integrados. Variações de até 80% de fotocorrente e alterações significativas do espectro foram observadas para detecção de isopropanol e água. Estes resultados mostram possibilidades de sensoriamento prático utilizando os estádios

Abstract: This work presents the development of resonant cavities based on chaotic billiard geometries built with semiconductor active optical medium for sensing applications. In spite of the classically chaotic behavior of the stadium, the quantum description of the problem in the semi-classical...

Abstract: This work presents the development of resonant cavities based on chaotic billiard geometries built with semiconductor active optical medium for sensing applications. In spite of the classically chaotic behavior of the stadium, the quantum description of the problem in the semi-classical limit shows unexpected accumulations of the density of probability on closed periodic paths called scars. The literature shows that the physical space of the paths related to a given scar can be obtained by adding several eigen-states neighboring each scar. Classically, the paths connected to each eigen-state have very close orbits due to their instability which, when mixed, define a non-zero width orbit. In the optical domain, isomorphic to the quantum problem described above, the paths are a result of the ray treatment and the eigen-modes are the stationary electromagnetic modes. Particularly, in the case of a dielectric cavity, the system is open for light can escape the resonator. Therefore, there is a great mixture of modes and a strong selection of modes with paths with incidence angle below the critical angle. In a closed and short path, stationary modes are defined and those paths have larger probability of observation. When the resonator has an optically active medium, the confinement provides optical feedback to the system which with optical gain allows the establishment of coherent and stable scars. These results inspired this work where the process of modal selection was investigated and applied for sensing in small volumes. Experimentally, a hybrid fabrication approach based on Focused Ion Beam (FIB) and conventional micro-fabrication techniques was used to produce stadium optical cavities with InGaAsP quantum well active region. Finally, we obtained the spectral emission of the devices with good agreement with our simulation based on a simple mathematical approach employing the incoherent summation of the scars. The modal selection with the modification of the eccentricity of the cavity and with the insertion of holes along the scars was demonstrated. The application to sensing was explored by the observation of the emission spectrum as well as by measured photo-current on detection between stadia emitter and detector integrated. Photo-current variations of up to 80% and significant changes of the emission spectrum were observed for isopropanol and water detection. These results show possibilities of practical sensing by stadiums