Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1853
Main Title: Investigation of silicon nitride based two-dimensional photonic crystals for the visible spectral range
Translated Title: Untersuchung der Siliziumnitrid-basierenden zweidimensionalen photonischen Kristalle für den sichtbaren Spektralbereich
Author(s): Kouba, Josef
Advisor(s): Eberhardt, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und der Untersuchung zweidimensionaler photonischer Kristalle für den sichtbaren Wellenlängenbereich, der bisher experimentell nur sehr schwierig zu realisieren war. Dazu wurden ein hochauflösender Fertigungsprozess zur Probenherstellung und ein auf einer Weißlichtquelle basierender Messaufbau zur Charakterisierung der Kristalle entwickelt. Mit den entwickelten Methoden und Prozessen konnten zweidimensionale photonische Kristalle aus Siliziumnitrid mit quadratischem und mit hexagonalem Gitter erfolgreich hergestellt werden. Durch Messungen konnten bei ihnen optische Bandlücken für Wellenlängen oberhalb von 500 nm nachgewiesen werden. Durch Variation der Geometrieparameter wie der Lochradien, der Gitterkonstante und der vertikalen Dicke der Kristalle konnten Bandlückenkarten (engl. band gap maps) experimentell ermittelt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigten dabei eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen einer entsprechenden numerischen Simulation. Dies beweist die hohe Qualität der entwickelten Herstellungsprozesse. Zur Demonstration der Anwendbarkeit solcher auf Siliziumnitrid basierenden photonischen Kristalle wurden extrem kompakte, passive optische Filter für den sichtbaren Wellenlängenbereich durch Einbau von linearen Gitterdefekten in die photonischen Kristalle hergestellt und sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Im Ergebnis einer durch Simulationsrechnungen unterstützten Optimierung wurden Filterprototypen mit Transmissionsraten von über 90 % und einer Linienbreite von nur 3 nm (Qualitätsfaktor über 240) mit einer räumlichen Ausdehnung von ca. 3 µm x 3 µm realisiert. Der Vergleich mit Literaturwerten zeigt, dass dies gegenwärtig die besten Leistungswerte für diese Arten von Filtern sind. Als zweiter Demonstrator möglicher Anwendungen wurden optische Resonatoren auf Basis photonischer L3-Kavitäten untersucht. Mit einer emissionsfreien, auf Transmission basierenden Untersuchungsmethode konnten die longitudinalen Resonanzmoden der in photonischen W1-Wellenleitern eingebetteten Kavitäten mit Qualitätsfaktoren von bis zu 325 experimentell nachgewiesen werden. Die gemessenen Werte der Qualitätsfaktoren entsprachen dabei etwa 50 % der in Simulationsrechnungen ermittelten Werte. In Anbetracht der schwachen Einbindung der Kavitäten im W1-Wellenleiter sind diese Ergebnisse dennoch als sehr gut zu interpretieren, was auch durch Vergleich mit publizierten Ergebnissen anderer Gruppen belegt werden kann. Für die fundamentalen longitudinalen Moden ergaben theoretische Berechnungen sogar Werte von Qualitätsfaktoren von bis zu 1500. Um diese Moden anzuregen, wäre allerdings ein modifizierter Einbau der Kavitäten in den W1 Wellenleiter notwendig. Experimentelle Untersuchungen solcher Resonatoren mit modifizierter Geometrie konnten allerdings im zeitlichen Rahmen dieser Arbeit nicht mehr durchgeführt werden.
The main topics of this thesis included the fabrication and experimental investigation of silicon nitride based 2D photonic crystals in the visible range of the electromagnetic spectrum. For this purpose, a fabrication process capable of patterning silicon nitride with an ultimate resolution of 25 nm as well as an investigation technique based on non-coherent white light transmission measurements were successfully developed. Using these techniques, photonic crystals with square and hexagonal lattice geometry were shown to possess photonic band gaps in the visible range for wavelengths above 500 nm. By conducting a geometry variation study, photonic band gaps in the visible range were experimentally mapped for the hexagonal lattice type as a function of the r/a ratio and of the slab thickness. The results were found in a good agreement with FDTD simulations, proving thus the high precision and accuracy of the fabrication method. In order to demonstrate a passive device, extremely compact filters based on photonic crystal linear defects were investigated intensively both experimentally as well as by conducting FDTD simulations. Such devices are potential candidates for highly integrated optical circuits. After few optimization steps, devices with a peak transmission of up to 90 % and a line width of less than 3 nm (resulting in quality factor values of up to 240) with an overall size of a device as small as 3 x 3 µm could be successfully fabricated and investigated. The values were found to be the best reported up to date when compared with corresponding photonic crystal devices operating in the same wavelength range. The last part of the thesis dealt with optical resonators based on L3 photonic crystal cavities embedded in a hexagonal lattice as high potential candidates for optical micro resonators. Using an emitter free characterization method based on transmission measurements, second order longitudinal cavity resonance modes could be identified, exhibiting values of quality factors as high as 325, corresponding to about 50 % of the theoretically expected value as estimated using FDTD simulations. Regarding the weak lateral confinement of the cavity resulting from the experimental arrangement, these values are to be considered as high, even when compared with values reported elsewhere for corresponding devices operating in the same wavelength spectrum. Further simulations indicated Q-factors of the fundamental modes of up to 1500. In order to detect them, however, different experimental arrangement would be necessary, exceeding the time scale of this thesis.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18549
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2150
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1853
Exam Date: 24-Apr-2008
Issue Date: 19-May-2008
Date Available: 19-May-2008
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Optischer Filter
Optischer Resonator
Photonik
Photonische Bandlücke
Photonischer Kristall
Optical filter
Optical resonator
Photonic band gap
Photonic crystal
Photonics
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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