Novel quantum dot and nano-entity photonic structures

Abstract

This thesis addresses novel nanocomposite materials by incorporating quantum dots,and other nanoentities, into polymer and sol-gel derived matrices, aiming to produceintegrated photonic structures. Its objectives embrace the synthesis and theinvestigation of photonic materials, together with alternative fabrication methodologiesenabling the effective integration of functional nanocomposite photonic structures,such as active waveguides, micro-ring structures and diffractive optical elements forsensing applications.Design, synthesis and characterization of nanocomposite materials in thiscontext, involves QD incorporation in tailored-made polymers, synthesized usingradical polymerization as well as QD embedment in titania matrices synthesized viasol-gel methods. Low cost sol-gel derived silica incorporating NiCl2 nanoentities wasexploited in the proposed scheme of remote point sensing for ammonia detection.Commercially available hybrid organic/inorganic materials of the ORMOCER familyare also used for structure fabrication. Further to microscopy, characterization of thematerials mainly includes spectroscopic studies and refractive index measurementsusing reflectance interferometry.For the demonstration of complex photonic structures by using nanocompositeselaborated studies are presented here focusing on two fabrication methods: a) directlaser ablative microfabrication using ArF excimer radiation at λ=193 nm and, b) softlithography. To achieve this, a fully automated ArF excimer laser microfabricationstation was established comprising computer controlled nanopositioning and laserbeam control, as well as various prototype materials synthesis and fabricationdevices. QD/polymer computer generated holograms, waveguides and micro-ringstructures were simulated, designed and fabricated. Specific protocols and methodwere established. A modified solvent-assisted soft lithography method was also usedfor micropatterning and fabrication of photonic structures using QD/polymer andQD/titania films in conjunction to common UV and thermally curable materials. Asolvent vapor smoothing process was found to significantly enhance the quality of thestructures as observed with scanning electron microscopy.QD/polymer computer generated holograms, diffractive optical elements, micro-ringstructures, vertical cavity resonators and other advanced photonic structurescomprising quantum dot nanocrystals and nano-entities are investigated.A new photonic sensing scheme is proposed and demonstrated here for remote, spatially-localized sensing. It comprises a low cost diffractive thin film of a sensingmaterial remotely interrogated by use of light beams. A silica/NiCl2 system fabricatedvia the sol-gel methods and micropatterned using the direct laser ablativemicrofabrication method is demonstrated, to allow detection of as low as 1 ppm ofammonia.Finally, the merits of incorporating epitaxially grown quantum dots in highly resonantstructures for signal amplification, namely vertical cavity semiconductor opticalamplifier and micro-ring semiconductor optical amplifiers, are discussed. Suchdevices are demonstrated to lack a laser threshold if designed properly allowing forthe full exploitation of the fast carrier dynamics of quantum dots by driving them athigh currents, for amplification of high-bit-rate signals of up to 100 Gb/s. A rateequation theoretical model was developed which provides both performanceprediction of the devices under discussion and design guidelines for threshold-lessoperation.This doctoral thesis served, as a whole, its main scope of providing a palette ofmaterials and methods as well as some useful concepts for the fabrication offunctional photonic structures and devices based on advanced nanocomposites.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται νανοδομημένα υλικά με ενσωματωμένες κβαντικέςψηφίδες και άλλες νανο-οντότητες σε πολυμερή και ανόργανες μήτρες μέσω της μεθόδου sol-gel,στοχευοντας στην κατασκευή δομών ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων. Οι στόχοι τηςδιατριβής επικεντρώνονται στην σύνθεση και μελέτη φωτονικών υλικών και στον συνδυασμό τους μεεναλλακτικές μεθόδους κατασκευής φωτονικών δομών. Τα νανοσύνθετα υλικά που μελετήθηκανπαρουσιάζουν μια σειρά από φωτονικές ιδιότητες για την υλοποίηση φωτονικών δομών διαφόρωνλειτουργικοτήτων όπως ενεργοί οπτικοί κυματοδηγοί, ενεργοί συντονιστές μικροδακτυλίου καιπεριθλαστικά οπτικά στοιχεία για φωτονικές εφαρμογές.Στα πλαίσια της σχεδίασης, σύνθεσης και χαρακτηρισμού αυτών των νανοδομημένων υλικών κβαντικέςψηφίδες ενσωματώθηκαν σε πολυμερικές μήτρες ειδικά σχεδιασμένες για τον σκοπό αυτό καθώς καισε ανόργανες μήτρες παρασκευασμένων με την μέθοδο sol-gel. Μελετήθηκαν ακόμα υλικά διοξειδίουτου πυριτίου εμπλουτισμένα με νανο-οντότητες χλωριούχου νικελίου του για χρήση σε φωτονικούςαισθητήρες. Τα υλικά αυτά συνετέθησαν με μεθόδους χαμηλού κόστους και χρησιμοποιήθηκαν σεκαινοτόμες διατάξεις φωτονικών αισθητήρων που περιγράφονται εδώ. Επιπλέον μελετήθηκαν υβριδικάοργανικά/ανόργανα υλικά ORMOCER για την κατασκευή μιας σειράς φωτονικών διατάξεων. Οχαρακτηρισμός των υλικών που περιγράφονται εδώ πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπικέςμεθόδους ενώ ο δείκτης διάθλασης τους μετρήθηκε με την τεχνική της ανακλαστικής συμβολομετρίας.Η κατασκευή και επίδειξη σύνθετων νανοδομημένων φωτονικών διατάξεων πραγματοποιήθηκε με δύομεθόδους: α) την μέθοδο φωτο-εκρηκτικής αποδόμησης με χρήση excimer laser σε μήκος κύματοςλ=193 nm και β) με την μέθοδο soft lithography. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μια πλήρωςαυτοματοποιημένη διάταξη μικροκατασκευής με χρήση ArF excimer laser στην οποία τόσο η πηγήlaser όσο και η νανομετρική πλατφόρμα για την κίνηση του υπό διαμόρφωση δείγματος ελέγχονται απόυπολογιστή. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή διαφόρων διατάξεων σε πολυμερικάυμένια με ενσωματωμένες κβαντικές ψηφίδες όπως υπολογιστικά σχεδιασμένων ολογραμμάτων,κυματοδηγοί και συντονιστές μικροδακτυλίου με γεωμετρικά χαρακτηριστικά που προκύπτουν απόθεωρητικές προσομοιώσεις. Ακόμα αναπτύχθηκε μια παραλλαγή της μεθόδου soft lithography για τηνυποβοηθούμενη από χημικό διαλύτη φωτονικών δομών πολυμερικών μητρών και μητρών τιτανίας μεενσωματωμένες κβαντικές ψηφίδες σε συνδυασμό με κοινά υλικά σχεδιασμένα για την μέθοδο softlithography και τα οποία διαμορφώνονται με έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία.Στην διατριβή αυτή παρουσιάζεται ακόμα μια καινοτόμα σχεδίαση φωτονικών αισθητήρων για τηντοπική ανίχνευση διαφόρων χημικών ή φυσικών παραγόντων από απόσταση. Οι αισθητήρες αυτοί αποτελούνται από περιθλαστικές δομές κατασκευασμένες σε υμένα κατάλληλων υλικών, οι οπτικέςιδιότητες των οποίων ανιχνεύονται με τη χρήση δέσμης laser. Ένας τέτοιος περιθλαστικός αισθητήραςαμμωνίας υμενίου διοξειδίου του πυριτίου με ενσωματωμένες νανο-οντότητες χλωριούχου νικελίουπαρουσιάζεται εδώ, του οποίου η περιθλαστική δομή κατασκευάστηκε με τη μέθοδο της φωτο-εκρηκτικής αποδόμησης με laser. Ο αισθητήρας αυτός παρουσιάζει εξαιρετική επίδοση και ικανότηταανίχνευσης αμμωνίας συγκέντρωσης μόλις 1 ppm.Τέλος, συζητούνται τα πλεονεκτήματα της χρήσης κβαντικών ψηφίδων αναπτυγμένων με τηνεπιταξιακές μεθόδους σε δομές οπτικών ενισχυτών ισχυρού συντονισμού, συγκεκριμένα σε οπτικούςενισχυτές ημιαγωγού κάθετης κοιλότητας και οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού μικροδακτυλίου.Συγκεκριμένα, επιδεικνύεται με τη χρήση ενός θεωρητικού μοντέλου που αναπτύχθηκε εδώ πως με τονκατάλληλο σχεδιασμό είναι δυνατόν στις διατάξεις αυτές να αποτρέπεται πλήρως η λειτουργία laser μετην απουσία ρεύματος κατωφλίου. Η ιδιαιτερότητα αυτή επιτρέπει την χρήση μεγάλων ρευμάτων καιτην συνεπακόλουθη εκμετάλλευση της γρήγορης δυναμικής των φορέων στις κβαντικές ψηφίδες γιατην αποτελεσματική ενίσχυση σημάτων υψηλών ταχυτήτων (μεχρι 100 Gb/s).Η Διαδακτορική διατριβη, υπηρετεί συνολικά τον κύριο σκοπό της προσφέροντας μια παλέττα υλικώνκαι μεθόδων για την ανάπτυξη λειτουργικών φωτονικών δομών και διατάξεων βασισμένων σεπροηγμένα νανοσύνθετα υλικά.