Monolithic integration of mid-infrared photonics

Abstract

Mid-infrared spectroscopy is an extremely useful and versatile technique to identify the chemical composition of gases, liquids, and solids via their unique absorption lines. The miniaturization of sensing systems is an important research topic, gaining momentum during the last couple of years. So far, all miniaturized concepts have been demonstrated with external optics, lasers or detectors. This thesis reports the realization of a monolithic approach, combining the source, the interaction region and the detector on a single chip. This work involved the full range and variety from the initial idea and concept development over the design and modelling to the device fabrication and experimental demonstration. Moving from the state-of-the-art to a single-chip solution required several important steps. In a first step, a new class of intersubband devices was developed combining emission and detection capabilities with the very same semiconductor heterostructure. Simply by changing the applied bias, the quantum cascade device can be switched between laser and detector operation. Once the layer structure has been grown on a substrate, different parts of the chip can be used for lasers and others for detectors. With the introduction of a refined design approach, the horizontal-vertical extraction scheme led to high performance bi-functional quantum cascade laser and detectors with output power levels and efficiencies comparable to conventional lasers. Owing to direct coupling and the optimized quantum design, their photodetection capability provides a better performance than available discrete detectors operated at the same temperature. In a second step, the lasers and detectors were connected with a surface plasmon polariton (SPP) waveguide. SPPs are optical surface waves that propagate along a metal/dielectric interface and are perfectly suited for on-chip sensing applications. Owning to their evanescent nature, 96% of the mode stays outside and interacts with substances, which are present on the waveguide surface. The introduction of the dielectric loading concept for mid-infrared plasmonics enabled to solve several fundamental problems that previously prohibited the exploitation of their full potential. The commonly weakly confined SPPs are squeezed, such that they are stronger bound to the interface and enable the direct coupling to and from the active devices. Furthermore, the elimination of the metal edges in narrow, laterally single mode waveguides leads to a reduction of the attenuation by one order of magnitude. In a first prototype experiment, the entire device was submerged into a mixture of ethanol and water.A limit of detection of 0.06% over a wide range of concentrations from

Wie viel Glucose ist im Blut, wie sauber ist das Wasser oder wie rein ist der Treibstoff? Um diese Fragen zu beantworten benötigt man kompakte Sensorsysteme, die vor Ort eine schnelle Antwort liefern. Diese Arbeit beschreibt einen neuartigen Sensor-Chip mit dem genau das erreicht werden kann - ausgehend von der Idee und der Konzeptentwicklung über elektrisches und optisches Design bis hin zur Fertigung und experimentellen Realisierung. Laserstrahlen im Infrarotbereich werden von unterschiedlichen Molekülen unterschiedlich stark absorbiert. Basierend auf diesem einfachen Prinzip wurde eine neue Sensortechnologie realisiert, die alle notwendigen Komponenten, wie Laser, Interaktionszonen für chemische Stoffe und Detektoren durch die Kombination von Quantenkaskaden Strukturen und Oberflächenplasmonen auf einem einzigen Chip integriert. Ein ganz spezielles Quantendesign erm¨oglicht es, einen Laser und einen Detektor aus ein und der selben Schichtfolge gleichzeitig auf einem Chip herzustellen - und zwar so, dass die Wellenlänge des Laserlichtes auch genau der Wellenlänge entspricht, welche vom Detektor gemessen werden kann. Mit einem verbessertem Design, dem Horizonal-Vertikal- Extraktionskonzept, konnte die optische Leistung im Laserbetrieb von der bi-funktionalen Quanten Kaskaden Laser/Detektor Strukturen um eine Größenordnung verbessert werden. Damit erreicht die zweite Generation vergleichbare optische Leistungen wie reine Laserdesigns. Zusätzlich erlaubt das vorgestellte Integrationskonzept die Verwendung von direkt gekoppelten Wellenleiter-Detektoren. Die Wellenleiterstruktur und die optimierten Quantenstrukturen erlauben integrierte Detektoren mit höherer Leistungsfähigkeit im Vergleich zu ungekühlten externen Detektoren. Verbunden werden Laser und Detektoren mit einem speziellen Oberflächenplasmonen- Wellenleiter. Oberflächenplasmonen sind elektromagnetische Wellen, die sich an einer Grenzschicht zwischen einem Metall und einem Dielektrikum ausbreiten. Das Licht wird an dessen Außenseite geführt und kann dort mit den Molekülen wechselwirken und abhängig von ihrer Art unterschiedlich stark absorbiert werden. Ein zusätzlicher Trick erlaubt es, gleich mehrere Probleme zu lösen, die die Anwendbarkeit von Oberflächenplasmonen im mittleren Infrarotbereich bisher stark limitiert haben. Eine nur 200 nm d¨unne dielektrische Schicht aus Siliziumnitrit f¨uhrt zu stärker gebundenen Moden und ermöglicht die gezielte Optimierung der Kopplung zu den Lasern und Detektoren. Weiters kann die dünne dielektrische Schicht zur lateralen Wellenführung verwendet werden und verhindert damit optische Verluste durch Streuung an Metallkanten. Getestet wurden die Sensoren mit einer Lösung aus Wasser und Ethanol. In einem ersten Experiment konnte die Zusammensetzung über einen weiten Konzentrationsbereich auf 0.06% genau bestimmt werden. Um eine Auflösung im ppm-Bereich zu ermöglichen, wurde der Sensor-Chip mit schmalbandig Lasern und integrierter Temperaturüberwachung erweitert. Mehrere solcher Laser/Wellenleiter/Detektor-Elemente auf dem selben Chip können verwendet werden, um mehrere chemische Substanzen gleichzeitig zu identifizieren. Das präsentierte Integrationskonzept ist der Startpunkt für eine neue Generation von miniaturisierten Sensoren für chemische und biologische Analysen. Mit der Wahl der Wellenlänge kann der Sensor-Chip auf eine Vielzahl verschiedener Stoffe angepasst werden und durch die Integration aller Komponenten ist er klein und kostengünstig. Diese Arbeit beinhaltet alle notwendigen Schritte und Informationen um den Sensor-Prototypen auf spezifische Anwendungen anzupassen.