Plasmonics for mid-infrared photonic integrated circuits

Abstract

The field of photonics has transformed global communication and data processing, changing how we connect and interact in the digital age. Photonic integrated circuits (PICs) further revolutionized the field, enabling compact and cost-efficient sensors and optical systems. While visible and near-infrared photonics have been extensively explored, mid-infrared (mid-IR) photonics has only recently emerged as a rapidly growing area of interest due to its unique potential for various groundbreaking applications.The mid-IR spectral region offers sensitive and selective detection of important molecules for many applications in environmental monitoring, medical diagnostics, and security screening. It simultaneously enables optical free-space communication in atmospheric transparency windows. However, the development of mid-IR PICs remains untapped due to the lack of suitable materials and strategies for efficient monolithic integration, which can be considered the best solution to overcome costly and time-consuming sub-micrometer alignment procedures and additionally increase the overall robustness of the system. Plasmonics offers a promising solution to this problem, by guiding and manipulating light with metallic-like structures coupled with dielectric ridges. Dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguides (DLSPPWs) have been proposed as a promising platform for mid-IR PICs, but challenges remain in terms of materials and their fabrication.The primary focus of this work is to address the challenges in mid-IR integrated photonics and pave the way for the next generation of fully integrated, miniaturized mid-IR PICs through the use of DLSPPWs. In this thesis, two distinct materials, germanium (Ge) and polyethylene (PE), were investigated in combination with gold layers to analyze their potential for mid-IR sensing and on-chip mode guiding. The research demonstrated that PE, a transparent and low refractive index polymer, is a promising choice for dielectric loading, especially in the long-wave infrared (LWIR) range. PE's efficient trade-off between propagation length and mode confinement results in high performance at wavelengths above 9 μm, comparable to traditional materials like PMMA (at telecom wavelengths) or SiNx (between 3-7 μm). Additionally, Ge slabs provide a high refractive index alternative, enabling low-loss (<0.015 dB/μm) broadband (5.6-11.2 μm) propagation with high tunability, making them highly suitable for sensing applications. The integration of Pd with Ge further enhances compatibility with CMOS technology, facilitating large-scale production and integration of DLSPPWs-based photonic devices. Furthermore, this work explores the potential of DLSPPWs for mid-IR sensors by functionalizing the Ge-based waveguide sensors. By leveraging the combination of low-loss Ge waveguides with on-chip integrated micro-mirrors, a compact, monolithic integrated LWIR heterodyne detector is realized, with room temperature operation. Overall, this dissertation lays the foundation for the development of highly integrated, monolithic mid-IR PICs for communication and sensing applications, in combination with quantum cascade intersubband devices.

Die Photonik hat die globale Kommunikation und die Datenverarbeitung transformiert und dabei geändert, wie wir im digitalen Zeitalter miteinander interagieren. Photonisch integrierte Schaltungen (PICs) haben das Feld weiter revolutioniert, und ermöglichen kompakte kostengünstige Sensoren und optische Systeme. Während die Photonik im sichtbaren und nahen Infrarot Spektralbereich bereits ausgiebig untersucht wurde, ist der mid-infrarot (mid-IR) Bereich ein noch recht junges Feld, das schnell an Interesse wächst, auf Grund seines einzigartigen Potentials für verschiedenste bahnbrechende Applikationen. Der mid-IR Spektralbereich erlaubt die sensitive und selektive Detektion wichtiger Moleküle für verschiedenste Anwendungen in der Umwelt-Sensorik, medizinischen Diagnostik und Sicherheits-Überwachung. Gleichzeitig ermöglicht er die optische Datenübertragung in den spektralen Wasser-Transparenz-Fenstern der Atmosphäre. Jedoch wird die Entwicklung neuer mid-IR PICs durch fehlende, passende Materialien und Strategien für effiziente monolithische Integration stark behindert. Diese können als beste Lösung angesehen werden, um teure und zeitaufwendige sub-Mikrometer genaue Alienier-Prozeduren zu vermeiden und zusätzlich um die Robustheit des gesamten Systems zu erhöhen. Die Plasmonik bietet hier eine vielversprechende Lösung für dieses Problem, indem Licht in metallischen und metall-ähnlichen Strukturen, die mit dielektrischen Rippenwellenleitern gekoppelt werden, geführt und manipuliert werden kann. Dielektrisch-geladene Oberflächen-Plasmon-Polariton Wellenleiter (DLSPPWs) wurden als erfolgversprechende Plattform für mid-IR PICs vorgeschlagen, jedoch verbleiben noch weitere Herausforderungen bezüglich des Materials und Ihrer Herstellung. Der Hauptfokus der vorliegenden Arbeit liegt eben darin, diese Herausforderungen in der mid-IR integrierten Photonik aufzunehmen, und den Weg für die nächste Generation voll-integrierter, miniaturisierter mid-IR PICs durch Verwendung der DLSPPWs zu ebnen. In dieser Thesis werden die zwei Materialien Germanium (Ge) und Polyethylene (PE) in Kombination mit Gold-Schichten untersucht, zusammen mit ihrem Potential für die mid-IR Sensorik und on-chip Lichtleitung. Die Ergebnisse demonstrieren, dass PE, ein transparentes Polymer mit geringem Brechungsindex, eine vielversprechende Wahl für das Konzept des dielektrischen ladens ist, besonders im langwelligen IR-Bereich (LWIR). Polyethylens effizienter trade-off zwischen Propagationslänge und Moden-Beschränkung resultiert in hoher Performance bei 9 μm Wellenlänge, vergleichbar mit traditionellen Materialien wie PMMA im Telekom-Wellenlängen-Bereich oder SiN zwischen 3 μm und 7 μm Wellenlänge. Zusätzlich bieten Ge-Rippen-Strukturen eine weitere hoch-Index Alternative, für breitbandige (5.6 μm – 11.2 μm) Licht-Leitungsstrukturen mit geringen Verlusten (<0.015 dB/μm) und großer Durchstimmbarkeit, was ein weiterer Vorteil für Anwendungen in der Sensorik ist. Die Integration von Palladium (Pd) mit Ge verbessert weiter die CMOS-Kompatibilität, was die Produktion großer Stückzahlen und die weitere Integration der DLSPPW-basierten photonischen Strukturen erlaubt. Darüber hinaus, untersucht diese Arbeit das Potential der DLSPPWs für mid-IR Sensoren mit funktionalisierten Ge-basierten Wellenleiter-Sensoren. Durch Ausnutzung der Kombination von Ge Wellenleitern mit niedrigen Verlusten mit on-chip integrierten mikro-Spiegeln, wird ein kompakter, monolithisch-integrierter LWIR heterodyner Detektor realisiert, der bei Raumtemperatur operabel ist. In Summe legt diese Dissertation die Grundlage für die Entwicklung hoch-integrierter, monolithischer mid-IR PICs für die Kommunikation und Sensor-Anwendungen, in Kombination mit Quanten Kaskaden Intersubband Bauteilen.