Integrated silicon nitride organic solid-state lasers

Abstract

Eine weite Verbreitung von photonischen integrierten Sensoren in kostengünstigen Anwendungen wird durch den Mangel an preiswerten integrierten Lichtquellen erschwert. Dies trifft in besonderer Weise für Anwendungen in der Point-of-Care Diagnostik zu, in welchen Sensoren häufig zum einmaligen Gebrauch eingesetzt werden. Das Einkoppeln von Licht, zum Beispiel von einer fasergekoppelten Laserdiode, verlangt eine präzise und umständliche Ausrichtung, was zu hohen Kosten führt. Halbleiter Laserdioden, welche eine Schlüsseltechnologie in der heutigen Daten- und Telekommunikation darstellen, benötigen sorgfältige und komplexe Fertigungsschritte für eine heterogene Integration mit verbreiteten Substraten. Eine Alternative zu Halbleiter Verstärkungsmaterialien für die notwendige Amplifikation um Lasing zu erreichen sind organische Farbstoffe. Solche Moleküle werden routinemäßig in Farbstofflaser mit einem flüssigen Medium eingesetzt. Diese decken einen breiten Wellenlängenbereich vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot ab. Alternativ können die Farbstoffe in einen Festkörper eingebettet werden, z.B. Polymere und Sol-Gel-Schichten, um einen organischen Festkörperlaser aufzubauen. Diese Komponenten ermöglichen eine beträchtliche Reduktion der Grundfläche mit möglichen Anwendungsfällen in der integrierten Optik. Durch die optische Transparenz beginnend in sichtbaren Wellenlängenbereich gewinnt integrierte Optik basierend auf Siliziumnitrid in der Biosensorik und medizinischen Diagnostik zunehmend an Bedeutung. Zudem erlaubt die Kompatibilität von Siliziumnitrid mit CMOS Herstellungsverfahren eine Zusammenführung von Photonik und Elektronik zu intelligenter Sensorik. Eine Verbindung von organischen Farbstofflaser mit einer photonischen Plattform basierend auf Siliziumnitrid würde daher zu einer erfolgsversprechenden Kombination für kostengünstige Sensoren führen. Das Ziel dieser Thesis war die Entwicklung solch eines hybriden Siliziumnitrid-Organischen Lasers mit einer Emissionswellenlänge um 600 nm. In dieser Arbeit wurden drei wesentliche Punkte adressiert: (i) die Entwicklung von photonischen Komponenten auf der Siliziumnitrid Plattform, (ii) die Bestimmung der Verstärkungseigenschaften eines neuen Farbstoffes und (iii) das Vorführen von organischen Farbstofflasern mit Emission in einmodigen Siliziumnitrid Wellenleitern. In einem ersten Schritt wurde eine Theorie der gekoppelten Wellen eingesetzt um die Bragg Gitter, eingesetzt als Resonator, zu beschreiben. Diese Theorie der gekoppelten Wellen wurde auf einen 2D Querschnitt erweitert. Die eingesetzte Methode nutzt dabei eine Beschreibung von Wellen höherer Ordnung um die Abstrahlung von Gitter zweiter und höherer Ordnung abzubilden. Die berechneten Ergebnisse werden mit gemessenen Reflektionsspektren von gefertigten Strukturen mit Gitter zweiter und dritter Ordnung verglichen. Die Theorie wurde auch zum Berechnen der Schwellenverstärkung des Resonators eingesetzt. Um die Verluste durch das Leiten der integrierten optischen Signale in den Wellenleiter zu minimieren wurden Bogen mit einer anteiligen Euler-Spirale untersucht. Ein optimierter Bogen verteilt dabei gleichmäßig die Abstrahlungsverluste durch eine sich verändernde Krümmung, als auch Verluste durch einen gekrümmten Wellenleiter an sich. Die Berechnungen wurden durch Messungen an Siliziumnitrid Wellenleiter ergänzt. Die untersuchten Bögen mit Euler-Spiralen haben dabei weitere Anwendungsbereiche wie Ring- und Spiralstrukturen mit niedrigen Verlusten für Laserresonatoren. Ein neuartiger Farbstoff als Verstärkungsmedium wurde durch den Projektpartner ICCAS entwickelt. Der Farbstoff zeigt optimale Absorptionseigenschaften für die Pumpwellenlänge der eingesetzten Laserdiode, eine Quanteneffizienz von etwa 50% und eine große Stokes-Verschiebung von 128 nm. Es wurde ein Model für die konzentrationsabhängige Materialverstärkung entwickelt welches die Verringerung der Verstärkung bei hohen Konzentrationen an Farbstoffmolekülen beschreibt. Die Materialverstärkung von unterschiedlichen Farbstoffen und Polymeren wurde mit der Variable-Stripe-Length Methode bestimmt. Das Model welches die Abnahme der Verstärkung für unterschiedliche Konzentrationen beschreibt wurde auf die gewonnenen Daten angewendet und zeigt, dass die höchste Verstärkung bei einer Konzentration von fünf Gewichtsprozent Farbstoff in Poly(methyl methacrylate) zu erwarten ist. Lasing wurde für zwei unterschiedliche Siliziumnitrid Resonatoren erreicht, nämlich einem 1D Bragg Gitter mit einem Abschnitt zur Umwandlung in einen einmodigen Wellenleiter, und einem seitlich modulierten Slot-Wellenleiter. Die Pumpschwelle war 5 kW/cm-2 für das 1D Bragg Gitter und 72 kW/cm-2 für den Slot-Wellenleiter. Das breite Verstärkungsspektrum des eingesetzten Farbstoffes ermöglichte Wellenlängen zwischen 572 nm bis zu 646 nm. Beide Laser zeigen Emission bei einer Wellenlänge in einen einmodigen Wellenleiter. Dies ist eine wichtige Eigenschaft für interferometrische Sensoren. Der Slot-Wellenleiter vergrößert den Überlapp mit dem Verstärkungsmaterial für eine Verringerung der Pumpschwelle. Die charakteristische Feldverteilung der Mode im Slot-Wellenleiter kann direkt ohne eine Umwandlung für Sensoren mit einer verbesserten Empfindlichkeit eingesetzt werden. Alle Versuche wurden mit einer Laserdiode als Pumpquelle bei einer Wellenlänge von 450 nm durchgeführt, welche große und teure Laser ersetzt und handliche Geräte für Point-of-Care Messungen ermöglicht. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Siliziumnitrid organische Hybridlaser für Anwendungsfälle im sichtbaren Wellenlängenbereich um 600 nm entwickelt.

The widespread uptake of photonic integrated sensors in cost-sensitive applications is currently impeded by the lack of low-cost integrated coherent light sources. This holds particularly true for applications in point-of-care diagnostics where single-use sensors are commonly employed. Coupling of a light from an external source, for example from a fiber coupled laser diode, requires accurate and cumbersome alignment which increases costs. Semiconductor laser diodes, which are the key light source in today's optical data- and telecommunication depend on elaborate fabrication steps for a heterogeneous integration with common substrates. An alternative to semiconductor gain material to provide light amplification necessary to achieve lasing are organic dyes. Such molecules are routinely employed in liquid dye lasers to generate both continuous-wave and pulsed high-power coherent light emission with a broad tuning range covering the near-ultraviolet to the near-infrared spectrum. Alternatively, dyes can be embedded in a solid host material, e.g. polymers, glasses, and sol-gel matrices, to build organic solid-state lasers. These devices enable a tremendous reduction in footprint with potential applications in photonic integrated circuits. At the same time silicon nitride photonic integrated circuits become increasingly interesting for applications in biosensing and medical diagnostics because of the transparency window starting in the visible. Furthermore, the compatibility of silicon nitride photonics with CMOS fabrication enables a co-integration with electronics to build smart-sensing devices. Therefore, a monolithic integration of organic solid-state lasers with silicon nitride photonics would offer a seminal combination for cost-efficient sensing devices. The aim of this theses was the development of such a silicon nitride organic hybrid laser for emission wavelengths around 600 nm. In this work, three topics are addressed: (i) the development of silicon nitride photonic integrated components, (ii) the gain properties of a novel dye, and (iii) the demonstration of organic solid-state lasers with emission into silicon nitride single-mode waveguides. In a first step a coupled wave theory was implemented to model Bragg gratings used as distributed feedback laser cavities. The coupled wave theory was expanded to a 2D cross section. The employed coupled wave method uses higher order partial waves to account for radiative losses inherent to second and higher order gratings. Numerical results are compared against measured reflection spectra of fabricated second and third order laterally coupled waveguide Bragg gratings. In addition, the coupled wave theory method was employed to estimate the threshold gain of the distributed feedback cavity. To minimize losses from routing of optical signals a partial Euler bend geometry was numerically analyzed. An optimized bend geometry balances transition losses from a changing curvature and radiative losses from a bent waveguide. The numerical results were supported by measurements on silicon nitride waveguide bends. Partial Euler bends have potential applications in the design of low loss ring and spiral laser resonators. A novel organic dye synthesized by the project partner ICCAS was employed as the gain material. The dye showed optimal absorption properties around the pump wavelength of the employed laser diode, a quantum yield of around 50%, and a large Stokes shift of 128 nm. A model for concentration quenching of the material gain was developed to describe the reduction of gain at increased dye concentration in the host matrix. Material gain of different dyes and polymers have been determined with the variable stripe length method. The quenching model was applied to the gain data showing the highest gain at a doping level of 5 wt% in poly(methyl methacrylate). Lasing has been achieved for two silicon nitride resonator designs, i.e. a 1D Bragg grating with a taper section to a single-mode waveguide and a laterally coupled slot-waveguide geometry. The lasing threshold was as low as 5 kW/cm-2 for the 1D Bragg grating and 72 kW/cm-2 for the laterally coupled slot-waveguide cavity. The broad spectral gain of the dye allowed for emission wavelengths from 572 nm up to 646 nm. Both lasers showed single-wavelength emission into single-mode waveguides which is an important aspect for interferometric sensors. The slot-waveguide geometry increases the overlap with the gain material to reduce the lasing threshold. The slot-waveguide mode could be used for sensors with increased sensitivity omitting a mode converter. Inkjet printing technology has been used for a local deposition of the gain material. All experiments were conducted with a 450 nm laser diode as a pump source to supersede bulky and expensive lasers and enable handheld applications in point-of-care sensing. In summary, in this thesis silicon nitride organic hybrid lasers have been successfully developed with potential applications in low-cost sensors operating in the visible at wavelengths around 600 nm.