Near-field coupling in hybrid integrated photonic circuits

Integrierte optische Schaltkreise dienen zur Lichtleitung auf Halbleiterchips und ermöglichen die Miniaturisierung allgemeiner optischer Experimente. Dabei kann die passive Materialplattform erweitert werden, indem zusätzliche Elemente über das evaneszente Feld an einen Wellenleiter gekoppelt werden...

Author: Gruhler, Nico
Further contributors: Pernice, Wolfram H. P. (Thesis advisor)
Division/Institute:FB 11: Physik
Document types:Doctoral thesis
Media types:Text
Publication date:2018
Date of publication on miami:11.01.2019
Modification date:11.01.2019
Edition statement:[Electronic ed.]
Subjects:Integrierte Optik; Photonik; Evaneszente Kopplung; Atomdampf; Molekülspektroskopie; Diamantwellenleiter Integrated optics; photonics; evanescent coupling; atom vapor; molecular spectroscopy; diamond waveguides
DDC Subject:530: Physik
License:InC 1.0
Language:English
Format:PDF document
URN:urn:nbn:de:hbz:6-36129628816
Permalink:http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hbz:6-36129628816
Digital documents:diss_gruhler.pdf

Integrierte optische Schaltkreise dienen zur Lichtleitung auf Halbleiterchips und ermöglichen die Miniaturisierung allgemeiner optischer Experimente. Dabei kann die passive Materialplattform erweitert werden, indem zusätzliche Elemente über das evaneszente Feld an einen Wellenleiter gekoppelt werden. Dieser Kopplungsmechanismus wurde ausgenutzt, um einen thermischen Rubidium-Atomdampf an Siliziumnitrid-Wellenleiter anzubinden. Die Wechselwirkung wurde durch die Aufnahme von Absorptionsspektren sowie durch die Bestimmung der induzierten Phasenverschiebung im sichtbaren Spektralbereich umfassend charakterisiert. Neben der Kopplung an Atome spielt insbesondere die Aufnahme von Molekülspektren eine bedeutende Rolle, um chemische Analysen unbekannter Substanzen durchzuführen. Da diese Spektren im langwelligen Infrarotbereich liegen bedarf es einer Weiterentwicklung bisher bestehender Materialplattformen. So wurden erstmals integrierte Strukturen aus Silizium und Diamant verwendet um Lichtleitung auf einem Chip bei einer Wellenlänge von 8 µm zu realisieren.

Integrated optical circuits are used for light guiding on semiconducting chips and enable the miniaturization of optical experiments on a robust platform. However, the basic material system has to be extended in order to fulfill the specific requirements of complex systems. This can be achieved by hybrid systems, which are based on the evanescent coupling to an additional element. In this way a thermal rubidium atom vapor was coupled to silicon nitride waveguides. The interaction was characterized by recording absorption spectra of the D2 line in the visible spectral regime and by determining the simultaneously induced phase shift. Besides the light-atom interaction, the coupling to molecules is most important for general chemical analyses of unknown substances. The molecular vibrations and the corresponding absorption spectra are located in the long-wavelength infrared regime. Therefore, advanced silicon and diamond circuits were developed and transmission measurements through these structures were demonstrated for the very first time at a wavelength of 8 µm.