Photonic platform and the impact of optical nonlinearity on communication devices

It is important to understand properties of different materials and the impact they have on devices used in communication networks. This paper is an overview of optical nonlinearities in Silicon and Gallium Nitride and how these nonlinearities can be used in the realization of optical ultra-fast devices targeting the next generation integrated optics. Research results related to optical lasing, optical switching, data modulation, optical signal amplification and photo-detection using Gallium Nitride devices based on waveguides are examined. Attention is also paid to hybrid and monolithic integration approaches towards the development of advanced photonic chips

Nonlinear optical functionalities of VO2- and GaN-based nanocomposites

This thesis presents fundamental research and concepts for active photonic elements operating in the telecom wavelength regime. The aim of the study is to determine the characteristics of the investigated nanostructures and to evaluate the implementation of the proposed materials in potential optical devices. In the first part of this thesis the optical properties as well as the photonic application of vanadium dioxide (VO2) nanocrystals (NCs) are studied. VO2 exhibits an easily accessible insulator-to-metal phase transition (IMT) near ambient temperatures. Upon excitation it undergoes an atomic rearrangement that is accompanied by a substantial modification of the complex dielectric function. When VO2 undergoes the IMT, the near-infrared transmission peaks of a moderate-finesse etalon containing a sub-wavelength layer of VO2 NCs are found to markedly shift in their spectral position and peak transmissivity. Both heat deposition and optical excitation permit to actively control the etalon’s functionality. Much less is known about the nonlinear optical properties of VO2 beyond the established IMT. To this end the nonlinear optical response of a thin film of VO2 NCs is investigated with open aperture z-scans involving femtosecond near-infrared pulses. A pronounced saturable absorption on the short-wave side of the resonance as well as a marked reverse saturable absorption in the telecom window are observed. The results hold promise for the use of VO2 nanocrystals as a saturable absorber, e.g., to mode-locked near-infrared lasers. In the second part a semiconductor heterostructure based on hexagonal ultranarrow GaN/AlN multi-quantum wells (MQWs) is investigated. The tailored inter-miniband (IMB) transition is characterized in terms of its linear as well as ultrafast nonlinear optical properties using the established pump-probe scheme. In line with theoretical predictions for LO-phonon scattering, a fast relaxation is found for resonant IMB excitation. In stark contrast, significantly larger relaxation times are observed for photon energies addressing the above barrier continuum. The last section reports on a new type of nonlinear metasurface taking advantage of these telecom-range IMB transitions. The heterostructure is functionalized with an array of plasmonic antennas featuring cross-polarized resonances at these near-infrared wavelengths and their second harmonic. This kind of nonlinear metasurface allows for substantial second harmonic generation at normal incidence which is completely absent for an antenna array without the heterostructure underneath

Refractive-index nonlinearities of intersubband transitions in GaN/AlN quantum-well waveguides

The refractive-index nonlinearities of intersubband transitions in GaN/AlN quantum-well waveguides are investigated. A large spectral broadening of TM-polarized near-infrared pulses is observed after propagation through these devices due to intersubband self-phase modulation. From the measured data, a nonlinear refractive index n 2 of 1.8ϫ 10 −12 cm 2 / W is estimated at the operating wavelength of 1550 nm. A detailed theoretical model of the intersubband refractive index as a function of wavelength and optical intensity is then presented. This model assumes an inhomogeneously broadened transition line and is based on experimentally determined material and device parameters. The results of this study are finally used to discuss the prospects of nitride quantum wells for all-optical switching via cross-phase modulation

Cracks in GaN/AlN multiple quantum well structures grown by MBE

Due to the large lattice constant mismatch and thermal expansion coefficient difference between GaN and AlN, large strain is generated inside the GaN/AlN multiple quantum wells, which causes cracks in the structure. We investigated such cracks by optical microscopy and AFM. The crack density was studied with buffer and cap layer thickness, the number of quantum well periods, and the temperature reduction rate after growth as parameters. It was found that the crack density increased exponentially, with the number of periods above 4. Besides, a very thin, 100 nm, GaN buffer layer and similar to 300 nm GaN cap layer greatly reduced the crack density

Ingénierie quantique de nanostructures à base de semi-conducteurs III-nitrures pour l'optoélectronique infrarouge

GaN/Al(Ga)N nanostructures have emerged during the last decade as promising materials for new intersubband (ISB) optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared (IR) spectrum. These technologies rely on electron transitions between quantum-confined states in the conduction band of nanostructures –quantum wells (QWs), quantum dots (QDs), nanowires (NWs). The large conduction band offset between III-N compounds, and their sub-ps ISB recovery times make them appealing for ultrafast telecommunication devices and for fast IR optoelectronics in the 3-5 µm band. Furthermore, the large energy of GaN LO phonon (92 meV) opens prospects for room-temperature THz quantum cascade lasers and ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs. A variety of GaN-based ISB optoelectronic devices have recently been demonstrated, including photodetectors, switches and electro-optical modulators. However, a number of issues remain open, particularly concerning the extension towards longer wavelengths and the improvement of electrically pumped devices performance. One of the main challenges to extend the GaN-ISB technology towards the far-IR comes from the polarization-induced internal electric field, which imposes an additional confinement that increases the energetic distance between the electronic levels in the QWs. In order to surmount this constraint, I propose alternative multi-layer QW designs that create a pseudo-square potential profile. The robustness of the designs in terms of variations due to growth uncertainties, and the feasibility of their integration in devices architectures requiring resonant tunneling transport are discussed. Experimental realizations by molecular-beam epitaxy displaying TM-polarized THz absorption are presented. A quantum cascade laser design incorporating pseudo-square QWs is introduced. An alternative approach to obtain square potential profiles is the use of nonpolar orientations. In this thesis, I compare GaN/Al(Ga)N multi-quantum wells grown on a and m nonpolar bulk GaN showing that the best results in terms of structural and optical (interband and ISB) performance are obtained for m-plane structures. Room-temperature ISB absorption in the range of 1.5–5.8 µm is demonstrated, the longer wavelength limit being established by the second order of the Reststrahlen band in GaN. As ISB devices are pushed towards higher efficiencies, the control of carrier relaxation becomes a key aspect for device engineering. Longer intraband lifetimes have been proven to exist in laterally confined systems, which motivates studies to incorporate NWs as active elements in ISB devices. Furthermore, the large NW surface-to-volume ratio allows misfit strain to be elastically released, extending the viable active region size and composition beyond the limits of planar systems or QDs. In this thesis, I report the experimental observation of TM-polarized IR absorption assigned to the s-pz intraband transition in Ge-doped GaN/AlN nanodisks inserted in self-assembled GaN NWs. Results are compared with theoretical calculations accounting for the 3D strain distribution, surface charges and many-body effects.STARCes dix dernières années ont vu l'essor des nanostructures GaN/Al(Ga)N en raison de leur potentiel pour le développement de technologies intersousbandes (ISB) en optoélectronique, et ce dans le spectre infrarouge complet. Ces technologies sont basées sur des transitions électroniques entre des états confinés de la bande de conduction de nanostructures, telles que les puits quantiques, les boîtes quantiques et les nanofils. Les composés III-nitrures sont prometteurs en particulier pour les domaines de la télécommunication ultra-rapide et de l'optoélectronique infrarouge rapide dans la bande 3-5 µm pour deux raisons : un large offset de bande et des temps de vie ISB inférieurs à la picoseconde. De plus, la grande énergie du phonon longitudinal optique du GaN permet d'envisager la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à température ambiante et de systèmes optoélectroniques ISB fonctionnant dans la bande 5-10 THz, interdite pour le GaAs. Récemment, plusieurs technologies optoélectroniques ISB basées sur le GaN ont été développées, comprenant des photodétecteurs, des switchs, et des modulateurs électro-optiques. Cependant, plusieurs défis restent à relever, en particulier concernant l'extension vers les grandes longueurs d'ondes et l'amélioration des performances des appareils pompés électriquement. Une des difficultés principales opposées à l'extension des technologies GaN ISB vers le lointain infrarouge résulte de la présence d'un champ électrique interne, qui ajoute un confinement supplémentaire, augmentant ainsi la distance énergétique entre les niveaux électroniques dans les puits quantiques. Pour pallier à ce problème, on propose une structure de puits quantique alternative, dont les multiples couches créent un potentiel pseudo-carré. On discute la robustesse de ce design quant aux variations causées par les incertitudes de croissance, et la possibilité de l'intégrer dans des structures nécessitant un transport électronique par effet tunnel résonnant. On décrit également les structures fabriquées par épitaxie par jets moléculaires et présentant de l'absorption de lumière polarisée TM dans la gamme THz. Enfin on propose un design de laser à cascade quantique basé sur ces puits quantiques pseudo-carrés. L'utilisation d'orientations non-polaires est une autre façon possible d'obtenir des potentiels carrés. Dans ce manuscrit, on compare des structures de multi puits quantiques GaN/Al(Ga)N dont les croissances ont été réalisées sur des substrats massifs de GaN orientés a et m. On montre que les meilleurs résultats en termes de propriétés structurales et optiques (interbandes et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. On démontre des absorptions ISB à température ambiante dans la fenêtre 1.5-5.8 µm, dont la limite haute est imposée par la seconde harmonique de la bande de Reststrahlen du GaN. Le contrôle de la relaxation des porteurs dans les technologies ISB prend d'autant plus d'importance pour l'ingénierie de ces structures qu'on en augmente les efficacités. L'existence de temps de vie ISB plus longs dans les systèmes confinés latéralement a été démontrée, motivant ainsi les recherches pour intégrer les nanofils en tant qu'élément actif dans les technologies ISB. De plus, le grand rapport de la surface au volume pour les nanofils permet la relaxation élastique des tensions dues aux différences de paramètres de mailles. Cette relaxation augmente la taille de la région active efficace et améliore sa composition, dépassant les limites des systèmes planaires ou des boîtes quantiques. Dans ce manuscrit, on décrit l'observation expérimentale d'absorption de lumière infrarouge polarisée TM attribuée à la transition intrabande s-pz dans des nanodisques GaN/AlN dopés avec du Ge et insérés dans des nanofils de GaN. On compare les résultats obtenus avec les calculs théoriques, qui prennent en compte la distribution en trois dimensions de la tension, les charges de surface et les effets des corps multiples

Ingénierie quantique de nanostructures à base de semi-conducteurs III-nitrures pour l'optoélectronique infrarouge

GaN/Al(Ga)N nanostructures have emerged during the last decade as promising materials for new intersubband (ISB) optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared (IR) spectrum. These technologies rely on electron transitions between quantum-confined states in the conduction band of nanostructures –quantum wells (QWs), quantum dots (QDs), nanowires (NWs). The large conduction band offset between III-N compounds, and their sub-ps ISB recovery times make them appealing for ultrafast telecommunication devices and for fast IR optoelectronics in the 3-5 µm band. Furthermore, the large energy of GaN LO phonon (92 meV) opens prospects for room-temperature THz quantum cascade lasers and ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs. A variety of GaN-based ISB optoelectronic devices have recently been demonstrated, including photodetectors, switches and electro-optical modulators. However, a number of issues remain open, particularly concerning the extension towards longer wavelengths and the improvement of electrically pumped devices performance. One of the main challenges to extend the GaN-ISB technology towards the far-IR comes from the polarization-induced internal electric field, which imposes an additional confinement that increases the energetic distance between the electronic levels in the QWs. In order to surmount this constraint, I propose alternative multi-layer QW designs that create a pseudo-square potential profile. The robustness of the designs in terms of variations due to growth uncertainties, and the feasibility of their integration in devices architectures requiring resonant tunneling transport are discussed. Experimental realizations by molecular-beam epitaxy displaying TM-polarized THz absorption are presented. A quantum cascade laser design incorporating pseudo-square QWs is introduced. An alternative approach to obtain square potential profiles is the use of nonpolar orientations. In this thesis, I compare GaN/Al(Ga)N multi-quantum wells grown on a and m nonpolar bulk GaN showing that the best results in terms of structural and optical (interband and ISB) performance are obtained for m-plane structures. Room-temperature ISB absorption in the range of 1.5–5.8 µm is demonstrated, the longer wavelength limit being established by the second order of the Reststrahlen band in GaN. As ISB devices are pushed towards higher efficiencies, the control of carrier relaxation becomes a key aspect for device engineering. Longer intraband lifetimes have been proven to exist in laterally confined systems, which motivates studies to incorporate NWs as active elements in ISB devices. Furthermore, the large NW surface-to-volume ratio allows misfit strain to be elastically released, extending the viable active region size and composition beyond the limits of planar systems or QDs. In this thesis, I report the experimental observation of TM-polarized IR absorption assigned to the s-pz intraband transition in Ge-doped GaN/AlN nanodisks inserted in self-assembled GaN NWs. Results are compared with theoretical calculations accounting for the 3D strain distribution, surface charges and many-body effects.STARCes dix dernières années ont vu l'essor des nanostructures GaN/Al(Ga)N en raison de leur potentiel pour le développement de technologies intersousbandes (ISB) en optoélectronique, et ce dans le spectre infrarouge complet. Ces technologies sont basées sur des transitions électroniques entre des états confinés de la bande de conduction de nanostructures, telles que les puits quantiques, les boîtes quantiques et les nanofils. Les composés III-nitrures sont prometteurs en particulier pour les domaines de la télécommunication ultra-rapide et de l'optoélectronique infrarouge rapide dans la bande 3-5 µm pour deux raisons : un large offset de bande et des temps de vie ISB inférieurs à la picoseconde. De plus, la grande énergie du phonon longitudinal optique du GaN permet d'envisager la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à température ambiante et de systèmes optoélectroniques ISB fonctionnant dans la bande 5-10 THz, interdite pour le GaAs. Récemment, plusieurs technologies optoélectroniques ISB basées sur le GaN ont été développées, comprenant des photodétecteurs, des switchs, et des modulateurs électro-optiques. Cependant, plusieurs défis restent à relever, en particulier concernant l'extension vers les grandes longueurs d'ondes et l'amélioration des performances des appareils pompés électriquement. Une des difficultés principales opposées à l'extension des technologies GaN ISB vers le lointain infrarouge résulte de la présence d'un champ électrique interne, qui ajoute un confinement supplémentaire, augmentant ainsi la distance énergétique entre les niveaux électroniques dans les puits quantiques. Pour pallier à ce problème, on propose une structure de puits quantique alternative, dont les multiples couches créent un potentiel pseudo-carré. On discute la robustesse de ce design quant aux variations causées par les incertitudes de croissance, et la possibilité de l'intégrer dans des structures nécessitant un transport électronique par effet tunnel résonnant. On décrit également les structures fabriquées par épitaxie par jets moléculaires et présentant de l'absorption de lumière polarisée TM dans la gamme THz. Enfin on propose un design de laser à cascade quantique basé sur ces puits quantiques pseudo-carrés. L'utilisation d'orientations non-polaires est une autre façon possible d'obtenir des potentiels carrés. Dans ce manuscrit, on compare des structures de multi puits quantiques GaN/Al(Ga)N dont les croissances ont été réalisées sur des substrats massifs de GaN orientés a et m. On montre que les meilleurs résultats en termes de propriétés structurales et optiques (interbandes et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. On démontre des absorptions ISB à température ambiante dans la fenêtre 1.5-5.8 µm, dont la limite haute est imposée par la seconde harmonique de la bande de Reststrahlen du GaN. Le contrôle de la relaxation des porteurs dans les technologies ISB prend d'autant plus d'importance pour l'ingénierie de ces structures qu'on en augmente les efficacités. L'existence de temps de vie ISB plus longs dans les systèmes confinés latéralement a été démontrée, motivant ainsi les recherches pour intégrer les nanofils en tant qu'élément actif dans les technologies ISB. De plus, le grand rapport de la surface au volume pour les nanofils permet la relaxation élastique des tensions dues aux différences de paramètres de mailles. Cette relaxation augmente la taille de la région active efficace et améliore sa composition, dépassant les limites des systèmes planaires ou des boîtes quantiques. Dans ce manuscrit, on décrit l'observation expérimentale d'absorption de lumière infrarouge polarisée TM attribuée à la transition intrabande s-pz dans des nanodisques GaN/AlN dopés avec du Ge et insérés dans des nanofils de GaN. On compare les résultats obtenus avec les calculs théoriques, qui prennent en compte la distribution en trois dimensions de la tension, les charges de surface et les effets des corps multiples

Development of III-nitride-based waveguides for application in all-optical integrated circuits at 1.55 [my]m

El desarrollo de una nueva tecnología todo-óptica para el procesado de datos en las futuras redes de telecomunicación está generando un gran interés desde hace una década. Esta tecnología está encaminada al total aprovechamiento del gran ancho de banda que proporciona la fibra óptica, evitando la conversión entre los dominios óptico y eléctrico necesaria en cada nodo de las redes de comunicaciones actuales. Esta nueva tecnología todo-óptica requiere de diferentes componentes ópticos que puedan ser controlados ópticamente. Estos dispositivos se obtienen a partir de distintos materiales semiconductores y se implementan de forma miniaturizada en un circuito todo-óptico integrado operando a 1.55 [my]m, mejorando de esta forma la fiabilidad del sistema y reduciendo su coste. Teniendo en cuenta que los nitruros del grupo III son materiales que han demostrado un gran potencial para aplicaciones en comunicaciones ópticas a 1.55 [my]m, el objetivo de este trabajo es el desarrollo de nuevos dispositivos todo-ópticos basados en éstos para su futura implementación en circuitos fotónicos integrados ultrarrápidos operando a longitudes de onda de telecomunicación. Durante esta Tesis se han desarrollado varios dispositivos de guía de onda basados en diferentes estructuras de nitruros del grupo III sobre substratos de zafiro y funcionando a 1.55 [my]m. En primer lugar, se han optimizado diferentes guías de onda ópticas basadas en pozos y puntos cuánticos de GaN/AlN para trabajar como absorbentes saturables a través de sus transiciones intersubbanda. Estas guías de onda podrían utilizarse en procesos de conmutación todo-óptica. En segundo lugar, se ha optimizado el crecimiento de AlN por sputtering de radiofrecuencia permitiendo su uso para la fabricación de guías de onda pasivas. El comportamiento óptico lineal de las guías de AlN por sputtering muestra su idoneidad para actuar como interconectores pasivos de bajo coste en un circuito todo-óptico integrado. Por último, se han optimizado dos tipos de guías de onda basadas en InN por sputtering para funcionar como absorbentes saturables inversos mediante procesos de absorción de dos fotones. La respuesta óptica no lineal de ambas guías abre la posibilidad de utilizar estos dispositivos para aplicaciones en limitación todo-óptica a longitudes de onda de telecomunicación

GaN- and VO 2-based nanostructures: physics and photonic applications

This thesis presents fundamental research on potential materials and concepts for active photonic elements operating in the telecom wavelength regime. It is analyzed how the characteristics of the investigated nanostructures and the implementation of the proposed concepts could be applied in photonic research or devices. The first part of the thesis is devoted to the investigation of semiconductor heterostructures. The inter-miniband (IMB) transition in superlattices made of GaN and AlN in the cubic phase is characterized in terms of its linear and ultrafast nonlinear optical properties. In particular, the central energy and energetic width of the IMB transition is analyzed, and the time-scales of the electron relaxation are examined. In the second part, photonic and plasmonic applications of nanocrystals made of the phase change material vanadium dioxide (VO 2) are studied. It is shown how the optically-induced metal-insulator phase transition (MIT) can be utilized for the creation of reconfigurable active photonic elements. Different approaches to define diffraction gratings and Fresnel zone plates are presented. VO 2 based nanocomposites and the MIT are moreover utilized for research on surface plasmon polaritons (SPPs). Novel routes for the creation of plasmonic elements that allow for an active control of the light-SPP coupling strength are demonstrated. The concepts are based on the grating-assisted light-SPP coupling and the Kretschmann configuration