Albert Birner

Optische Wellenleiter und Mikroresonatoren in zweidimensionalen Photonischen Kristallen aus Makroporösem Silizium

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 31.01.2000

Abstract
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von gitterperiodischen Strukturen aus makroporösem Silizium und deren Untersuchung hinsichtlich ihrer Eigenschaften als Photonische Kristalle. Dazu wurde ein beleuchtungsgesteuertes, elektrochemisches Verfahren verwendet, um gitterperiodisch angeordnete Porenkanäle mit Porendurchmessern um 1,0 µm und Porenlängen um 100 µm an photolithographisch vordefinierten Stellen in n-Typ Siliziumsubstraten zu erzeugen. Durch ein Mikrostrukturierungsverfahren konnten Stege aus diesem großflächigen Porengitter herauspräpariert werden, so daß transmissionsspektroskopische Untersuchungen in der Ebene der Gitterperiodizität durchgeführt werden konnten. Mittels Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie wurde polarisationsaufgelöst die Abhängigkeit der photonischen Bandlücke vom Verhältnis des Porenradius r zur Gitterkonstante a der Kristalle untersucht. Für r/a-Werte zwischen 0,4 und 0,488 fand sich eine zweidimensional vollständige photonische Bandlücke mit einer maximalen Ausdehnung bei r/a=0,48, in guter Übereinstimmung mit dem theoretischen Maximum bei r/a=0,478. Bei diesem Wert erstreckt sich die photonische Bandlücke von 2,99 µm bis 3,55 µm Wellenlänge. Die relative Breite der Bandlücke, definiert als Quotient aus ihrer Breite und ihrer Mittenfrequenz, ergab sich zu 17%. In den Transmissionsmessungen wurden an den Bandkanten Signalüberhöhungen gefunden, die durch Betrachtung nach einem Modell von Fabry-Perot-Resonanzen erklärt werden konnten. Mittels eines Differenzfrequenz-Lasersystems konnte die Intensitätsabschwächung photonischer Kristalle für Wellenlängen innerhalb der Bandlücke auf bis zu 10 dB/Porenreihe bestimmt werden. Mit diesem System wurden in einem linearen Wellenleiter, welcher in einen photonischen Kristall durch eine photolithographische Methode integriert worden war, Frequenzbereiche mit einmodiger und multimodiger Ausbreitung innerhalb der Bandlücke des umgebenden Kristalls nachgewiesen. Die Transmission eines auf dieselbe Weise erzeugten Mikroresonators, bestehend aus einer einzelnen, fehlenden Pore im Kristallgitter, konnte mit Hilfe eines Optisch-Parametrischen-Oszillators mit einer Güte von 18 gemessen werden. Die Anforderungen an das hier untersuchte System bzgl. Funktionalität im Nahen Infrarot werden diskutiert.

This thesis is about the fabrication and characterization of macroporous silicon based photonic crystals. A light-controlled electrochemical process was used to create macropores of diameters about 1.0 µm and pore lengths of 100 µm in n-type silicon substrates. By a seeding-process, based on photolithography and subsequent alkaline etching, the pore arrangement became regular to form a two-dimensional photonic crystal. To perform transmission spectroscopy perpendicular to the pore axes, a microstructuring method was used to isolate bars of photonic crystal from the large substrate. The position of the photonic band gap was investigated by fourier-transform-infrared spectrocopy depending on light polarization and air filling ratio of the samples, defined as pore radius r over lattice constant a. In good agreement with theoretical calculations, a complete, two-dimensional photonic band gap was found at r/a values inbetween 0.4 and 0.488. The maximum with of the band gap, ranging from 2.99 µm to 3.55 µm wavelength, was found at r/a=0.48 (theory: 0.478). The maximum relative width, which is defined as frequency width over center frequency, was 17%. Transmission peaks for frequencies at the band edges could be explained based on a model of Fabry-Perot-resonances. With the help of a difference-frequency-generation laser setup the attenuation of a transmission signal for frequencies within the photonic band gap was determined 10 dB/pore row. In a waveguide structure integrated in the crystal by photolithography frequency intervals within the band gap exhibiting single-mode and multi-mode propagation were investigated. The transmission signal of an integrated microcavity structure was measured with an optical-parametric oscillator. The quality factor of the resonance peak was 18. Requirements for macroporous silicon based photonic crystals for the near infrared spectral range are discussed.

Keywords:
Photonischer Kristall, Makroporöses Silizium, Elektrochemie, Photonische Bandlücke, Wellenleiter, Mikroresonator, vollständige Bandlücke, einmodig, Resonanz, Infrarot

photonic crystal, macroporous silicon, electrochemistry, photonic band gap, waveguide, microcavity, complete band gap, single mode, resonance,infrared

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis (ii-v)
1. Einleitung (1-2)
2. Allgemeine Grundlagen (3-34)
3. Herstellung 2D Photonischer Kristalle (35-42)
4. Probenpräparation, Untersuchungsmethoden (43-48)
5. IR-optische Messungen an defektfreien Kristallen (49-72)
6. Wellenleiter in Photonischen Kristallen (73-84)
7. Mikrokavitäten in 2D Photonischen Kristallen (85-94)
8. Zusammenfassung (95-97)
Anhang (98-102)
Literaturverzeichnis, Vorträge, Patentanmeldung (103-109)