Study of hybrid silicon/III-V photonic crystal nanolasers

At a time when computing resources, telecommunication requirements and data processing are exploding worldwide, nanophotonics has emerged in the last decade as an important tool that, together with microelectronics, provides answers to the new technological needs of our society. In particular, nanophotonics requires the development of robust and energy-efficient nanoscale light sources with advanced optical functionalities. In this project, a laser source based on a system with an active optical nanocavity made of a photonic crystal is investigated. It is evanescently coupled to silicon on insulator waveguide circuitry, forming what is called a hybrid Si/III-V photonic crystal nanolaser, which makes the most of both materials. The theoretical model for this specific nanolaser is simulated, and the system fabrication process described, followed by the experimental characterization of its emission properties, i.e. output power and emission wavelength, around the laser threshold value. The influence of geometrical parameters of the structure on the emission wavelength is proven, and the most strongly coupled configuration is measured for 350 nm of waveguide width. The fabrication is shown to be reproducible. Finally, a novel hybrid system consisting of two identical nanocavities coupled to the waveguide is presented. The preliminary work on this coupled cavity system deals with the construction of a novel nano-heating system. It exploits the thermorefractive effect to arbitrarily shift and match the emission wavelength of both cavities to take advantage of the rich physics of such a system.
En un momento en que los recursos informáticos, las necesidades de las telecomunicaciones y el procesamiento de datos están explotando en todo el mundo, la nanofotónica ha surgido en la última década como una herramienta importante que, junto con la microelectrónica, proporciona soluciones a las nuevas necesidades tecnológicas de nuestra sociedad. En particular, la nanofotónica requiere el desarrollo de fuentes de luz a nanoescala robustas y energéticamente eficientes con funcionalidades ópticas avanzadas. En este proyecto se investiga una fuente láser, basada en un sistema con una nanocavidad óptica activa hecha de un cristal fotónico. Se acopla evanescentemente a circuitos de guía de onda de silicio sobre aislador, formando lo que se llama un nanoláser híbrido de cristal fotónico III-V/Si, que aprovecha al máximo ambos materiales. Se simula el modelo teórico de este nanoláser específico y se describe el proceso de fabricación del sistema, seguido de la caracterización experimental de sus propiedades de emisión, es decir, de la potencia de salida y de la longitud de onda de emisión, alrededor del valor umbral del láser. Se confirma la influencia de los parámetros geométricos de la estructura en la longitud de onda de emisión, y la configuración más fuertemente acoplada se mide para 350 nm de ancho de guía de onda. Se demuestra que la fabricación es reproducible. Finalmente, se presenta un novedoso sistema híbrido que consta de dos nanocavidades idénticas acopladas a la guía de onda. El trabajo preliminar en este sistema de cavidad acoplada se ocupa de la construcción de un nuevo sistema, llamado nanocalefactor. Explota el efecto termorrefractivo para cambiar arbitrariamente y hacer coincidir la longitud de onda de emisión de ambas cavidades para aprovechar las ricas propiedades físicas de dicho sistema.
En un moment en què els recursos informàtics, les necessitats de les telecomunicacions i el processament de dades estan explotant a tot el món, la nanofotònica ha sorgit en l'última dècada com una eina important que, juntament amb la microelectrònica, proporciona solucions a les noves necessitats tecnològiques de la nostra societat. En particular, la nanofotònica requereix el desenvolupament de fonts de llum a nanoescala robustes i energèticament eficients amb funcionalitats òptiques avançades. En aquest projecte s'investiga una font làser, basada en un sistema amb una nanocavitat òptica activa feta de cristall fotònic. S'acobla evanescentement a circuits de guia d'ona de silici sobre aïllador, formant el que es diu un nanoláser híbrid de cristall fotònic III-V/Si, que aprofita al màxim tots dos materials. Se simula el model teòric d'aquest nanoláser específic i es descriu el procés de fabricació del sistema, seguit de la caracterització experimental de les seves propietats d'emissió, és a dir, de la potència de sortida i de la longitud d'ona d'emissió, al voltant del valor llindar del làser. Es confirma la influència dels paràmetres geomètrics de l'estructura en la longitud d'ona d'emissió, i la configuració més fortament acoblada es mesura per a 350 nm d'ample de guia d'ona. Es demostra que la fabricació és reproduïble. Finalment, es presenta un nou sistema híbrid que consta de dues nanocavitats idèntiques acoblades a la guia d'ona. El treball preliminar en aquest sistema de cavitat acoblada es tracta de la construcció d'un nou sistema, anomenat nanocalefactor. Aquest explota l'efecte termorrefractiu per a canviar arbitràriament i fer coincidir la longitud d'ona d'emissió de totes dues cavitats per tal d'aprofitar les riques propietats físiques d'aquest sistema.