Low-temperature processed thin films of second-order nonlinear optical materials for silicon nitride photonic integrated circuits

Dankzij de integratie van enorme hoeveelheden elektronische componenten op kleine chips zijn computers, smartphones en digitale huishoudtoestellen een integraal deel van ons leven. Ook voor optische toestellen is deze integratietendens gaande. De voordelen van integratie zijn talrijk: toestellen kunnen kleiner, goedkoper en energie-efficiënter gemaakt worden. Geïntegreerde optische toestellen vinden hun toepassing in bijvoorbeeld de tele- en datacomindustrie, bio- en gassensoren, beeldschermtechnologie en artificiële intelligentie. Een veelgebruikt materiaal voor het maken van geïntegreerde fotonische schakelingen is siliciumnitride. Siliciumnitride is een uitstekend materiaal voor het geleiden van licht en is compatibel met de fabricatieprocessen van de micro-elektronica, maar het is een eerder schamel materiaal wat betreft tweede-orde-niet-lineaire optische effecten. Materialen met een sterke tweede-orde-niet-lineariteit zijn nuttig voor het maken van bijvoorbeeld elektro-optische modulatoren, optische parametrische oscillatoren en kwantumlichtbronnen. Dit doctoraatsonderzoek concentreerde zich op het ontwikkelen en karakteriseren van tweede-orde-niet-lineaire materialen die met siliciumnitride fotonische schakelingen kunnen geïntegreerd worden. De materialen werden verwerkt bij lage temperaturen, hetgeen hun integratie bovenop elektronische schakelingen mogelijk maakt zonder deze te beschadigen. De bestudeerde materialen zijn ABC-type nanolaminaten, zinkoxide, zinksulfide en N-benzyl-2-methyl-4-nitroaniline. Hun tweede-orde-niet-lineariteit werd gemeten in frequentieverdubbelingsexperimenten. Ook geïntegreerde ringmodulatoren werden gerealiseerd door siliciumnitride golfgeleiders te bedekken met zinkoxide of zinksulfide dunne filmen.