title: Mid-Infrared plasmonic waveguides for chipscale heterodyne receivers
Creators: name: Gsodam, Xaver
Publisher: name: TU Wien
Year: 2023
Subjects: subject: Plasmonik
subject: Wellenleiter
subject: Plasmonics
subject: Waveguides

description: Das rasche Voranschreiten datenintensiver Technologien wird in naher Zukunft Lösungen für kabellosen Datentransfer bei hohen Übertragungsraten erfordern.Optische Freiraumkommunikation (FSO) mittleren Infrarotspektrum bietet eine solche Lösung. Diese Arbeit trägt zum Design und Optimierung eines onchipheterodynen Empfängers mit Funktionsbereich im atmosphärischen Fenster des langwelligen Infrarots (8 - 12 μm). Signalverstärker, lokaler Oszillator und Photodetektor bestehen alle aus demselben Quantenkaskaden-Material.Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt jedoch auf den Germanium-basierten plasmonischen Wellenleitern welche als Strahlvereiniger am on-chip heterodynen Empfänger fungieren, wobei die Minimierung von Verlusten von größter Wichtigkeit ist. Mit Simulationen, durchgeführt mit der Software COMSOLMultiphysics, werden zwei Wellenleiterdesigns miteinander verglichen. Das erste design, eine schmale aber hohe Geometrie (1 x 2 μm), zeigt die Fähigkeit Oberflächenplasmonen selbst bei kleinen Kurvenradien lenken zu können, jedoch bei hohen Verlusten (110 dB/mm). Im Gegensatz dazu weist das zweite design, eine breite aber flache Geometrie (6 x 0.3 μm), deutlich geringere Verluste auf (16 dB/mm), ist aber nicht in der Lage die Ausbreitungsrichtung von Oberflächenplasmonen zu ändern. Um die Vorteile der flachen Geometrie nutzen zu können werden auf dem Chip integrierte goldüberzogene Mikrospiegelstrukturen zur Umlenkung von Oberflächenplasmonen als innovative Lösung angewendet. Aus den Resultaten der Simulationen lässt sich schließen, dass das hohe Wellenleiterdesign bis zu einer Länge von 47 m die geringeren Verluste aufweist. Experimente mit hergestellten Strukturen beweisen, dass das Spiegelkonzept auch praktisch anwendbar ist. Allerdings sind die den Spiegeln zugeordneten Verluste um etwa 5 dB höher als die von den Simulationen vorhergesagten 2.2 dB. Die on-chip Charakterisierung der flachen Wellenleiter ergibt Verluste von 18.3 dB/mm und stimmt damit gut mit den Simulationen überein, während sich die derzeitige Fabrikationsmethode für die hohen Wellenleiter noch als unzuverlässig erweist. Weitere Experimente zeigen,dass im Wellenlängenbereich von 8065 - 8400 nm die Verstärkung durch den Signalverstärker bis zu 10 dB erreicht. Abschließend identifiziert die Studie wichtige Verbesserungen für das zukünftige Design der Quantenkaskadenlaser und Quantenkaskadendetektoren.
description: Rapid advancements in data-demanding technologies soon will necessitate highspeed wireless data transfer solutions. Free Space Optical (FSO) communication, operating in the mid-infrared range, offers a solution. This work contributes to the design and optimization of an on-chip heterodyne receiver operating in the long-wave infrared atmospheric window (8 - 12 μm). Signal amplifier, local oscillator, and photodetector are all based on the same quantumcascade material. The main focus of this work though lies on the Germaniumbasedplasmonic waveguides envisioned for beam combining within the onchipheterodyne receiver, where minimizing losses is paramount. Simulationsemploying COMSOL Multiphysics software compare two waveguide designs.The first design, a narrow and thick geometry (1 x 2 μm), exhibits the ability to redirect the propagating surface plasmon polariton (SPP) even within tight bend radii but incurs high losses (110 dB/mm). In contrast, the second design,a wide and thin waveguide geometry (6 x 0.3 μm), demonstrates significantly lower losses (16 dB/mm) but lacks SPP redirection capabilities. To access the profits of the low-loss geometry, an innovative solution is found by introducing Au-covered micromirror structures directly implemented on the chip to rediivrect SPPs. Simulation results conclude that the thick Ge Waveguide geometryexcels in minimizing losses for waveguide lengths up to 47 μm. Experiments with fabricated devices prove the practical applicability of the mirror concept.Though losses attributed to the mirrors are around 5 dB higher than the 2.2 dBpredicted by simulations. On-chip waveguide characterization puts the losses of the thin Ge wave guides at 18.3 dB/mm, in good agreement with simulations,while the current fabrication method proved unreliable for the thick waveguides.Furthermore, optical gain from the optical amplifier reaches up to 10 dBwithin 8065 - 8400 nm. Finally, the study identifies important improvements required for Quantum Cascade Laser and Quantum Cascade Detector design in future devices.