Plasma based 2.5D+ micro and nanostructuring for whispering gallery mode resonators

Whispering gallery mode resonatoren werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen in der Industrie und im akademischen Bereich eingesetzt. Die Arbeit mit WGM ist mit Hürden wie die Herstellung, Charakterisierung und Anregung verbunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte vorzustellen, um diese Hürden zu verringern.
Die Herstellung von photonischen Strukturen beruht auf der Mikrofabrikationstechnik, die keine Kontrolle des Seitenwandwinkels erlaubt. Die Steuerung des Seitenwandwinkels in SiO2 bei gleichzeitig sehr geringer Oberflächenrauhigkeit würde einen neuen Freiheitsgrad ermöglichen und die Leistung photonischer Strukturen verbessern. Es wird eine systematische Untersuchung vorgestellt, die den riesigen Parameterraum des Ätzprozesses mit einem ”educated guessing”-Ansatz eingrenzt, bis DoE-Ansätze realisierbar werden. Dies geschieht in mehreren Schritten. Zur Untersuchung der verbleibenden Parameter wird eine Surface-Response-Methodology angewandt. Das erstellte Modell ist validiert und stimmt gut mit den Experimenten überein und kann daher zur Optimierung verschiedener Responsevariablen wie Seitenwandwinkel, Rauheit und Ätzrate verwendet werden. Die Substrattemperatur ermöglich die Kontrolle des Seitewandwinkels von 50° bis 90°. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann in Kombination mit dem bereits vorhandenen Wissen in der Community genutzt, um die Fertigungsmöglichkeiten der Gruppe Technische Optik im Reinraum zu erweitern. Das SiO2-Verfahren ist auch für das Ätzen von Si3N4 mit hervorragenden Ergebnissen geeignet.
Diese Mikrofabrikationstechniken werden dann für die Herstellung von 2,5D+ WGMRs eingesetzt. Es wird eine neue Charakterisierungstechnik vorgeschlagen, die die emittierten Photonen für die Analyse von WGM nutzt. Dazu wird eine Einzelphotonentechnologie wie die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung verwendet, die neben klassischen Intensitätsbildern auch die Aufnahme von räumlich aufgelösten Lebenszeitbildern ermöglicht. Ein experimenteller Aufbau wird konzipiert und realisiert. Aus fluoreszierendem Material hergestellte WGMs werden mit den vorgeschlagenen Techniken angeregt und analysiert; durch die Analyse der Lebensdauern können die Q-Faktoren der WGMs bestimmt werden.
Schließlich wird ein alternativer Weg zur Einkopplung von Licht in WGM vorgeschlagen, der monolithisch integrierte DOE auf WGM verwendet. Aufgrund eines fehlenden theoretischen Rahmens werden Simulationen durchgeführt, um DOE und WGM separat zu modellieren. Die vorgeschlagenen Elemente werden mit den entwickelten Mikrofabrikationsverfahren hergestellt und mit dem neuartigen Charakterisierungsaufbau analysiert.

Whispering gallery mode resonators are used for a variety of different applications in industry and academia. The work with whispering gallery mode (WGM) presents hurdles like Fabrication, Characterization, and Excitation. This work provides new results to those challenges.
The current fabrication of photonic structures relies on the microfabrication technique, which does not allow the control of the sidewall angle over a wide range. Controlling the sidewall angle in SiO2 while achieving very low surface roughness enables a new degree of freedom and subsequently enhances photonic structure performance. This work presents a systematic investigation, which narrows the vast parameter space of the etch process with an ”educated guessing” approach until Design of Experiment (DoE) approaches become viable. This is done in multiple stages. Then a surface response methodology is applied to study the remaining parameter. The created model is validated and is in good agreement with the experiment and can thus be used to optimize different response variables like sidewall angle, roughness, and etch rate. The substrate temperature allows control over the sidewall angle from 50° to 90° . The gained insights are then combined with prior knowledge in the community to expand the fabrication capabilities in the cleanroom. Additionally, the SiO2 process is also suitable for the etching Si3N4 with excellent results. These microfabrication techniques are then deployed to fabricate 2.5D+ whispering gallery mode resonators (WGMRs).
For the characterization, a new analysis technique based on the evaluation of photons lost to the surroundings is proposed. To achieve this, single photon technology like timecorrelated single photon counting is used, which allows, besides classical intensity images the acquiring of spatially resolved lifetime images. An experimental setup is conceptualized and realized. WGMRs fabricated out of fluorescent material are excited and analyzed using the proposed characterization techniques; by analyzing the lifetimes, the Q-factors of the WGM could be determined.
Finally, an alternative way to couple light to WGM is proposed, which uses monolithically integrated diffractive optical element (DOE) on top of WGMR. Simulations are conducted to model DOE and WGM separately due to a lack of a theoretical framework. The proposed elements are fabricated using the developed microfabrication processes and analyzed using the novel characterization technique.

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