Le besoin d'un capteur de gaz sensible,sélectif, stable et compact s'accentue en raison des préoccupations publiques et militaires. La détection photo-acoustique, variante de la spectroscopie par diode laser accordable est une solution prometteuse. Les dispositifs actuels commercialisés et en voie de développement sont encore encombrants et inadaptés pour être transportés par une personne afin de réaliser des mesures embarqués. Cette thèse a pour objectif d'étudier et de développer un micro-résonateur en silicium à transduction capacitive pour la réalisation d'un capteur de gaz par mesure photo-acoustique. Il s'agit d'une approche originale qui n'a jamais été proposée. Elle offre des perspectives nouvelles et une solution pour disposer d'un capteur de gaz à la fois très compact, sensible, sélectif et stable. Une étude théorique des micro-résonateurs capacitifs est tout d'abord menée pour mettre en place des outils de modélisations et déterminer les paramètres clés à optimiser. Les performances sont étroitement liées aux propriétés mécaniques et à l'amortissement visqueux. Un procédé technologique sur substrat SOI divisé en deux grandes étapes est ensuite développé pour permettre de les fabriquer. Nous démontrons ensuite la faisabilité de mesures stables et reproductibles de méthane et d'éthylène à faible concentration. Nous proposons finalement une nouvelle architecture de micro-résonateur adaptée à la spectroscopie photo-acoustique et qui s'affranchira des limites qu'impose la transduction capacitive. / The need of a sensitive, selective, stable and compact gas sensor is increasing due to public and military issues. Photoacoustic detection variant of tunable diode laser spectroscopy is a promosing solution. Current devices available on the market and developing are still cumbersome and unsuitable for being transported by a person. The goal of this thesis is to study and develop silicon capacitive micro-resonator in order to achieve a gas sensor based on photoacoustic spectroscpy. This original approach has never been proposed. It offers new perspectives and a solution to have very compact, sensitive, selective and stable gas sensor. First, theoretical study of capacitive micro resonators is done in order to set up modeling tools and determine the key optimization parameters. The performances are strictly linked to mechanical properties and viscous damping. A SOI process divided into two main steps is then developed in order to produce capacitive micro-resonator. Then, we demonstrate the approach by stable and reproducible methane and ethylene detection. Finally, we propose new micro-resonator adapted to photoacoustic spectroscopy without the constraints of capacitive transduction.

Dielectric permittivity measurements provide important input to engineering and scientific disciplines due to the effects of permittivity on the interactions between electromagnetic energy and materials. A novel ring resonator design is presented for the measurement of permittivity of low dielectric constant foams. A review of dielectric material properties and currently available measurement methods is included. Measurements of expanded polystyrene are reported and compared with results from the literature; good agreement between measurements and published results is shown.

Technologien, die im wesentlichen auf quantenmechanischen Gesetzen beruhen, wie die Quanteninformationsverarbeitung und die Quantenkommunikation, sind weltweit Gegenstand enormer Forschungsanstrengungen. Sie nutzen die einzigartigen Eigenschaften einzelner Quantenteilchen, wie zum Beispiel die Verschränkung und die Superposition, um ultra-schnelle Rechner und eine absolut abhörsichere Datenübertragung mithilfe von photonischen Qubits zu realisieren. Dabei ergeben sich Herausforderungen bei der Quantenkommunikation über große Distanzen: Die Reichweite der Übertragung von Quantenzuständen ist aufgrund von Photonenverlusten in den Übertragungskanälen limitiert und wegen des No-Cloning-Theorems ist eine klassische Aufbereitung der Information nicht möglich. Dieses Problem könnte über den Einsatz von Quantenrepeatern, die in den Quantenkanal zwischen Sender und Empfäger eingebaut werden, gelöst werden. Bei der Auswahl einer geeigneten Technologieplattform für die Realisierung eines Quantenrepeaters sollten die Kriterien der Kompaktheit und Skalierbarkeit berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang spielen Halbleiterquantenpunkte eine wichtige Rolle, da sie sich nicht nur als Zwei-Niveau-Systeme ideal für die Konversion und Speicherung von Quantenzuständen sowie für die Erzeugung von fliegenden Qubits eignen, sondern auch mit den gängigen Mitteln der Halbleitertechnologie und entsprechender Skalierbarkeit realisierbar sind. Ein Schlüssel zur erfolgreichen Implementierung dieser Technologie liegt in der Zusammenführung des Quantenpunktes als Quantenspeicher mit einem Bauteil, welches einzelne Photonen einfangen und aussenden kann: ein Mikroresonator. Aufgrund der Lokalisierung von Elektron und Photon über einen längeren Zeitraum auf den gleichen Ort kann die Effizienz des Informationstransfers zwischen fliegenden und stationären Qubits deutlich gesteigert werden. Des Weiteren können Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren genutzt werden, um hocheffiziente Lichtquellen zur Erzeugung nichtklassischen Lichts für Anwendungen in der Quantenkommunikation zu realisieren. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit Halbleiterquantenpunkte mithilfe von spektroskopischen Methoden hinsichtlich ihres Anwendungspotentials in der Quantenkommunikation untersucht. Die verwendeten Quantenpunkte bestehen aus In(Ga)As eingebettet in eine GaAs-Matrix und sind als aktive Schicht in vertikal emittierende Mikroresonatoren auf Basis von dielektrischen Spiegeln integriert. Dabei werden entweder planare Strukturen verwendet, bei denen die Spiegel zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz von Photonen dienen, oder aber Mikrosäulenresonatoren, die es ermöglichen, Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren zu beobachten. Zur Untersuchung der Strukturen wurden Messplätze zur Photolumineszenz-, Resonanzfluoreszenz-,Reflexions- und Photostromspektroskopie sowie zu Photonenkorrelationsmessungen erster und zweiter Ordnung aufgebaut oder erweitert und eingesetzt. Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie an Mikrosäulenresonatoren mit sehr hohen Güten: Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Mikrosäulenresonators ist seine Güte, auch Q-Faktor genannt. Er beeinflusst nicht nur das Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung, sondern auch die Höhe der Auskoppeleffizienz eines Quantenpunkt-Mikrosäulenresonator-Systems. Vor diesem Hintergrund wird eine Analyse der Verlustmechanismen, die eine Abnahme des Q-Faktors bewirken, durchgeführt. Dazu wird die Güte von Mikrosäulenresonatoren mit Durchmessern im Bereich von 2 − 8 µm mithilfe von Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie gemessen. Aufgrund der erhöhten Absorption an nichtresonanten Quantenpunkten und freien Ladungsträgern sind die Verluste bei den Messungen in Photolumineszenzspektroskopie höher als in Reflexionsspektroskopie, wodurch die in Reflexionsspektroskopie ermittelten Q-Faktoren für alle Durchmesser größer sind. Für einen Quantenpunkt-Mikrosäulenresonator mit einem Durchmesser von 8 µm konnten Rekordgüten von 184.000 ± 8000 in Photolumineszenzspektroskopie und 268.000 ± 13.000 in Reflexionsspektroskopie ermittelt werden. Photostromspektroskopie an Quantenpunkt-Mikrosäulenresonatoren: Durch einen verbesserten Messaufbau und die Verwendung von Mikrosäulenresonatoren mit geringen Dunkelströmen konnte erstmals der Photostrom von einzelnen Quantenpunktexzitonlinien in elektrisch kontaktierten Mikroresonatoren detektiert werden. Dies war Voraussetzung, um Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Quantenpunktexziton und der Grundmode eines Mikrosäulenresonators elektrisch auszulesen. Hierzu wurden Photostromspektren in Abhängigkeit der Verstimmung zwischen Exziton und Kavitätsmode unter Anregung auf die Säulenseitenwand sowie in axialer Richtung durchgeführt. Unter seitlicher Anregung konnte der Purcell-Effekt, als Zeichen der schwachen Kopplung, über eine Abnahme der Photostromintensität des Quantenpunktes im Resonanzfall nachgewiesen werden und der entsprechende Purcell-Faktor zu Fp = 5,2 ± 0,5 bestimmt werden. Da die Transmission des Resonators bei der Anregung auf die Säulenoberseite von der Wellenlänge abhängt, ist die effektive Anregungsintensität eines exzitonischen Übergangs von der spektralen Verstimmung zwischen Exziton und Resonatormode bestimmt. Dadurch ergab sich im Gegensatz zur Anregung auf die Seitenwand des Resonators eine Zunahme des Photostroms in Resonanz. Auch in diesem Fall konnte ein Purcell-Faktor über eine Anpassung ermittelt werden, die einen Wert von Fp = 4,3 ± 1,3 ergab. Des Weiteren wird die kohärente optische Manipulation eines exzitonischen Qubits in einem Quantenpunkt-Mikrosäulenresonator gezeigt. Die kohärente Wechselwirkung des Zwei-Niveau-Systems mit den Lichtpulsen des Anregungslasers führt zu Rabi-Oszillationen in der Besetzungswahrscheinlichkeit des Quantenpunktgrundzustandes, die über dessen Photostrom ausgelesen werden können. Über eine Änderung der Polarisation des Anregungslasers wurde hier eine Variation der Kopplung zwischen dem Quantenemitter und dem elektromagnetischen Feld demonstriert. Interferenz von ununterscheidbaren Photonen aus Halbleiterquantenpunkten: Für die meisten technologischen Anwendungen in der Quantenkommunikation und speziell in einem Quantenrepeater sollten die verwendeten Quellen nicht nur einzelne sondern auch ununterscheidbare Photonen aussenden. Vor diesem Hintergrund wurden Experimente zur Interferenz von ununterscheidbaren Photonen aus Halbleiterquantenpunkten in planaren Resonatorstrukturen durchgeführt. Dazu wurde zunächst die Interferenz von Photonen aus einer Quelle demonstriert. Im Fokus der Untersuchungen stand hier der Einfluss der Anregungsbedingungen auf die Visibilität der Zwei-Photonen-Interferenz. So konnte in nichtresonanter Dauerstrichanregung ein nachselektierter Wert der Visibilität von V = 0,39 gemessen werden. Um den nicht nachselektierten Wert der Visibilität der Zwei-Photonen-Interferenz zu bestimmen, wurde die Einzelphotonenquelle gepulst angeregt. Während die Visibilität für nichtresonante Anregung in die Benetzungsschicht über ein Wiederbefüllen und zusätzliche Dephasierungsprozesse durch Ladungsträger auf einen Wert von 12% reduziert ist, konnte unter p-Schalen-Anregung in einem Hong-Ou-Mandel-Messaufbau eine hohe Visibilität von v = (69 ± 1) % erzielt werden. Außerdem wurde die Interferenz von zwei Photonen aus zwei räumlich getrennten Quantenpunkten demonstriert. Hierbei konnte eine maximale Visibilität von v = (39 ± 2)% für gleiche Emissionsenergien der beiden Einzelphotonenquellen erzielt werden. Durch die Änderung der Photonenenergie über eine Temperaturvariation eines der beiden Quantenpunkte konnten die Photonen der beiden Quellen zunehmend unterscheidbar gemacht werden. Dies äußerte sich in einer Abnahme der Interferenz-Visibilität. Um noch größere Visibilitäten der Zwei-Photonen-Interferenz zu erreichen, ist die resonante Anregung des Quantenpunktexzitons vielversprechend. Deswegen wurde ein konfokales Dunkelfeldmikroskop für Experimente zur Resonanzfluoreszenz aufgebaut und bereits Einzelphotonenemission sowie das Mollowtriplet im Resonanzfluoreszenzspektrum eines Quantenpunktexzitons nachgewiesen. / Technologies relying on the basic laws of quantum mechanics are subject to huge research interest all over the world. They use the unique properties of single quantum particles, like quantum entanglement and superposition, to allow for ultra-fast computers and absolutely secure data transfer with photonic qubits. However, there are some challenges with quantum communication over long distances. The transfer range is limited due to unavoidable photon losses in transfer channels and classic signal amplification is not possible because of the ’no-cloning-theorem’. This issue could be solved by integrating quantum repeaters into the quantum channel between the transmitter and the receiver. An appropriate technology platform for the implementation of a quantum repeater should satisfy the criteria of compactness and scalability. In this context, semiconductor quantum dots become important. As two-level-systems, quantum dots are not only suited for the conversion and storage of quantum states and the generation of flying qubits, but also offer the advantage to be realized with standard semiconductor technology and the corresponding scalability. The key to successfully implement this technology is to combine quantum dots with a device that can trap and emit photons: a microcavity. This device allows for increasing the interaction between the two-level-system and a photon by localizing both at the same place for an extended period of time. In addition, cavity quantum electrodynamics effects can be used to create highly efficient sources of non-classical light for applications in quantum communications. In this context, semiconductor quantum dots are studied in this thesis by means of spectroscopic methods with regard to their potential for applications in quantum communication. The quantum dots consist of In(Ga)As embedded in a GaAs matrix and are integrated into microcavities with distributed bragg reflectors. Here, either planar structures are used to increase the out-coupling efficiency of photons by an asymmetric cavity design or micropillars are applied to facilitate the observation of light-matter coupling in the cavity quantum electrodynamics regime. Furthermore, different experimental setups were extended or built to investigate these structures, including photoluminescence, resonance fluorescence, reflection and photocurrent spectroscopy and setups for measuring the first and second order correlation function. Reflection- and Photoluminescence Spectroscopy of Micropillar Cavities with Very Large Quality Factors One of the most important characteristics of a microresonator is its quality factor. It influences not only the regime of the light-matter interaction but also the out-coupling efficiency of a quantum dot-micropillar cavity system. In this context, an analysis of the loss channels that lead to a reduction of the quality factor is performed. For this purpose, the quality factor of micropillar cavities with different diameters in the range 2 − 8 µm are measured by reflection- and photoluminescence spectroscopy. Because of the increased absorption due to nonresonant quantum dots and free carriers, the photon losses in photoluminescence are larger than in reflection spectroscopy. Therefore, the quality factors measured in reflection spectroscopy are larger for each diameter. Record quality factors of 184,000 ± 8,000 in photoluminescence and 268,000 ± 13,000 were obtained for a quantum dot-micropillar cavity with a diameter of 8 µm. Photocurrent Spectroscopy on Quantum Dot-Micropillar Cavities: An improved experimental setup and the exploitation of micropillar cavities with reduced dark currents made it possible to observe single quantum dot exciton lines in the photocurrent signal of an electrically contacted microresonator. This was the precondition for the electrical readout of light-matter coupling effects between a single quantum emitter and the fundamental mode of a micropillar cavity. For this purpose, photocurrent spectra were taken as a function of the detuning between the exciton and the cavity mode under excitation either on the pillar sidewall or on top of the pillar. In sidewall excitation, the Purcell effect, as a clear sign of the weak coupling regime, could be observed through a reduced photocurrent signal of the quantum dot in resonance with the cavity mode and a corresponding Purcell factor of Fp = 5,2 ± 0,5. In top excitation, the transmission of the resonator is a function of the wavelength, i.e. the maximum transfer of light into the resonator occurs when the laser wavelength coincides with an optical resonance of the micropillar cavity. Therefore, the effective excitation power of the excitonic transition depends on the spectral detuning between the exciton and the cavity mode. Due to this detuning dependent excitation intensity, the photocurrent signal shows an increase at resonance, which is in contrast to the sidewall excitation scheme. Also, in this case a Purcell factor of Fp = 4,3 ± 1,3 was extracted by a fit to the experimental data. In addition, the coherent optical control of an excitonic qubit in a quantum dot micropillar cavity is demonstrated. The coherent interaction of the two-level system with the light pulses of the excitation laser leads to Rabi oscillations in the occupation probability of the quantum dot ground state, which were monitored via the photocurrent originating from the quantum dot. By changing the polarization angle of the exciting laser, a variation of the coupling between the quantum emitter and the electromagnetic field was observed. Interference of Indistinguishable Photons Emitted from Semiconductor Quantum Dots: Most technological applications in the field of quantum communication, and especially quantum repeaters, require photon sources of not only single but also indistinguishable photons. In this context, experiments on the interference of indistinguishable photons emitted from semiconductor quantum dots in planar resonator structures were performed. First, the interference of consecutively emitted photons from the same quantum dot is studied. The investigation focuses on the influence of the excitation condition on the two-photon interference visibility. In nonresonant continuous wave excitation, a postselected value of the two-photon interference visibility of V = 0,39 is measured. To obtain the non-postselected value, the excitation of the single photon source has to be pulsed. Recapturing and dephasing processes of additional charge carriers reduce the nonpostselected visibility for nonresonant excitation into the wetting layer states to a value of 12%, while for p-shell excitation, a larger visibility of v = (69 ± 1) % was achieved in a Hong-Ou-Mandel setup.Furthermore, the interference of two photons from two spatially separated quantum dots is demonstrated. Here, a maximum visibility of v = (39 ± 2)% was achieved for equal emission energies of both single photon sources. By changing the emission energy of one of the two quantum dots via a variation of its temperature, the photons emitted from each source could be made increasingly distinguishable, resulting in a decrease of the interference visibility. To obtain even larger two-photon interference visibilities, a strict resonant excitation of the quantum dot exciton is very promising. Hence, a confocal dark field microscope was built for experiments in resonance fluorescence. Single photon emission as well as the Mollow triplet were already identified in resonance fluorescence.

Ziel dieser Arbeit war die Reduktion des Modenvolumens in Mikrokavitäten. Ein klei-nes Modenvolumen ist für die Stärke der Licht-Materie-Wechselwirkung wesentlich, weil dadurch z.B. die Schwelle für kohärente Lichtemission gesenkt werden kann [1]. Der Purcell-Faktor, ein Maß für die Rate der spontanen Emission, wird durch ein mi-nimales Modenvolumen maximiert [2, 3]. Im Regime der starken Kopplung steigt mit Abnahme des Modenvolumens die Rabi-Aufspaltung und damit die maximale Tempe-ratur, bei der das entsprechende Bauteil funktioniert [4, 5]. Spektrale Eigenschaften treten deutlicher hervor und machen die Funktion der Struktur stabiler gegenüber stö-renden Einflüssen. Der erste Ansatz, das Modenvolumen einer Mikrokavität zu reduzieren, zielte darauf, die Eindringtiefe der optischen Mode in die beiden Bragg-Spiegel einer Mikrokavität zu minimieren. Diese hängt im Wesentlichen vom Kontrast der Brechungsindizes der alternierenden Schichten eines Bragg-Spiegels ab. Ein maximaler Kontrast kann durch alternierende Schichten aus Halbleiter und Luft erreicht werden. Theoretisch kann auf diese Weise das Modenvolumen in vertikaler Richtung um mehr als einen Faktor 6 im Vergleich zu einer konventionellen Galliumarsenid/Aluminiumgalliumarsenid Mikro-kavität reduziert werden. Zur Herstellung dieser Strukturen wurden die aluminiumhal-tigen Schichten einer Galliumarsenid/Aluminiumgalliumarsenid Mikrokavität voll-ständig entfernt und so der Brechungsindexkontrast maximiert. Die Schichtdicken sind dabei entsprechend anzupassen, um weiterhin die Bragg-Bedingung zu erfüllen. Die Herstellung einer freitragenden Galliumarsenid/Luft-Mikrokavität konnte so erfolg-reich demonstriert werden. Die Photolumineszenz der Bauteile weist diskrete Reso-nanzen auf, deren Ursache in der begrenzten lateralen Größe der Strukturen liegt. In leistungsabhängigen Messungen kann durch ausgeprägtes Schwellenverhalten und auf-lösungsbegrenzte spektrale Linienbreiten Laseremission nachgewiesen werden. Wegen der Abhängigkeit der photonischen Resonanz vom genauen Brechungsindex in den freitragenden Schichten eignen sich die vorgestellten Strukturen auch zur Bestimmung von Brechungsindizes. Alternativ kann die photonische Resonanz durch Einbringen verschiedener Gase in die freitragenden Schichten abgestimmt werden. Beides konnte mit Erfolg nachgewiesen werden. Der Nachteil dieses Ansatzes liegt vor allem darin, dass ein elektrischer Betrieb der so gefertigten Strukturen nicht möglich ist. Hier bie-tet der zweite Ansatz eine bestmögliche Lösung. Das alternative Konzept für den oberen Bragg-Spiegel einer konventionellen Galli-umarsenid/Aluminiumgalliumarsenid Mikrokavität ist das der Tamm-Plasmonen. Der photonische Einschluss wird hier durch einen unteren Bragg-Spiegel und einem dün-nen oberen Metallspiegel erreicht. An der Grenzfläche vom Halbleiter zum Metall bil-den sich die optischen Tamm-Plasmonen aus. Dabei kann der Metallspiegel gleichzei-tig auch als elektrischer Kontakt genutzt werden. Die Kopplung von Quantenfilm-Exzitonen an optische Tamm-Plasmonen wird in dieser Arbeit erfolgreich demons-triert. Im Regime der starken Kopplung wird mittels Stark-Effekt eine vollständige elektro-optische Verstimmung, d.h. vom Bereich positiver bis hin zur negativen Ver-stimmung, des Quantenfilm-Exzitons gegenüber der Tamm-Plasmonen Mode nachge-wiesen. Die Messungen bestätigen entsprechend des reduzierten Modenvolumens (Faktor 2) eine erhöhte Rabi-Aufspaltung. Dabei sind die spektrale Verschiebung und die Oszillatorstärke des Quantenfilm-Exzitons konsistent mit der Theorie und mit Li-teraturwerten. Der wesentliche Nachteil des Ansatzes liegt in der maximalen Güte, die durch den großen Extinktionskoeffizienten des Metallspiegels limitiert ist. / The goal of this thesis was to reduce the mode volume of microcavities. A reduced mode volume increases the strength of light matter coupling, which leads to lower lasing thresholds. The Purcell-factor, a measure for the spontaneous emission rate, is at maximum for a minimum mode volume. In the regime of strong coupling, a smaller mode volume leads to a larger Rabi splitting, which in turn increases the maximum operating temperature of a given device. Spectral features become more pronounced and the microcavity is more robust against disturbances caused by environmental fluctuations. The first approach to reduce the mode volume of a microcavity addresses the penetration depth of the optical field into the Bragg mirrors of a microcavity. It mainly depends on the refractive index contrast of the alternating layers of the Bragg mirror. The maximum contrast is realized by alternating layers consisting of semiconductor and air. Based on theoretical calculations, the mode volume can be decreased in the vertical direction by a factor of 6 compared to a conventional gallium arsenide/aluminum gallium arsenide microcavity. Therefore the aluminum containing layers of a conventional gallium arsenide/aluminum gallium arsenide microcavity are completely removed. The layer thicknesses have to be adjusted to still satisfy the Bragg condition. The successful fabrication of high quality gallium arsenide/air microcavities is demonstrated. Photoluminescence measurements reveal discrete resonances due to the finite dimensions of the structure. Power dependent measurements show a distinct threshold which indicates – combined with the resolution limited spectral linewidth – photon lasing. The dependence of the photonic resonance on the exact value of the refractive index of the Bragg mirror is used to determine the refractive index of gases channeled into the selfsupporting air layers. Alternatively, the photonic resonance of the structure can be tuned by injecting gas into the air layers. Both features could be demonstrated successfully. The structure not being suitable for electrical operation is the main disadvantage of this approach. In this case the second concept is the better solution. The alternative approach for the upper Bragg mirror of a conventional gallium arsenide/aluminum gallium arsenide microcavity exploits the Tamm-Plasmons. To achieve photonic confinement, the cavity is sandwiched between a lower Bragg mirror and a thin metal top mirror. At the semiconductor-metal interface, photonic Tamm-Plasmon states appear. Additionally, the metal mirror is used as electrical contact. The coupling of the quantum well exciton to the Tamm-Plasmon is presented. In the strong coupling regime, a complete electro-optical resonance tuning (i.e. from positive to negative tuning of the exciton resonance compared to the Tamm-Plasmon state) is demonstrated, exploiting the quantum confined Stark effect. The measurements confirm an increased Rabi splitting due to the reduced mode volume (factor of 2 reduced mode volume). Spectral shift and oscillator strength of the exciton in the electric field are consistent with theory and literature values. The most critical point of this approach lies within the limited Q-factor due to the large extinction coefficient of the top metal layer.

ABSTRAT In this thesis, we focused on the fabrication and frequency-modulation of £f/4 mode dual-band solidly mounted resonators and filters. To accomplish the Bragg reflector, the RF/DC magnetron sputtering system with dual targets is adopted to deposit alternating layers of quarter-wavelength Mo and SiO2 thin films. We tune the fabrication parameters in accordance with the AFM measurement and achieve a low roughness of 2.9nm on a nine-layer reflector. The piezoelectric layer, aluminum nitride (AlN) thin films, is deposited on the Bragg reflector by means of reactive RF magnetron sputtering. We alter the distance between substrate and target is altered to deposit AlN with various c-axis tilting angle which results in longitudinal and shear acoustic waves at the same time. Furthermore, we use mass loading effect to modulate the resonance frequency and fabricate £k- ladder type filters. In various numbers of reflector layers, the optimum frequency response is obtained with return loss of -26dB, in a SMR on a 3.5 pair reflector. To investigate the relationship between longitudinal and shear resonance in different resonance frequency, we alter the c-axis tilting angle of AlN as well as various mass loading on the SMRs. Based on the experimental results, the ratio of longitudinal to shear resonance frequency remains a constant value despite various c-axis tilting angle of AlN and mass loading on the SMRs. In addition, the electromechanical coupling coefficient, Kt2, of shear resonance raises with the increase of c-axis tilting angle of AlN. Finally,we have successfully fabricated SMRs with frequency modulataion of 3,899.68 Hz-cm2/ng and £k-ladder type filters with 26 MHz bandwidth.

Estructures ressonants en forma de biga (p.e. ponts o palanques) són molt interessants com a element transductor en sensors físics, químics i biològics basats en sistemes micro-/nanoelectromecànics (M-/NEMS) degut a la seva simplicitat, al gran rang de dominis que poden sensar, i a la seva extremada alta sensibilitat. Aquesta tesis està focalitzada en el disseny, fabricació i caracterització de CMOS-MEMS monolítics basats en bigues ressonants a escala sub-micromètrica per a la seva utilització en la detecció ultra sensible de massa amb un dispositiu portable. Els ressonadors operen en mode dinàmic on la massa es mesurada com un canvi de la seva freqüència de ressonància que és induïda electrostàticament i llegida d'una forma capacitiva mitjançant un circuit CMOS integrat monolíticament. Dues aproximacions tecnològiques diferents són considerades per tal de fabricar bigues ressonants a escala sub-micromètrica sobre xips CMOS prèviament processats, possibilitant una integració monolítica: (i) post processant els xips CMOS amb tècniques de nano fabricació per obtenir les estructures ressonants o (ii) definint els ressonadors al mateix temps que els circuits CMOS. Per les dues aproximacions, es presenten dispositius de metall i de polysilici amb sensibilitats de massa sense precedents (per a sensors CMOS monolítics) dins el rang dels atto-/zeptograms. Es presenta una comparativa dels resultats aconseguits mitjançant les dues aproximacions tecnològiques.Es dissenyen circuits de lectura CMOS d'alta sensibilitat per amplificar el corrent capacitiu amb guanys de transimpedància (utilitzant una tecnologia comercial CMOS 0.35-μm) de fins a 120 dBΩ a 10 MHz possibilitant la detecció del desplaçament del ressonador amb resolucions de fins a ~10 fm/√Hz semblants a les obtingudes pels millors sistemes de detecció òptics reportats i sense la necessitat d'un equipament complexa. Es presenta la caracterització elèctrica, a l'aire i al buit, de dispositius CMOS-MEMS fabricats que corroboren la capacitat de l'aproximació monolítica presentada per mesurar la característica freqüencial de ressonadors a escala sub-micromètrica. S'aconsegueix una transducció electrostàtica òptima i es mesuren respostes freqüencials elèctriques amb pics elevats (fins a 20 dB o més) i grans canvis de fase (fins a 160º) al voltant de la freqüència de ressonància. També es reporten mesures on s'observen efectes de softening/harderning de la constant de molla i d'histèresis produïts per les no linealitats així com la detecció del moviment Brownià intrínsec demostrant el bon matching de soroll entre el ressonador i el circuit de lectura. També es presenten els resultats de calibració, de mesures en temps real, i d'anàlisi de la resolució dels dispositius fabricats obtenint valors de fins a ~30 zg/√Hz (equivalent a ~6 pg/cm2√Hz) en condicions de buit que indiquen la millora respecte a treballs anteriors en termes de sensibilitat, resolució i procés de fabricació.Es presenta i es testeja un circuit oscil·lador Pierce CMOS adaptat per a treballar amb ressonadors de ~10 MHz i amb resistències mecàniques equivalents de fins a 100 MΩ demostrant que és factible la detecció d'attograms amb un dispositiu sensor completament portable. / Resonant beams structures are very attractive transducers for physical, chemical and biological sensors based on micro-/nanoelectromechanical systems (M-/NEMS) due to its simplicity, wide range of sensing domains, and extremely high sensitivity. This Ph.D. thesis is focused on the design, fabrication and characterization of monolithic CMOS-MEMS based on sub-micrometer scale resonant beams for its application in ultrasensitive mass detection with a portable device. The resonators operate in dynamic mode where the mass is measured as a change of its resonant frequency which is electrostatically induced and capacitive readout by means of a monolithically integrated CMOS circuitry. Two different technological approaches are considered to fabricate sub-micrometer scale resonant beams on pre-processed CMOS chips allowing a monolithic integration: (i) nano post-processing of the CMOS chip to obtain the resonant beams or (ii) definition of the resonant beams at the same time that the CMOS circuits. From both approaches, metal and polysilicon devices exhibiting unprecedented mass sensitivities (for monolithic CMOS sensors) in the atto-/zeptogram range are reported. Comparison of the results following both approaches is given.High-sensitivity readout CMOS circuits are specifically designed to amplify the capacitive current with transimpedance gains (using a commercial 0.35-μm CMOS technology) up to 120 dBΩ at 10 MHz allowing to detect the resonator displacement with resolutions up to ~10 fm/√Hz which are similar than the best reported optical readout systems without the need of a bulky setup.Electrical characterization, in air and in vacuum conditions, of fabricated CMOS-MEMS devices is presented corroborating the ability of the presented monolithic approach in measuring the frequency characteristics of sub-micrometer scale beam resonators. Optimal electrostatic transduction is achieved measuring electrical frequency responses with high peaks (up to 20 dB or more) and large phase shifts (up to 160º) around the resonance frequency. Measurements showing soft/hard-spring effect and hysteretic performance due to nonlinearities are also reported as well as the detection of intrinsic Brownian motion demonstrating the noise-matching between the resonator and the readout circuit. Results from calibration, real time mass measurements, and resolution analysis on fabricated devices obtaining values down to ~30 zg/√Hz (equivalent to ~6 pg/cm2√Hz) in vacuum conditions are also reported indicating the improvement from previous works in terms of sensitivity, resolution, and fabrication process.A specific CMOS Pierce oscillator circuit adapted to work with ~10 MHz beam resonators showing motional resistance up to 100 MΩ is presented and tested demonstrating the feasible attogram detection with a completely portable sensor device.

SOI-based micro-ring resonators can be ultra-compact and highly sensitive for sensing applications. In order to obtain deeper notches and enlarge the detection area, the concentric double-ring resonators have been proposed. To further increase the sensing area and promote the sensing sensitivity, we add one more inner ring into the double-ring structure to form the triple-ring resonator. In this thesis, we have derived the transfer functions of the multi-ring structures and calculated the resonance properties of the triple-ring resonators by using the 3-D FDTD method. We have investigated the effects of the ring radius on the transmission spectra and discussed the variations of spectral response between the double-ring and triple-ring resonators. We also demonstrate the applications of the triple-ring resonator as the refractive index sensors. The triple-ring resonator can obtain deeper dips and higher detection sensitivity of 12.85 nm/RIU. Enlarging the gap can increase the sensing area and is shown to be able to promote the sensing sensitivity. Besides, the influences of the light polarization and the optical absorption on the spectral responses have been discussed as well.

A procedure is introduced for increasing the sensitivity of measurements in integrated ring resonators beyond what has been previously accomplished. This is demonstrated by a high-frequency, phase sensitive lock to the ring resonators. A prototyped fiber Fabry-Perot cavity is used for comparison of the method to a similar cavity. The Pound-Drever-Hall (PDH) method is used as a proven, ultra-sensitive method with the exploration of a much higher frequency modulation than has been previously discussed to overcome comparatively low finesse of the ring resonator cavities. The high frequency facilitates the use of the same modulation signal to separately probe the phase information of different integrated ring resonators with quality factors of 8.2 x10^5 and 2.4 x10^5. The large free spectral range of small cavities and low finesse provides a challenge to sensing and locking the long-term stability of diode lasers due to small dynamic range and signal-to-noise ratios. These can be accommodated for by a calculated increase in modulation frequency using the PDH approach. Further, cavity design parameters will be shown to have a significant affect on the resolution of the phase-sensing approach. A distributed feedback laser is locked to a ring resonator to demonstrate the present sensitivity which can then be discussed in comparison to other fiber and integrated sensors. The relationship of the signal-to-noise ratio (S/N) and frequency range to the cavity error signal will be explored with an algorithm to optimize this relationship. The free spectral range and the cavity transfer function coefficients provide input parameters to this relationship to determine the optimum S/N and frequency range of the respective cavities used for locking and sensing. The purpose is to show how future contributions to the measurements and experiments of micro-cavities, specifically ring resonators, is well-served by the PDH method with high-frequency modulation.

This paper presents design and fabrication of ring cavity semiconductor lasers and optical filters with simple fabrication process. A 1.55

In this thesis, we use InP based multiple quantum well epi-wafer with modulation doping in the active layer to design the semiconductor optical amplifier and ring laser for the optical communication at 1.55£gm wavelength. We also finish the mask design and fabrication of theses two devices. Besides, we have established an optical measurement system, including the L-I measurement, the optical spectrum measurement and the far field measurement, to test the device parameters. In the device process, we use the new method, called the Multi-Step Undercutting, to precisely control the undercut in the wet etching process. With this technique, we can get a smooth and vertical sidewall for our devices. For the semiconductor optical amplifier, we design two different types, one is the Fabry-Perot Amplifier and the other is the Traveling Wave Amplifier. We use the Multi-Step Undercutting process in the fabrication of these two devices. The main parameters for semiconductor optical amplifier are the change of the output power versus the input current, the spontaneous emission spectrum and the photocurrent spectrum. For the ring laser, we combine the concept of Loop Mirror and Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer to obtain the laser with good side mode suppression for a single wavelength light source.