Indirekte Halbleiter, wie beispielsweise Silizium, zählen bei technischen Anwendungen zu den wichtigsten halbleitenden Materialien. Die indirekte Bandstruktur führt jedoch dazu, dass diese Materialien schlechte Lichtemitter sind. Die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften dieser Materialien wurde in früheren Betrachtungen über phänomenologische Ansätze verfolgt. In dieser Arbeit wird eine mikroskopische Theorie, basierend auf den Heisenberg-Bewegungsgleichungen, entwickelt, um die Prozesse im Bereich der indirekten Energielücke zu beschreiben. Nach Herleitung der relevanten Gleichungen wird im ersten Anwendungskapitel die Absorption und optische Verstärkung im thermischen Gleichgewicht diskutiert. Bei der Diskussion wird insbesondere auf den Unterschied zu direkten Halbleitern eingegangen. Es zeigt sich, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Halbleitern fundamental von denen in direkten unterscheidet. Im Gegensatz zum direkten Halbleiter kann die maximale optische Verstärkung eines indirekten Übergangs die maximale Absorption um Größenordnungen übertreffen. Im zweiten Anwendungsteil werden Nichtgleichgewichtsphänomene diskutiert. Durch starke optische Anregung kann eine hohe Elektronenkonzentration am Gamma-Punkt erzeugt werden. Da das globale Bandstrukturminimum aber am Rand der Brillouinzone liegt, verweilen die Elektronen nicht lange dort, sondern streuen in das Leitungsbandminimum. Dieser Prozess der sogenannten Intervalley-Streuung wird im Hinblick auf Gedächtniseffekte diskutiert. Nach dem Streuprozess der Elektronen besitzt das System eine Überschussenergie, die sich in einem Aufheizen der Ladungsträger zeigt. Das zweite Nichtgleichgewichtsphänomen ist das Abkühlen des Lochsystems, welches aufgrund der Trennung der Elektronen und Löcher in indirekten Halbleiter auch im Experiment getrennt untersucht werden kann. Mithilfe eines Experiment-Theorie-Vergleichs wird ein schneller Elektron-Loch-Streuprozess nachgewiesen, der dazu führt, dass in indirekten Halbleitern das Thermalisieren und Equilibrieren der Elektronen und Löcher auf der gleichen Zeitskala stattfindet.

The widespread adoption of photonic circuits requires the economics of volume manufacturing offered by integration technology. A Complementary Metal-Oxide Semiconductor compatible silicon material platform is particularly attractive because it leverages the huge investment that has been made in silicon electronics and its high index contrast enables tight confinement of light which decreases component footprint and energy consumption. Nevertheless, there remain challenges to the development of photonic integrated circuits. Although the density of integration is advancing steady and the integration of the principal components – waveguides, optical sources and amplifiers, modulators, and photodetectors – have all been demonstrated, the integration density is low and the device library far from complete. The integration density is low primarily because of the difficulty of confining light in structures small compared to the wavelength which measured in micrometers. The device library is incomplete because of the immaturity of hybridisation on silicon of other materials required by active devices such as III-V semiconductor alloys and ferroelectric oxides and the difficulty of controlling the coupling of light between disparate material platforms. Metamaterials are nanocomposite materials which have optical properties not readily found in Nature that are defined as much by their geometry as their constituent materials. This offers the prospect of the engineering of materials to achieve integrated components with enhanced functionality. Metamaterials are a class of photonic crystals includes subwavelength grating waveguides, which have already provided breakthroughs in component performance yet require a simpler fabrication process compatible with current minimum feature size limitations. The research reported in this PhD thesis advances our understanding of the structure-property relations of key planar light circuit components and the metamaterial engineering of these properties. The analysis and simulation of components featuring structures that are only just subwavelength is complicated and consumes large computer resources especially when a three dimensional analysis of components structured over a scale larger than the wavelength is desired. This obstructs the iterative design-simulate cycle. An abstraction is required that summarises the properties of the metamaterial pertinent to the larger scale while neglecting the microscopic detail. That abstraction is known as homogenisation. It is possible to extend homogenisation from the long-wavelength limit up to the Bragg resonance (band edge). It is found that a metamaterial waveguide is accurately modeled as a continuous medium waveguide provided proper account is taken of the emergent properties of the homogenised metamaterial. A homogenised subwavelength grating waveguide structure behaves as a strongly anisotropic and spatially dispersive material with a c-axis normal to the layers of a one dimensional multi-layer structure (Kronig-Penney) or along the axis of uniformity for a two dimensional photonic crystal in three dimensional structure. Issues with boundary effects in the near Bragg resonance subwavelength are avoided either by ensuring the averaging is over an extensive path parallel to boundary or the sharp boundary is removed by graded structures. A procedure is described that enables the local homogenised index of a graded structure to be determined. These finding are confirmed by simulations and experiments on test circuits composed of Mach-Zehnder interferometers and individual components composed of regular nanostructured waveguide segments with different lengths and widths; and graded adiabatic waveguide tapers. The test chip included Lüneburg micro-lenses, which have application to Fourier optics on a chip. The measured loss of each lens is 0.72 dB. Photonic integrated circuits featuring a network of waveguides, modulators and couplers are important to applications in RF photonics, optical communications and quantum optics. Modal phase error is one of the significant limitations to the scaling of multimode interference coupler port dimension. Multimode interference couplers rely on the Talbot effect and offer the best in-class performance. Anisotropy helps reduce the Talbot length but temporal and spatial dispersion is necessary to control the modal phase error and wavelength dependence of the Talbot length. The Talbot effect in a Kronig-Penny metamaterial is analysed. It is shown that the metamaterial may be engineered to provide a close approximation to the parabolic dispersion relation required by the Talbot effect for perfect imaging. These findings are then applied to the multimode region and access waveguide tapers of a multi-slotted waveguide multimode interference coupler with slots either in the transverse direction or longitudinal direction. A novel polarisation beam splitter exploiting the anisotropy provided by a longitudinally slotted structure is demonstrated by simulation. The thesis describes the design, verification by simulation and layout of a photonic integrated circuit containing metamaterial waveguide test structures. The test and measurement of the fabricated chip and the analysis of the data is described in detail. The experimental results show good agreement with the theory, with the expected errors due to fabrication process limitations. From the Scanning Electron Microscope images and the measurements, it is clear that at the boundary of the minimum feature size limit, the error increases but still the devices can function.

[ES] La búsqueda de nuevas soluciones e ideas innovadoras en el campo de la fotónica de silicio mediante la integración de nuevos materiales con prestaciones únicas es un tema de alta actualidad entre la comunidad científica en fotónica y con un impacto potencial muy alto. Dentro de esta temática, esta tesis pretende contribuir hacia una nueva generación de dispositivos fotónicos basados en la integración de óxidos metálicos en tecnología de silicio. Los óxidos metálicos elegidos pertenecen a la familia de óxidos conductores transparentes (TCO), concretamente el óxido de indio y estaño (ITO) y el óxido de cadmio (CdO), y materiales de cambio de fase (PCM) como el dióxido de vanadio (VO2). Dichos materiales se caracterizan especialmente por una variación drástica de sus propiedades optoelectrónicas, tales como la resistividad o el índice de refracción, frente a un estímulo externo ya sea en forma de temperatura, aplicación de un campo eléctrico o excitación óptica. De esta forma, nuestro objetivo es diseñar, fabricar y demostrar experimentalmente nuevas soluciones y dispositivos clave tales como dispositivos no volátiles, desfasadores y dispositivos con no linealidad óptica. Tales dispositivos podrían encontrar potencial utilidad en diversas aplicaciones que comprenden las comunicaciones ópticas, redes neuronales, LiDAR, computación, cuántica, entre otros. Las prestaciones clave en las que se pretende dar un salto disruptivo son el tamaño y capacidad para una alta densidad de integración, el consumo de potencia, y el ancho de banda. / [CA] La recerca de noves solucions i idees innovadores al camp de la fotònica de silici mitjançant la integració de nous materials amb prestacions úniques és un tema d'alta actualitat entre la comunitat científica en fotònica i amb un impacte potencial molt alt. D'aquesta temàtica, aquesta tesi pretén contribuir cap a una nova generació de dispositius fotònics basats en la integració d'òxids metàl·lics en tecnologia de silici. Els òxids metàl·lics elegits pertanyen a la família d'òxids conductors transparents (TCO), concretament l'òxid d'indi i estany (ITO) i l'òxid de cadmi (CdO), i materials de canvi de fase (PCM) com el diòxid de vanadi (VO2). Aquests materials es caracteritzen especialment per una variació dràstica de les propietats optoelectròniques, com ara la resistivitat o l'índex de refracció, davant d'un estímul extern ja siga en forma de temperatura, aplicació d'un camp elèctric o excitació òptica. D'aquesta manera, el nostre objectiu és dissenyar, fabricar i demostrar experimentalment noves solucions i dispositius clau com ara dispositius no volàtils, desfasadors i dispositius amb no-linealitat òptica. Aquests dispositius podrien trobar potencial utilitat en diverses aplicacions que comprenen les comunicacions òptiques, xarxes neuronals, LiDAR, computació, quàntica, entre d'altres. Les prestacions clau en què es pretén fer un salt disruptiu són la grandària i la capacitat per a una alta densitat d'integració, el consum de potència i l'amplada de banda. / [EN] The search for new solutions and innovative ideas in the field of silicon photonics through the integration of new materials featuring unique optoelectronic properties is a hot topic among the photonics scientific community with a very high potential impact. Within this topic, this thesis aims to contribute to a new generation of photonic devices based on the integration of metal oxides in silicon technology. The chosen metal oxides belong to the family of transparent conducting oxides (TCOs), namely indium tin oxide (ITO) and cadmium oxide (CdO), and phase change materials (PCMs) such as vanadium dioxide (VO2). These materials are characterized by a drastic variation of their optoelectronic properties, such as resistivity or refractive index, in response to an external stimulus either in the form of temperature, application of an electric field, or optical excitation. Therefore, our objective is to design, fabricate and experimentally demonstrate new solutions and key devices such as non-volatile devices, phase shifters, and devices with optical nonlinearity. Such devices could find potential utility in several applications, including optical communications, neural networks, LiDAR, computing, and quantum. The key features in which we aim to take a leapfrog are footprint and capacity for high integration density, power consumption, and bandwidth. / This work is supported in part by grants ACIF/2018/172 funded by Generaliltat Valenciana, and FPU17/04224 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ESF Investing in your future”. / Parra Gómez, J. (2022). Toward a new generation of photonic devices based on the integration of metal oxides in silicon technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190883

[ES] La tomografía por difracción surge para mejorar las técnicas de imagen al considerar la naturaleza ondulatoria de la luz. Mientras que los primeros sistemas de imagen médica se basaban únicamente en fuentes sin difracción, este enfoque consigue mejorar la reconstrucción del índice de refracción de los objetos, lo que permite, por ejemplo, el estudio de estructuras subcelulares. Del mismo modo, la demanda de redes de telecomunicaciones cada vez más rápidas y seguras ha propiciado la aparición de la fotónica. Hace dos décadas, la combinación de estos dos campos dio lugar a los primeros sistemas de tomografía por difracción óptica (ODT), los cuáles han evolucionado rápidamente durante este siglo. En esta tesis, presentamos dos nuevas aplicaciones de la ODT. La primera está relacionada con el concepto del microscopio tomográfico de fase (TPM), una versión de la ODT que permite el estudio de células aisladas, con muchas aplicaciones biomédicas, como el diagnóstico y la prognosis del cáncer. Sin embargo, los sistemas TPM actuales son caros, pesados y complejos. Para resolver estos problemas, proponemos el concepto de TPM en chip. Con este fin, diseñamos una hoja de ruta hacia el primer dispositivo tomográfico integrado en el marco de la tecnología lab-on-a-chip (LoC), y desarrollamos los primeros pasos para ello: 1) Hasta ahora, sólo se han utilizado detectores planos para obtener los mapas de índice de refracción de los objetos estudiados en TPM, basados en la detección del campo difractado hacia delante. Sin embargo, los principios físicos fundamentales indican que medir también el campo difractado hacia detrás debería mejorar la resolución de las imágenes. Además, un detector plano no es la configuración óptima para el TPM en chip. En esta línea, hemos explorado la posibilidad de usar detectores circulares en este escenario, como una técnica más adecuada para las configuraciones en chip, demostrando al mismo tiempo que este enfoque proporciona una mejor resolución que el lineal. 2) Proponemos un esquema de TPM en chip basado en el uso de nanoantenas dieléctricas como fuente de luz y píxeles detectores ODT, y caracterizamos experimentalmente su comportamiento mediante microscopía óptica de campo cercano. En cuanto a la segunda aplicación, estudiamos el potencial de la ODT como nuevo paradigma en la detección de capas de invisibilidad realistas, una de las aplicaciones más importantes de los metamateriales. Hasta ahora, el scattering cross section (SCS) se ha utilizado como modelo de referencia para diseñar y observar la eficacia de estos dispositivos para ocultar objetos. En nuestro estudio, demostramos que la ODT puede detectar las capas de invisibilidad prácticas con una sensibilidad superior a la que ofrece el SCS, incluso a las frecuencias de trabajo óptimas. Además, es posible obtener una imagen representativa del tamaño y la forma de la capa, revelando claramente su existencia. Finalmente, se discuten las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos. Además, se detallan las futuras líneas de trabajo para abordar los retos que no se han completado en esta tesis doctoral. / [CA] La tomografia per difracció sorgeix per millorar les tècniques d'imatge anteriors en considerar la naturalesa ondulatòria de la llum. Mentre que els primers sistemes d'imatge mèdica es basaven únicament en fonts sense difracció, aquest enfocament aconsegueix millorar la reconstrucció de l'índex de refracció dels objectes, la qual cosa permet, per exemple, l'estudi d'estructures subcelulars. De la mateixa manera, la demanda de xarxes de telecomunicacions cada vegada més ràpides i segures ha propiciat l'aparició de la fotònica. Fa dues dècades, la combinació d'aquests dos camps va portar als primers sistemes de tomografia per difracció òptica (ODT), els quals han evolucionat ràpidament durant aquest segle. En aquesta tesi, presentem dues noves aplicacions de la ODT. La primera està relacionada amb el concepte del microscopi tomogràfic de fase (TPM), una versió de la ODT que permet l'estudi de cèl·lules aïllades, amb moltes aplicacions en biomedicina, com el diagnòstic i prognosi del càncer. No obstant això, els sistemes TPM actuals són cars, pesats i complexos. Per resoldre aquests problemes, proposem el concepte de TPM en xip. Per fer-ho, dissenyem un full de ruta cap al primer dispositiu tomogràfic integrat en el marc de la tecnologia lab-on-a-chip (LoC), i desenvolupem els primers passos a aquest efecte: 1) Fins ara, només s'han utilitzat detectors plans per a obtindre els mapes d'índex de refracció dels objectes estudiats en TPM, basats en la detecció del camp difractat cap avant. No obstant això, els principis físics fonamentals indiquen que mesurar també el camp difractat cap endarrere hauria de millorar la resolució de les imatges. A més, un detector pla no és la configuració òptima per al TPM en xip. En aquesta línia, hem explorat la possibilitat d'usar detectors circulars en aquest escenari, com una tècnica més adequada per a les configuracions en xip, demostrant al mateix temps que aquest enfocament proporciona una millor resolució que el lineal. 2) Proposem un esquema de TPM en xip basat en l'ús de nanoantenes dielèctriques com a font de llum i píxels detectors ODT, i caracteritzem experimentalment el seu comportament en camp pròxim mitjançant microscòpia òptica de camp pròxim. Pel que fa a la segona aplicació, estudiem el potencial de la ODT com a nou paradigma en la detecció de capes d'invisibilitat realistes, una de les aplicacions més importants dels metamaterials. Fins ara, el scattering cross section (SCS) s'ha utilitzat com a model de referència per a dissenyar i observar l'eficàcia d'aquests dispositius per a ocultar objectes. En el nostre estudi, vam demostrar que la ODT pot detectar les capes d'invisibilitat pràctiques amb una sensibilitat superior a la que ofereix el SCS, fins i tot a les freqüències de treball òptimes. A més, és possible obtindre una imatge representativa de la grandària i la forma de la capa, revelant clarament la seua existència. Finalment, es discuteixen les conclusions extretes dels resultats obtinguts i es detallen les futures línies de treball per a abordar els reptes que no s'han completat en aquesta tesi doctoral. / [EN] Diffraction Tomography arises to improve previous imaging techniques by considering the wave nature of light. Whereas the first medical imaging systems relied only on non-diffracting sources, this approach results in an enhanced reconstruction of the object's refractive index distribution, allowing, for example, the study of subcellular structures. Likewise, the demand for increasingly faster and secure telecommunication networks led to the advent of photonics. Two decades ago, the combination of these two fields gave rise to the first optical diffraction tomography (ODT) systems, which have rapidly evolved during this century. In this thesis, we present two novel applications of ODT. The first one is related to the concept of tomographic phase microscopy (TPM), a version of ODT that enables the study of isolated cells, with many applications in biomedicine, such as the diagnosis and prognosis of cancer. Nevertheless, current TPM systems are expensive, heavy, and cumbersome. To solve these issues we propose the concept of on-chip TPM. For this purpose, we design a roadmap towards the first integrated tomographic device in the frame of lab-on-a-chip (LoC) technology and develop the first steps to this end: 1) Until now, only flat detectors have been used to obtain the refractive index maps of the objects studied in TPM, based on the detection of the forward scattering. However, fundamental physical principles indicate that measuring also the backscattered field should improve the resolution of the images. Moreover, a flat detector is not the optimal configuration for on-chip TPM. In this vein, we have explored the possibility of using circular detectors in this scenario as a more suitable technique for on-chip configurations, demonstrating at the same time that this approach provides a better resolution than the linear one. 2) We propose a TPM on-chip scheme based on the use of dielectric nanoantennas as the ODT light source and detector pixels, and experimentally characterize their near-field behavior via scanning near-field optical microscopy. As for the second application, we study the potential of ODT as a new paradigm in the detection of realistic invisibility cloaks, one of the most important applications of metamaterials. Up to now, the scattering cross section (SCS) has been used as the gold standard to design and observe the effectiveness of these devices in hiding objects. In our study, we show that ODT can detect practical invisibility cloaks with a higher sensitivity than that offered by the SCS, even at the optimal working frequencies. Moreover, it is possible to obtain an image depicting the size and shape of the cloak, clearly revealing their existence. Finally, the conclusions drawn from the obtained results are discussed. In addition, future lines of action to address the challenges that have not been completed in this doctoral thesis are detailed. / Díaz Fernández, FJ. (2021). Novel Applications of Optical Diffraction Tomography: On-chip Microscopy and Detection of Invisibility Cloaks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180125 / TESIS