In dieser Arbeit werden planare plasmonische Schichtsysteme unter Verwendung der transparenten leitfähigen Oxide (TCOs) Zinkgalliumoxid (GZO) und Indiumzinnoxid (ITO) untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie realisiert werden. Es wird gezeigt, dass solche hochdotierten Schichten aus GZO und ITO sich wie ein Drude-Metall mit einer einstellbaren Plasmafrequenz verhalten und Oberflächenplasmon-Polaritonen (SPPs) aufweisen, die über einen breiten NIR-Spektralbereich abstimmbar sind. Die TCOs können in mehreren Schichten mit unabhängig voneinander einstellbaren Dicken und Dotierungen der einzelnen Schichten gezüchtet werden. Diese abstimmbaren Mehrschichtstrukturen ermöglichen die Realisierung plasmonischer Konfigurationen, die für eine Vielzahl komplexer hybridisierter SPP-Zustände maßgeschneidert sind. Unter anderem wird unter Ausnutzung der Photon-Plasmon-Hybridisierung ein Stopped-Light-Resonator auf Basis von ITO demonstriert. Das Mehrschichtenregime kann zu einem Übergitter aus periodisch abwechselnd dotierten und undotierten TCO-Schichten erweitert werden, das ein hyperbolisches Metamaterial (HMM) darstellt. Die Parameter dieses HMM können nach Bedarf eingestellt werden, was HMMs mit einer maßgeschneiderten Zusammensetzung ihrer einzigartigen spektralen Permittivitätsintervalle ermöglicht. Mithilfe von GZO wird ein HMM in eine planare optische Mikrokavität monolitisch eingebettet. Dieser neuartige NIR-Resonator weist eine anomale Modendispersion auf, einschließlich einem Kontinuum von Moden hoher Ordnung und einer von der Resonatorlänge unabhängigen Mode nullter Ordnung, welche Subwellenlängen-Resonanzen ermöglichen können. Es wird gezeigt, dass die Mode nullter Ordnung bei einer Kavitätslänge deutlich unterhalb ihrer Wellenlänge fortbesteht und ihre Dispersion durch den Füllfaktor des HMM steuerbar ist. Die Ergebnisse stellen somit ein neues allgemeines Konzept für die Realisierung eines Subwellenlängenresonators auf der Basis eines abstimmbaren HMM dar. / In this work, planar, layered plasmonic systems utilizing the transparent conducting oxides (TCOs) zinc gallium oxide (GZO) and indium tin oxide (ITO) facilitated by molecular beam epitaxy are investigated. It is shown that such highly doped layers of GZO and ITO prepared with behave as a Drude metal with a tunable plasma frequency and feature surface plasmon polaritons (SPPs) that are tunable over a broad NIR spectral range. TCOs can be grown in the multilayer regime with independently adjusted thicknesses and doping levels of the individual layers. These tunable multilayer structures allow for the realization of plasmonic configurations tailored to support a variety of intricate hybridized SPP states. Particularly, exploiting photon-plasmon hybridization, a stopped-light cavity is demonstrated using highly doped ITO. The multilayer regime can be extended into a superlattice of periodically alternating doped and undoped TCO layers that constitutes a hyperbolic metamaterial (HMM). The parameters of such an HMM can be set on-demand, thus allowing HMMs with a tailored composition of its unique spectral permittivity intervals. Utilizing GZO, an HMM is embedded in a planar optical microcavity monolithically. This novel type of a NIR optical resonator exhibits an anomalous resonant mode dispersion, including features like a high-order mode continuum and a cavity size independent zeroth-order mode, which can enable subwavelength resonances. It is demonstrated that the zeroth-order mode persists at cavity sizes significantly below its wavelength and its dispersion can be controlled by the fill factor of the HMM. Thus, the results propose a novel general concept for the realization of a subwavelength resonator on the basis of a tunable HMM.

[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