This thesis deals with the use of microcavity resonators for the control of light in organic active materials. In addition to the vertical confinement provided by highly reflecting mirrors in a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), in-plane patterning facilitates additional ways to manipulate the cavity dispersion and enables the observation of novel photonic modes in highly confined systems and an improved performance of organic solid state lasers. Furthermore, organic microcavities are employed for efficient spectrally sensitive photodetection in the near infrared. In microcavities comprising two dielectric distributed Bragg reflectors sandwiching an organic active blend of the matrix molecule Alq3 and the laser dye DCM, optically pumped lasing is investigated, exhibiting a broad spectral tunability over 90 nm due to the large gain bandwith of the laser dye. To directly influence the microcavity dispersion, different interlayers are introduced into the system, facilitating a red-shift of the cavity resonance due to the formation of Tamm-plasmon-polariton states (when using plasmonic Ag interlayers) or an increase of the optical cavity thickness (when using non-absorbing layers such as SiO2). Both concepts are explored and enable strong spectral shifts on the order of 10 meV-100 meV when using interlayers of only few tens of nm in thickness. In order to enhance the optical quality of metal-organic microcavities, the growth of noble metal layers on top of organic films can be improved by the use of diffusion barriers, stopping the diffusion of metal atoms into the organics, and seed layers which provide an improved surface wetting. Both concepts in total lead to an enhancement of the quality factor of such devices by a factor of two. The manipulation of the cavity resonance using different interlayers provides the ability to structure the photon energy landscape in the device plane on the microscale. Using photolithography, photonic wires and dots are fabricated to laterally restrict the photons in potential wells, leading to the observation of discretised energy spectra in two and three dimensions. To facilitate an in-depth investigation, dispersion tomography is utilised and yields the angle resolved emission of multi-dimensionally confined photons in all directions. In metal-organic photonic dots and triangular wedges, such three-dimensional trapping is exploited to reduce parasitic modes, leading to reduced thresholds of an organic microlaser by one order of magnitude. Complex transversal modes are observed in the device emission as a result of the strong lateral confinement that is achieved by such patterning. The manipulation of the photon energy landscape can not only be utilised for enhanced confinement but also for the introduction of photonic lattices. By adding periodic stripes of either Ag or SiO2 into an organic microcavity, an optical Kronig-Penney potential is realised, directly showing the formation of photonic Bloch states in the microcavity dispersion. Utilising a modified Kronig-Penney theory, photons are assigned a polarisation-dependent effective mass, facilitating a quantitative allocation of calculated and observed modes and explaining the emergence of zero and pi-phase coupling of spatially extended supermodes. Finally, by utilising an two-beam excitation geometry, direct control over lasing from multiple discretised states can be exerted, enabling spectral and angular tunability of devices on the microscale. In an alternative concept, a full microcavity stack is deposited onto a periodic grating which couples the waveguided (WG) modes in the active cavity layer to the vertical emission. Coherent interaction between linear WG and parabolic vertical modes is indicated by anti-crossing points where the dispersion of both overlaps. In this hybrid system, novel lasing modes arise not only at the position of the VCSEL parabola apex but also at points of hybridization, showing a drastically enhanced in-plane spatial coherence of at least 50 micrometer. Finally, the concept of organic microcavities is applied towards efficient and spectrally sensitive photodetectors. Making use of the intermolecular charge transfer (CT) state in donor-acceptor blends of organic solar cells, the strong field enhancement of a microcavity is exploited to significantly increase the external quantum efficiency of the initially weak CT absorption at resonance. Consequently, near-infrared photodetection is enabled by cavity-enhanced CT state absorption, leading to devices showing competitive specific detectivities without the need of an external voltage and an EQE above 20% (18% at 950 nm) with a full width at half maximum of significantly below 50 nm. The detectors are shown to be tunable in a broad spectral range via the angular dispersion of the optical microcavity or a thickness variation of the electron and hole transport layers in the solar cell. These findings not only facilitate interesting applications but also enable the direct excitation and observation of the CT state that is integral to the working principles of organic solar cells. / Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Kontrolle über Emission und Absorption organischer aktiver Materialien mittels Mikrokavitätsresonatoren. Zusätzlich zum vertikalen Einschluss der Photonen zwischen hochreflektierenden Spiegeln in oberflächenemittierenden Mikrokavitäten (VCSEL, s.o.) werden Strukturierungen in der Bauteilebene hinzugefügt, um eine direkte Manipulation der Photonendispersion zu ermöglichen. Resultierend aus diesen Ergebnissen sind die Beobachtung neuartiger photonischer Moden sowie verbesserte Betriebseigenschaften von organischen Festkörperlasern. Desweiteren wird das Konzept der organischen Mikrokavität zur effizienten und spektral sensitiven Detektion von Nahinfrarot-Photonen angewendet. In Mikrokavitäten aus zwei dielektrischen Bragg-Spiegeln (DBR), welche eine organische aktive Schicht aus dem Matrixmaterial Alq3 und dem Laserfarbstoff DCM einschliessen, wird optisch gepumptes Lasing beobachtet. Dabei ist die Emission spektral über einen weiten Bereich von 90 nm stufenlos einstellbar, was durch die hohe optische Gewinnbandbreite des Laserfarbstoffs ermöglicht wird. Um die Dispersion von Photonen in Mikrokavitäten direkt beeinflussen zu können, werden verschiedene Zwischenschichten in den Laser eingebracht, welche eine Rotverschiebung der Emission nach sich ziehen. In metall-organischen Kavitäten kann dieser Effekt durch die Bildung von Tamm-Plasmon-Polariton Quasiteilchen erklärt werden, die durch die Interaktion der optischen Moden mit den Plasmonen in einer dünnen Silberschicht entstehen. Alternativ werden nichtabsorbierende SiO2-Zwischenschichten eingefügt, welche die optische Kavitätsdicke vergrössern und ähnliche starke Rotverschiebungen der Emission von 10 meV-100 meV nach sich ziehen. Um die optische Qualität metall-organischer Kavitäten zu verbessern, wird das Wachstum der edlen Ag-Schicht auf amorphen organischen Schichten mithilfe von Diffusionsbarrieren und Keimschichten kontrolliert. Die Kombination beider Konzepte ermöglicht eine Verbesserung des Qualitätsfaktors solcher Bauteile um den Faktor 2. Durch die Manipulation der Photonendispersion mithilfe dielektrischer und plasmonischer Zwischenschichten wird eine Strukturierung der photonischen Potentiallandschaft in der Bauteilebene auf Mikrometer-Skala ermöglicht. Mittels Photolithographie werden Photonische Drähte und Punkte hergestellt, welche das Licht auch lateral in Potentialtöpfen einschliessen und zur Beobachtung von diskretisierten Emissionspektren in zwei und drei Dimensionen führen. Um diese Untersuchungen zu erweitern, wird eine tomographische Methode entwickelt, um die winkelaufgelöste Dispersion dieser mehrdimensional eingeschlossenen Photonen in allen Richtungen aufzunehmen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung werden in metall-organischen photonischen Punkten und Dreieck-Strukturen ausgenutzt und führen dabei zu einer Verringerung der Laserschwelle von bis zu einer Grössenordnung. Die dabei entstehenden komplexen Transversalmoden sind ein Zeichen für die starke Konzentration des Lichts in solchen Strukturen. Die laterale Strukturierung organischer Mikrokavitäten kann nicht nur für den vollständigen Einschluss von Licht ausgenutzt werden, sondern ermöglicht weiterhin die Beobachtung von photonischen Bandstrukturen in periodischen Gittern. Solch periodische Strukturen bestehend entweder aus Silber oder SiO2 ermöglichen die Realisierung eines optischen Kronig-Penney Potentials in Mikrokavitäten was schlussendlich zur Beobachtung optischer Bloch-Zustände in der Dispersion führt. Durch eine Modifizierung der Kronig-Penney Theorie, bei der unter anderem den Photonen eine polarisationsabhängige effektive Masse zugewiesen wird, ist eine quantitative Berechnung der Modenpositionen in solchen Systemen möglich. In Theorie und experimentellen Untersuchungen wird dabei das Auftreten von 0- oder pi-phasengekoppelten räumlich ausgedehnten Supermoden erklärt. Mithilfe der Anregung durch zwei interferierende Laserstrahlen kann desweiteren eine direkte Kontrolle über die Wellenlänge sowie den Auskopplungswinkel der stimulierten Emission ausgeübt werden. In einem alternativen Konzept der lateralen Strukturierung werden organische Mikrokavitäten auf periodische Gitter aufgedampft, was zu einer kohärenten Kopplung von Wellenleitermoden der aktiven Schicht in die vertikale Emission führt. Diese Moden treten als lineare Dispersion in winkelaufgelösten Spektren auf und zeigen eine direkte Interaktion mit der parabolischen Dispersion der VCSEL-Mode an (Anti-)Kreuzungspunkten. In diesem hybriden System lassen sich neuartige Lasermoden beobachten, welche nicht nur am Scheitelpunkt der Kavitätsparabel auftreten, sondern auch an Punkten, die durch die Hybridisierung beider Systeme entstehen. Diese Kopplung von vertikalen und lateralen Lasermoden zeigt eine drastisch erhöhte Kohärenzlänge von mindestens 50 Mikrometern in der Probenebene. Schließlich wird das Konzept einer organischen Mikrokavität noch in absorbierenden Systemen eingesetzt. Durch das Einbringen einer organischen Solarzelle in eine optische Kavität wird eine starke Erhöhung des Felds im spektralen Bereich des sonst nur schwach absorbierenden intermolekularen Ladungstransferzustands in Donator-Akzeptor Mischschichten ermöglicht. Die Ausnutzung dieses Zustands ermöglicht eine spektral scharfe (Halbwertsbreite deutlich unter 50 nm) Detektion von Nahinfrarotphotonen mit einer externen Quanteneffizienz von über 20% (18% für 950 nm) und einer konkurrenzfähigen spezifischen Detektivität. In weiteren Untersuchungen zeigen sich diese Detektoren als spektral durchstimmbar, zum Einen durch die parabolische Dispersion der Mikrokavität, zum Anderen durch die Variation der Dicken der Elektron- und Lochtransportschichten. Diese Ergebnisse ermöglichen nicht nur interessante Anwendungen, sondern auch die direkte Beobachtung und Anregung des Ladungstransferzustandes, welcher eine zentrale Rolle in der Funktion organischer Solarzellen spielt.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet. / In the mid infrared wavelength range, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) based on the antimony alloy is a promising solution to develop and enhance numerous applications such as polluting gas sensing. A new type of mirror based on High Contrast Grating (HCG) structures has shown similar reflectivities than the Bragg mirrors which are usually used in VCSELs. However, with a polarization selectivity and a reduction in thickness of a factor of 10, HCG mirrors can advantageously replace Bragg reflectors to enhance the properties of mid infrared VCSEL structures. The work presented in this manuscript is devoted to the design of high contrast grating mirrors for a VCSEL application and takes precisely into account the technological constraints and tolerance of fabrication. In a first part, a global optimization algorithm has been combined to a numerical analysis of grating structures (RCWA) to automatically design HCG mirrors for a VCSEL application. In a second part of this work, the tolerances of the grating dimensions have been precisely studied which has lead to the development of a robust optimization algorithm. This algorithm allows to design high contrast gratings which exhibit not only a high efficiency but also large tolerance values required by the manufacturing process. Finally, in a last part, a VCSEL structure using a high contrast grating as top mirror has been designed and simulated by FDTD to validate the use of HCG presented previously in a VCSEL structure.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von auf ZnO-basierenden Heterostrukturen untersucht. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf ihrer Eignung als aktives Material in Laserdioden für den ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich. Es wurde gezeigt, dass ZnO und seine ternären Mischkristalle ZnCdO und ZnMgO erstaunlich vielfältige Anwendungen ermöglichen. Mit diesem Materialsystem lässt sich sowohl ein sehr großer Spektralbereich für Lasertätigkeit abdecken als auch eine Vielzahl von Laseranordnungen realisieren. Im Detail wurde demonstriert, dass sich die Lasertätigkeit von ZnCdO/ZnO Quantengraben-Strukturen vom violetten bis in den grünen Spektralbereich verschieben lässt. Obwohl diese Strukturen starke interne elektrische Felder aufweisen, konnte optisch gepumpte Lasertätigkeit bei Zimmertemperatur bis zu einer Wellenlänge von 510 nm gezeigt werden. Die für die Lasertätigkeit nötige optische Rückkopplung wird durch makroskopische Defekte der Probe verursacht und die Proben fungieren somit als Zufallslaser. Die Herstellung von Mikroresonatoren ermöglichte die Untersuchung des Zusammenspiels von Fabry-Perot- und Zufalls-Rückkopplung. Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse zeigen, dass der Schwellengewinn eines Zufallslasers in der Regel größer ist als der des Fabry-Perot-Lasers. Des Weiteren wurde gezeigt, dass hoch reflektierende Braggreflektoren für den ultravioletten und blau/grünen Spektralbereich aus ZnO- und ZnMgO-Schichten hergestellt werden können. Ferner wurden die teils unbekannten Brechungsindexverläufe der verwendeten ternären Materialen erarbeitet und Mikrokavitäten mit ZnO/ZnMgO Quantengraben Strukturen als aktive Schichten realisiert. An diesen Kavitäten konnte bei Temperaturen bis zu 150 K starke Kopplung zwischen Exzitonen und Photonen nachgewiesen werden. Bei Zimmertemperatur konnte vertikal-emittierende Lasertätigkeit im nahen ultravioletten Spektralbereich demonstriert werden. / In the framework of this thesis, the optical properties of ZnO-based heterostructures fabricated by molecular beam epitaxy have been investigated, particularly with regard to their suitability for semiconductor laser devices operating in the ultraviolet and visible spectral range. It turned out that ZnO and its ternary alloys ZnMgO and ZnCdO are extremely versatile. They allow to tune the laser emission in a wide spectral range as well as to realize various laser geometries. In detail, it was shown that the laser emission of ZnCdO/ZnO multiple quantum wells can cover a spectral range from violet to green wavelengths. Although these structures suffer from large built-in electric fields, room temperature laser action under optical pumping was demonstrated up to a wavelength of 510. The optical feedback for lasing is provided by growth imperfections on a macroscopic length scale turning these structures into random lasers. The fabrication of micro-resonators allowed to study the interplay between random and Fabry-Perot feedback. The experimental and theoretical analysis shows that random feedback generally requires a larger gain than under Fabry-Perot feedback. Further, this work demonstrates that ZnO- and ZnMgO-layers can be used to fabricate highly reflective distributed Bragg reflectors for applications in the ultraviolet and blue/green spectral range. The partly unknown dispersion curves of the index of refraction of the employed ternary alloys have been elaborated. This enabled the realization of all monolithic microcavities with ZnO/ZnMgO quantum wells as active zone. For temperatures below 150 K strong exciton-photon coupling is observed in such microcavities. At room temperature, vertical cavity surface emitting laser action in the near UV spectral range is demonstrated for appropriately designed microcavities.

La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l’information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d’assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s’avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l’internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l’intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l’impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d’architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique. / The ever-growing demand for high-volume fast data transmission and processing is nowadays rapidly attaining the intrinsic limit of microelectronic circuits to offer high modulation bandwidth at reasonable power dissipation. Silicon photonics is set to break the technological deadlock aiming at a functional photonics-on-CMOS integration for innovative optoelectronic systems paving the way towards next-era communication architectures. Among the others photonic building blocks such as photodiodes, optical modulators and couplers, power-efficient compact semiconductors sources in the near-infrared telecommunication bands, characterized by performing modal features as well as thermal resiliency constitute an essential landmark to be achieved. Within such context, InP-based long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) using one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals as wideband compact mirrors are proposed as next generation emitters for CMOS integration.

La presenta Tesis Doctoral encuentra su ámbito de aplicación en redes de acceso ópticas de fibra hasta el hogar o FTTH (del inglés fibre-to-the-home). Las redes FTTH han sido ampliamente desplegadas en todo el mundo y se prevé que evolucionen hasta arquitecturas de multiplexación por división en longitud de onda o WDM(dle inglés wavelength division multiplexing). Conforme los requerimientos de capacidady ancho de banda por usuario para servicios de comunicación de banda ancha se incrementan continuamente, tecnologías tales como hybrid wireless-optical, radio de banda ultra ancha o UWB(del inglés ultra-wideband), y radio de onda milimétrica se están investigando como soluciones viables para proporcionar tasas de datos excediendo Gigabit por segundo por usuario. Las redes híbridas inalámbrico-óptico pueden proporcionar backhaul más simple y se prevé que desempeñen un papel importante en redes de acceso de próxima generación que requerirán despliegue flexible, alta capacidad, habilidad de ampliación, escalable en número de usuarios y demanda, y factible económicamente. Las técnicas radio sobre fibra combinadas con sistemas inalámbricos multigigabit que proporcionen capacidades comparables a sistemas de comunicaciones de fibra óptica se ve como una solución rápidamente desplegable y efectiva en coste para proporcionar acceso transparente cableado/inalámbrico integrado a servicios de banda ancha para el usuario final. Los sistemas inalámbricos UWB y de onda milimétrica son capaces de proporcionar comunicaciones multigigabit. UWB en particular permite un uso eficiente del esprectro 3.1-10.6 GHz debido a sus características únicas de coexistencia y tiene madurez de mercado. Sin embargo, la tecnología UWB está restringida por regulación en todo el mundo. Esta restricción de regulación hace de gran interés a la radio de onda milimétrica en 60 GHz debido al aproximadamente 7 GHz de ancho de banda regulado consistentemente en todo el mundo, sin restricciones de coexistencia. / Beltrán Ramírez, M. (2012). Photonic Techniques for Next-Generation Integrated Optical Networks Based on Ultra-Wideband Radio / Técnicas Fotónicas para Redes Ópticas Integradas de Próxima Generación Basadas en Radio de Banda Ultra Ancha [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15576 / Palancia