Design processing and characterization of organic devices for optical communications

The recent explosion of broadband services and the limits imposed by the Moore’s law have stimulated strong research activities towards the integrated optical chips, that are composed of a platform on which many different optical functions, typically in the C-band, are implemented. Such devices are particularly challenging because integration and compactness play fundamental roles. Among the different materials used to process the optical integrated devices, three main classes can be identified: semiconductors, glasses and organic materials. The last ones are particularly attractive because of the low cost of processing and the high integration related to the amorphous structure, resulting in not required lattice matching conditions. A common design approach in integrated optics is to optimize a particular optical function with a specific material, then to integrate it on the platform. Among the functions to be implemented, amplification and light generation are still limited with respect to the other functions such as modulation or coupling/splitting. This is due to the limits imposed by erbium for the C-band operation. Indeed, erbium is difficult to be optically excited because of the small absorption cross section, so host sensitizers such as glasses are needed to efficiently collect the outer excitation and transfer it to the erbium ions. The most famous example of erbium sensitizer scheme is provided by the Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFAs), wherein erbium ions are incorporated in glass matrices. However, EDFAs are not suitable for integrated chips since a long interaction length is required to achieve a sufficient gain level. Erbium-doped organic compounds are promising erbium sensitizers for the application to integrated chips as they exhibit attractive features such as high absorption and emission cross section, semiconducting behavior and low cost processing. The aim of this work is to provide a demonstration of the potential of Er-doped compounds for the processing of an electrically driven integrated laser amplifier for the C-band of the optical communications. The different issues involved in such a challenging device have been studied separately, emphasizing the use of low cost techniques such as solution processing for organic deposition and LED pumping for the excitation of the active compounds. The opportunity for electrical pumping has been demonstrated with the processing of a spin-coated Er-doped organic LED. The optically pumped DFB cavities have been fabricated by nano-imprinting lithography and laser interference lithography and coated by Er-doped organic compound as active layer, resulting in a narrow emission line centered at 1530 nm. Finally, the waveguide issue has been addressed by designing a channel waveguide. Planar index discontinuity has been achieved by mean of a UV photo-patterning technique, purposed for the erbium-doped compound used in this work.

La recente esplosione dei servizi a larga banda e i limiti imposti dalla legge di Moore hanno spinto la ricerca verso il concetto di chip ottico integrato, inteso come un dispositivo che implementa le principali funzioni ottiche, tipicamente nella banda C, su di un'unica piattaforma. In questi dispositivi l'integrazione e la compattezza giocano un ruolo fondamentale. Tra i diversi materiali disponibili, i composti semiconduttori organici sono particolarmente attraenti perchè a basso costo di fabbricazione e particolarmente predisposti all'integrazione per via della loro struttura amorfa. Tra le diverse funzioni da implementare in un chip ottico integrato, l'amplificazione e la generazione di luce sono ancora limitate. Questo è dovuto principalmente al fatto che l'erbio, necessario per l'emissione in banda C, ha proprietà sfavorevoli come basse sezioni d'urto di assorbimento ed emissione. Per questo motivo vengono utilizzati dei materiali host in grado di ospitare l'erbio al loro interno e di fungere da antenne, captando l'energia di eccitazione con maggiore efficienza e di trasferirla all'atomo di erbio. Un tipico esempio di questo tipo di sistema è dato dall'EDFA, in cui la matrice vetrosa delle fibra funge da host per l'erbio. Tecnologie come gli EDFA non sono però predisposte all'integrazione ottica, dal momento che fibre di circa 40 m di lunghezza sono richieste per ottenere una sufficiente amplificazione. In questo contesto i composti organici drogati con erbio, detti organolantanidi, sono promettenti per un'applicazione all'ottica integrata dal momento che possiedono proprietà interessanti come buone sezioni d'urto di assorbimento ed emissione e basso costo di lavorazione. Lo scopo di questo lavoro è di fornire una dimostrazione pratica delle potenzialità di applicazione dei composti organolantanidi per la realizzazione di un amplificatore DFB integrato in banda C a pompaggio elettrico I diversi aspetti del dispositivo sono stati studiati separatamente, utilizzando l'uso di tecniche a basso costo come il solution processing e il pompaggio ottico tramite LED per l'eccitazione dei composti attivi. La possibilità del pompaggio elettrico è stata esplorata con la realizzazione di un LED organico (OLED) realizzato tramite spin-coating. Le cavità DFB sono state fabbricate tramite litografia per nanoimprinting ed interferenza laser e depositate con organolantanidi in funzione di strato attivo, ottenendo una linea di emissione a 1530 nm. Infine, le proprietà guidanti del dispositivo sono state studiate mediante la strutturazioen della cavità come guida d'onda di canale. La discontinuità d'indice planare è stata ottenuta tramite foto-patterning UV, ottimizzato per il composto organico attivo utilizzato in questo lavoro di tesi.