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Waveguide-Integrated Electrically Driven Light-Emitting Carbon Nanotubes

Pyatkov, Felix :
Waveguide-Integrated Electrically Driven Light-Emitting Carbon Nanotubes.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Waveguide-Integrated Electrically Driven Light-Emitting Carbon Nanotubes
Language: English
Abstract:

In this work proof-of-concept devices with light-emitting electrically driven carbon nanotubes (CNTs) integrated in nanophotonic environments are presented. Electroluminescent and incandescent CNTs can be envisioned as waveguide-integrated light sources for future on-chip data communication due to their unique structural, electrical and optical properties. The challenge thereby is to integrate and electrically contact solution processed CNTs across CMOS compatible waveguide structures and to enforce efficient coupling of light from the CNT into the waveguide. Various nanophotonic devices with versatile functionalities were fabricated and equipped with CNTs by means of site-selective dielectrophoresis. The realized electrically driven CNT-based light emitters integrated with nanophotonic circuits allow for efficient coupling and propagation of light in waveguides over centimeter distances. Furthermore, in scope of the thesis it was demonstrated how spectral properties of a CNT emitter can be controlled directly on a chip with passive devices using grating structures, Mach-Zehnder interferometers and directional couplers. Moreover, it was observed that in combination with a one-dimensional photonic crystal cavity CNT becomes an emitter with exceptionally narrow linewidths at desired adjustable wavelength. Finally, the usage of electrically driven CNTs as fast waveguide-integrated light emitters with Gbit/s response speed was shown. Therefore direct, near-field coupling of electrically generated CNT-emitted light into a waveguide, opposed to far-field fiber coupling of external light sources, opens new avenues for scalable nanoscale optoelectronic systems in a CMOS compatible framework.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Machbarkeitsstudie zu licht-erzeugenden, elektrisch betriebenen und in eine nanophotonische Umgebung integrierten Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) vorgestellt. CNTs weisen einzigartige strukturelle, elektrische und optische Eigenschaften auf und sind somit als Wellenleiter-integrierbare CMOS-kompatible elektrolumineszente und thermische Lichtquellen von großem Interesse für zukünftige On-Chip Datenkommunikation. Die Herausforderung besteht dabei in der gezielten Integration und der elektrischen Kontaktierung von zuvor suspendierten CNTs über die Wellenleiterstrukturen, sowie in der Gewährleistung einer effizienten Lichteinkopplung in einen optischen Wellenleiter. Eine Vielfalt von nanophotonischen Bauteilen mit diversen Funktionen wurde entwickelt und hergestellt. Dielektrophorese wurde für die skalierbare ortsselektive Integration von CNTs in optische Schaltkreise eingesetzt. CNT-basierten Lichtquellen demonstrierten eine effiziente Einkopplung und Ausbreitung von emittiertem Licht in Wellenleiter über Zentimeter-Entfernungen. Die spektralen Eigenschaften des Lichts im Wellenleiter wurden durch passive Bauteile wie Gitterkoppler, Richtkoppler sowie Mach-Zehnder Interferometer kontrolliert. Insbesondere wurde die CNT in Kombination mit einem eindimensionalen Wellenleiter-basierten Resonator zu einem besonders schmalbandigen Emitter bei einer gewünschten Wellenlänge. Darüber hinaus ließen sich die elektrisch betriebenen CNT-Lichtquellen im Gigahertz-Frequenzbereich modulieren. Somit bietet die Nahfeldkopplung des elektrisch generierten von CNTs emittierten Lichts in den Wellenleiter eine aussichtsreiche Alternative zur Faserkopplung mit externen Lichtquellen. Neue Wege für die Herstellung von skalierbaren optoelektronischen CMOS-kompatiblen Nanosystemen werden dadurch eröffnet.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Molecular Nanostructures
Date Deposited: 24 Jan 2017 11:19
Last Modified: 24 Jan 2017 11:19
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59274
Referees: Krupke, Prof. Dr. Ralph and Pernice, Prof. Dr. Wolfram H. P.
Refereed: 7 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5927
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