Samenvatting

Samenvatting
Geı̈ntegreerde optica is het onderdeel van de optische communicatietechnologie dat
zich bezighoudt met signaalverwerking in kleine componenten, en heeft als doel ruimte
en kosten te besparen. Terwijl dataoverdracht middels optische vezels algemeen in gebruik is, blijkt optische dataverwerking in geı̈ntegreerde schakelingen moeilijk wegens
de korte interactielengte tussen licht en materie.
Dit proefschrift behandelt twee thema’s die met de ontwikkeling van materialen
voor toepassingen in de optische dataverwerking te maken hebben: 1) het bevorderen
van de efficiëntie van erbium-gedoteerde optische versterkers door middel van de introductie van een tweede soort ion in het lichtgeleider materiaal, en 2) de fabricage en
optische eigenschappen van zilverkristallen met een diameter van enkele nanometers
in optische lichtgeleiders gebaseerd op glas. De laatste kunnen worden toegepast als
filters, optische schakelaars of in fotonische kristallen.
Deel I van dit proefschrift behandelt de energieoverdracht tussen de zeldzaamaardionen als een manier om de efficiëntie van met erbium gedoteerde planaire lichtversterkers te verbeteren. Erbium ionen hebben een elektronische overgang die voor de
versterking van licht met een golflengte van 1540 nm gebruikt kan worden. Hoofdstukken 2 en 3 onderzoeken een methode om de overgangswaarschijnlijkheid tussen
het tweede en eerste aangeslagen niveau van Er3+ in Y2 O3 te vergroten. Optisch
pompen met 980 nm-licht brengt de ionen in hun tweede aangeslagen niveau, terwijl
de gestimuleerde emissie plaats vindt vanaf het eerste aangeslagen niveau. In materialen met een lage fononenenergie is de overgangswaarschijnlijkheid tussen de twee
aangeslagen niveaus laag. Daardoor gaat energie verloren door stralend verval vanaf
het tweede niveau. Om de overgangswaarschijnlijkheid te verhogen wordt europium of
cerium toegevoegd. Deze zeldzame aardmetalen werken als ontvangers van de energie
tussen de twee aangeslagen toestanden van Er3+ door middel van energieoverdracht.
Energieoverdracht naar europium is efficiënter dan naar cerium, wat uit de precieze
energieniveauschema’s van deze ionen kan worden verklaard.
In de twee volgende hoofdstukken worden lichtgeleiders van Al2 O3 beschreven, die
met erbium en ytterbium gedoteerd zijn. Absorptie van 980 nm pomplicht door Yb3+
gevolgd door energieoverdracht naar Er3+ is efficiënter dan direct pompen van Er3+ .
In hoofdstuk 4 worden werkzaame doorsneden voor absorptie en emissie van Yb3+
en Er3+ in Al2 O3 bepaald. Ook wordt het rendement van energieoverdracht tussen
Er3+ en Yb3+ bestudeerd. Codoteren met Yb3+ verhoogt de luminescentie opbrengst
van Er3+ bij 1530 nm met een factor 10 . Hoofdstuk 5 gebruikt de gemeten data uit
121
122
SAMENVATTING
hoofdstuk 4 om numeriek de versterking te berekenen in een optische versterker die
gedoteerd is met erbium en ytterbium. De resultaten laten zien dat de concentratie
van Yb3+ geoptimaliseerd moet worden naar gelang de lengte van de lichtgeleider, het
beschikbaar pompvermogen, en de gewenste versterking. Doteren met Yb3+ leidt tot
grotere versterking voor korte lichtgeleiders. Maar de sterke absorptie van Yb3+ bij
de pompgolflengte beperkt de lengte van de lichtgeleider waarover versterking behaald
kan worden.
Hoofdstuk 6 beschrijft de optische eigenschappen van Er3+ in silicaatglas dat tevens
is gedoteerd met zilver. De zilverdotering vindt plaats met een ionenuitwisselingsproces zoals gebruikelijk voor het maken van optische lichtgeleiders. De aanwezigheid
van zilverionen vergroot het excitatierendement van de Er3+ ionen met een factor 70 bij een excitatiegolflengte van 488 nm. Dit verschijnsel lijkt met paren van
zilverionen/-atomen te maken te hebben.
Het onderwerp van deel II van dit proefschrift zijn kleine zilverkristallen met afmetingen van enkele nanometers in silicaatglas. Deze composietmaterialen tonen interessante optische eigenschappen: hun absorptiespectrum wordt gedomineerd door een
sterke band in het blauw, veroorzaakt door de excitatie van oppervlakteplasmonen in
de nanokristallen. Deze absorptie (die door het imaginaire deel van de brekingsindex
wordt beschreven) is gerelateerd aan een grote variatie van het reëele deel van de brekingsindex over het hele zichtbare spectrum. Hoofdstuk 7 beschrijft het formatiemechanisme van zilver nanokristallen in silicaatglas: het glas wordt met Ag+ ionen gedoteerd door middel van een Na+ ←→ Ag+ ionenuitwisseling in een gesmolten zilverzoutbad. Bestraling van het Ag+ gedoteerde glas met verschillende ionen met energiën van
enige honderden keV’s leidt tot de vorming van zilver nanokristallen met een gemiddelde diameter van 1 − 2 nm. De data laten zien dat het vormingsmechanisme gerelateerd is aan de energie die tijdens de bestraling in atoom-verplaatsingsbotsingen gedeponeerd wordt. De twee volgende hoofdstukken zijn voorbeelden van toepassingen van
glas/zilver nanokristal-composietmaterialen, gemaakt op de boven beschreven manier.
In hoofdstuk 8 wordt de complexe brekingsindex van het composietmateriaal geschat
aan de hand van reflectie- en transmissie-metingen. Optische transmissiemetingen
door lichtgeleiders, die over verschillende lengtes met zilver nanokristallen gedoteerd
zijn, laten zien dat zulke lichtgeleiders als laagdoorlaatfilters gebruikt kunnen worden.
Hun afkapgolflengte wordt door de lengte van het gebied met de zilver nanokristallen
bepaald. In hoofdstuk 9 wordt de verhoogde brekingsindex van het composietmateriaal gebruikt om een indextralie in glas te schrijven. Hiertoe wordt de ionenbestraling
voor de vorming van zilver nanokristallen uitgevoerd door een masker van colloı̈dale
silicadeeltjes die door een zelforganisatieproces een hexagonaal patroon vormden.
Lichtverstrooiingsmetingen bevestigen het bestaan van een indextralie.
De bestudering van de optische eigenschappen van op atomaire schaal gemodificeerde materialen, zoals hier gepresenteerd, geeft inzicht in de toepasbaarheid van
zulke materialen voor geı̈ntegreerde optica. Gebaseerd op deze kennis kunnen in
toekomst geı̈ntegreerde componenten met nieuwe of verbeterde functionaliteit ontwikkeld worden.