Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Thick-microstructures for MPGDs: simulations and experimental studies

Cherenkov Imaging counters require large photosensitive areas, capable of single photon detection, operating at stable high gains under radioactive backgrounds while standing high rates, providing a fast response and a good time resolution, and being insensitive to magnetic fields. The development of photon detectors based in Micro Pattern Gaseous detectors (MPGDs), represent a new generation of gaseous photon detectors. In particular, gaseous detectors based on stacked Thick-Gaseous Electron Multipliers (THGEMs), or THGEM based structures, coupled to a CsI photoconverter coating, seem to fulfil the requirements imposed by Cherenkov imaging counters. This work focus on the study of the THGEM-based detectors response as function of its geometrical parameters and applied voltages and electric fields, aiming a future upgrade of the Cherenkov Imaging counter RICH-1 of the COMPASS experiment at CERN SPS. Further studies to decrease the fraction of ions that reach the photocathode (Ion Back Flow – IBF) to minimize the ageing and maximize the photoelectron extraction are performed. Experimental studies are complemented with simulation results, also perfomed in this work.

Crecimiento y caracterización de Nitruro de Indio por epitaxia de haces moleculares para aplicaciones en el infrarrojo cercano

Los nitruros del grupo III (InN, GaN y AlN) se han asentado como semiconductores importantes para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos gracias al amplio rango de la banda prohibida ("bandgap") de estos materiales (0.7-6.2 eV) y a que dicho bandgap sea directo. Asimismo, el marcado carácter iónico de los enlaces en estos materiales les confiere una gran estabilidad química y térmica, haciéndoles así buenos candidatos para trabajar en entornos agresivos. La técnica de crecimiento epitaxial más extendida para los nitruros del grupo III es la epitaxia en fase vapor mediante precursores metalorgánicos (MOVPE) y mediante ésta se han obtenido dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia como los comercializados por Nichia, Sony y Toshiba entre otros. Esta técnica necesita de alta temperatura para la pirólisis de los gases reactivos, lo que a su vez incrementa la calidad cristalina de los materiales obtenidos. Sin embargo, tiene como inconvenientes la existencia de niveles altos de carbono, hidrógeno y otros compuestos orgánicos, procedentes de los precursores, que puede provocar efectos negativos de pasivación sobre los dopantes. Otra técnica de crecimiento utilizada para la obtención de nitruros del grupo III es por medio de epitaxia de haces moleculares (MBE) la cual presenta algunas ventajas sobre el MOVPE, por ejemplo: (i) el entorno de ultra alto vacío requerido (presiones base del orden de 10-11 Torr) minimiza la concentración de impurezas incorporadas al material, (ii) la pureza de los materiales empleados en las fuentes de efusión siempre superan el 99,9999%, (iii) la posibilidad de interrumpir el flujo de cualquiera de los elementos (Ga, In, Al, Si, Mg, etc.) de una manera abrupta (mediante el uso de obturadores mecánicos) dando lugar a intercaras planas a nivel atómico, y (iv) la posibilidad de reducir la velocidad de crecimiento (1 nm/min) permitiendo un control preciso del espesor crecido, y por tanto, fabricar estructuras semiconductoras complejas como las basadas en pozos cuánticos. Desde 1986 hasta la actualidad se ha mejorado mucho la calidad cristalina de las capas de InN, obteniéndose actualmente mediante estas técnicas de crecimiento, capas de InN con un valor de bandgap en torno 0.7 eV. Gracias a los numerosos trabajos presentados sobre las propiedades ópticas de este material, el intervalo de operación de los nitruros del grupo III dentro del espectro electromagnético se ha extendido hasta el infrarrojo cercano. Este hecho ha despertado un gran interés en nuevas aplicaciones, como en el campo fotovoltáico con la fabricación de células solares de multi-unión de alta eficiencia cubriendo todo el espectro solar. Se ha detectado también en este material una importante acumulación de carga eléctrica en la superficie, del orden de 1013 e-cm-2. Esta cantidad de electrones parecen acumularse en una capa de unos 4 a 6 nanómetros, incrementando la conductividad de las capas de InN. Si bien esta alta carga superficial podría utilizarse para la fabricación de sensores, ésta no es la única característica que apoya el uso del InN para la fabricación de este tipo de dispositivos. El principal objetivo de esta tesis es el estudio y optimización del crecimiento mediante la técnica de MBE de capas de nitruro de indio para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. La optimización conlleva el control de la morfología y el estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de las capas crecidas. Este objetivo principal se puede concretar en varios puntos relacionados con (i) el crecimiento de capas de nitruro de indio (InN) y sus aleaciones con galio (InGaN) y aluminio (AlInN), (ii) la caracterización de dichas capas, y (iii) el diseño, crecimiento y caracterización de heteroestructuras para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. El crecimiento de capas de InN utilizando diferentes sustratos se ve afectado fundamentalmente por la temperatura de crecimiento pudiéndose afirmar que es el parámetro más crítico. El otro parámetro importante que gobierna la morfología y la calidad cristalina de las capas es la razón III/V que ha de ser precisamente controlado. Con razones III/V<<1 y a una temperatura lo suficientemente baja, se obtiene un material formado por nanocristales columnares de muy alta calidad, libres de defectos extendidos y completamente relajados, con una emisión muy intensa. Para la misma temperatura que en el caso anterior y razones III/V ligeramente por encima de estequiometría (III/V > 1), las capas obtenidas presentan una morfología compacta. Aunque también es posible obtener capas compactas en condiciones nominalmente ricas en nitrógeno (III/V <1) a temperaturas superiores.

Propiedades ópticas y estructurales de nanoestructuras de Zn(Cd)(Mg)O

En la presente tesis doctoral se ha realizado un estudio utilizando diferentes técnicas de crecimiento (RPE-MOCVD y spray pyrolysis) y estructuras (nanohilos, pozos y puntos cuánticos y capas) con el objetivo de desarrollar dispositivos que cubran desde el rango visible hasta el ultravioleta. Es por esta razón por la que se han elegido materiales basados en ZnO, debido a la posibilidades que estos ofrecen para variar su bandgap en un amplio rango de energías. Prueba de ello es que en este estudio se ha conseguido cubrir un rango espectral desde 1.86 hasta 4.11 eV, estudiandose además fenómenos físicos como son la difusión e incorporaci ón de la aleación o la adsorción de gases en la super_cie, lo que ha permitido la fabricación de diferentes fotodetectores de gran sensibilidad. Por todo ello, los resultados obtenidos en esta tesis suponen una gran contribución al conocimiento de las propiedades físicas de las aleaciones de Zn(Cd)O y Zn(Mg)O para potenciales aplicaciónes en dispositivos que operen en el rango visible y ultravioleta del espectro, respectivamente. En esta memoria se da en primer lugar una visión de las propiedades de materiales basados en ZnO, entrando en detalle en una de las ventajas que este presenta, la facilidad que tiene este material para formar nanoestructuras. En el capítulo 3 se dan los conceptos teóricos necesarios para comprender las propiedades ópticas de este tipo de materiales, mostrando también los resultados más reseñables obtenidos en ZnO. En los capítulos referentes a los resultados se pueden diferenciar dos grandes bloques. En el primer bloque de resultados se han analizado nanohilos y pozos cuánticos de Zn(Cd)O crecidos por la técnica de RPE-MOCVD (Capítulos 4 y 5). En el segundo se expondrá el estudio realizado sobre capas y puntos cuánticos de Zn(Mg)O crecidos por la técnica spray pyrolysis como se describe en mayor detalle a continuación. Nanohilos y pozos cuánticos de Zn(Cd)O crecidos por RPE-MOCVD Teóricamente aleando el ZnO con CdO es posible disminuir el valor del band- gap desde 3.37 eV hasta 0.95 eV, cubriendo por completo el espectro visible. El desarrollo del ternario Zn(Cd)O permitiría la fabricación de heteroestructuras y pozos cuánticos, muy importantes en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos que cubran la parte visible del espectro. Sin embargo, la diferencia de estructura cristalina entre estos dos materiales junto a la baja solubilidad del Cd y su alta presión de vapor, di_culta la obtención de material de alta calidad cristalina con alto contenido en Cd. En esta tesis doctoral se ha realizado una completa caracterización óptica y estructural de nanohilos de Zn(Cd)O credidos por la técnica de RPE-MOCVD. Estos nanohilos tinene unas longitudes comprendidas entre 1 y 3 _m y diámetros entre 100 y 200 nm. La concentración máxima introducida de Cd en estas estructuras ha sido de hasta un 54% manteniendo la estructura wurtzita del ZnO, siendo este el mayor contenido de Cd introducido hasta la fecha en nanostructuras basada en ZnO. Este hecho se traduce en una variación de la energía de emisión entre 3.31 y 1.86 eV con el aumento en Cd. El uso de diferentes técnicas de alta resoluci ón de caracterización estructural ha permitido demostrar la presencia de una sola fase estructural wurtzita sin observarse ningún indicio de separación de fases ni acumulación de Cd a lo largo del nanohilo para todos los contenidos de Cd. Con el propósito de fabricar dispositivos en nanohilos individuales, parte de esta tesis doctoral ha estado dedicada a estudiar el impacto que el recocido térmico tiene en las propiedades ópticas y eléctricas de nanohilos de Zn(Cd)O. El recocido térmico es un proceso clave en la optimización de dispositivos, ya sea para la obtenci ón de contactos óhmicos, reducción de defectos o difusión de dopantes por ejemplo. En este estudio se ha observado una mejora muy signi_cativa de las propiedades de emisión de los nanohilos cuando estos eran recocidos a temperaturas mayores que la de crecimiento (300 oC). En las muestras con Cd se ha observado además que el recocido también produce un desplazamiento de la emisión hacia mayores energías debido a una reducción homogénea del contenido de Cd. Medidas de fotoluminiscencia con resolución temporal muestran el impacto que tiene la localización del excitón en las _uctuaciones de potencial, debidas a una distribución estadística del Cd, en la dinámica de los portadores. Comparando el tiempo de vida de los portadores entre los nanohilos recocidos y sin recocer se ha observado un aumento de este parámetro en las estructuras recocidas. Este aumento es fundamentalmente debido a una reducción de centros de recombinación no radiativa asociados a defectos presentes a lo largo del nanohilo. Además, se ha estudiado la evolución de los tiempos de vida de los portadores en función de la temperatura, registrándose una menor estabilidad con la temperatura de los tiempos de vida en las muestras recocidas. Este resultado sugiere que el recocido térmico consigue reducir parte del desorden de la aleación en la estructura. Tras haber caracterizados los nanohilos se desarrollaron una serie de procesa dos para la fabricación de dispositivos basados en nanohilos individuales. Se fabricaron en concreto fotodetectores sensibles al UV, en los que se observó también la alta sensibilidad que muestran a la adsorción de gases en la super_cie, incrementada por la gran relación super_cie/volúmen característica de las nanoestructuras. Estos procesos de adsorción observados tienen un impacto directo sobre las propiedades ópticas y electricas de los dispositivos como se ha demostrado. Por ello que en esta tesis se hayan estudiado en detalle este tipo de procesos, ideando maneras para tener un mayor control sobre ellos. Finalmente se crecieron estructuras de pozos cuántico de ZnCdO/ZnO en nanohilos con contenidos de Cd nominales de 54 %. Las medidas ópticas realizadas mostraron como al aumentar la anchura del pozo de 0.7 a 10 nm, la emisión relacionada con el pozo se desplazaba entre 3.30 y 1.97 eV. Este gran desplazamiento representa el mayor obtenido hasta la fecha en pozos cuánticos de ZnCdO/ZnO. Sin embargo, al caracterizar estructuralmente estas muestras se observó la presencia de procesos de difusión de Cd entre el pozo y la barrera. Como se ha podido medir, este tipo de procesos reducen sustancialmente la concentración de Cd en el pozo al difundirse parte a la barrera. cambiando completamente la estructura de bandas nominal de estas estructuras. Este estudio demuestra la importancia del impacto de los procesos de difusión en la interpretación de los efectos de con_namiento cuántico para este tipo de estructuras. Capas y puntos cuánticos de Zn(Mg)O crecidos por spray pyrolysis La técnica de spray pyrolysis, debido a su simplicidad, bajo coste y capacidad de crecer sobre grandes áreas conservando una alta calidad cristalina presenta un gran interés en la comunidad cientí_ca para el potencial desarrollo de dispositivos comerciales. En esta tesis se ha estudiado las propiedades ópticas y eléctricas de capas y puntos cuánticos de Zn(Mg)O crecidos por esta técnica. Al contrario que pasa con el Cd, al introducir Mg en la estructura wurtzita de ZnO se consigue aumentar el bandgap del semiconductor. Sin embargo, al igual que pasa con el CdO, la diferencia de estructura cristalina entre el ZnO y el MgO limita la cantidad de Mg que se puede incorporar, haciendo que para una cierta concentración de Mg aparezcan el fenómeno de separación de fases. En esta tesis se ha conseguido incorporar hasta un contenido de Mg del 35% en la estructura wurtzita del ZnO utilizando la técnica de spray pyrolysis, resultado que representa la mayor concentración de Mg publicada hasta la fecha. Este hecho ha posibilitado variar la energía del borde de absorción desde 3.30 a 4.11 eV. En estas capas se ha realizado una completa caracterización óptica observándose una diferencia entre las energías del borde de absorción y del máximo de emisión creciente con el contenido en Mg. Esta diferencia, conocida como desplazamiento de Stokes, es debida en parte a la presencia de _uctuaciones de potencial producidas por un desorden estadístico de la aleación. Se han fabricado fotodetectores MSM de alta calidad utilizando las capas de Zn(Mg)O previamente caracterizadas, observándose un desplazamiento del borde de absorción con el aumento en Mg desde 3.32 a 4.02 eV. Estos dispositivos muestran altos valores de responsividad (10-103 A/W) y altos contrastes entre la responsividad bajo iluminación y oscuridad (10-107). Estos resultados son en parte debidos a la presencia de mecanismos de ganancia y una reducción de la corriente de oscuridad en las muestras con alto contenido de Mg. Utilizando esta misma técnica de crecimiento se han crecido puntos de Zn(Mg)O con concentraciones nominales de Mg entre 0 y 100 %, con dimensiones medias entre 4 y 6 nm. Las medidas estructurales realizadas muestran que hasta un valor de Mg de 45 %, los puntos están compuestos por una única fase estructural, wurtzita. A partir de esa concentración de Mg aparece una fase cúbica en los puntos, coexistiendo con la fase hexagonal hasta una concentración nominales del 85 %. Para concentraciones mayores de Mg, los puntos muestran una única fase estructural cúbica. Medidas de absorción realizadas en estos puntos de Zn(Mg)O muestran un desplazamiento del borde de absorción entre 3.33 y 3.55 eV cuando la concentraci ón de Mg en los puntos aumenta hasta el 40 %. Este desplazamiento observado es debido solamente a la fase wurtzita del Zn(Mg)O donde se incorpora el Mg. ABSTRACT This PhD theis presents a study using di_erent growth techniques (RPEMOCVD and spray pyrolysis) and structures (nanowires, quantum dots and wells and layers) in order to develop devices that extend from the visible to the ultraviolet range. For this reason ZnO based materials have been choosen, because they o_er the possibility to tunne the bandgap in this energy range. Proof of this is that this study has managed to cover a spectral range from 1.86 to 4.11 eV, also being studied physical phenomena such as di_usion and incorporation of alloy or adsorption of gases on the surface, allowing the develop di_erent highly sensitive photodetectors. Therefore, the results obtained in this thesis are a great contribution two large blockso the knowledge of the physical properties of alloys Zn(Cd)O and Zn(Mg)O for potential applications in devices that operate in the visible and ultraviolet range, respectively. In the _rst chapter, the general properties of ZnO-based materials are presented, showing the facilities that these kind of materials o_er to obtain di_erent nanoestructures. In Chapter 3, optical theoretical concepts are given to understand the optical properties of these materials, also showing the most signi_cant results of ZnO. In the chapters related with the results, two blocks could be distinguish. In the _rst one, Zn(Cd)O nanowires and quantum wells grown by RPE-MOCVD have been analyzed (Chapters 4 and 5). The second block of results shows the study performed in Zn(Mg)O _lms and quantum dots grown by spray pyrolysis. Zn(Cd)O nanowires and quantum wells grown by RPE-MOCVD In summary, the results of the PhD thesis are a great contribution to the knowledge of the physical properties of Zn(Cd)O and Zn(Mg)O alloys and their application for high performance devices operating in the visible and UV ranges, respectively. The performance of the device is still limited due to alloy solubility and p-doping stability, which opens a door for future research in this _eld. Theoretically, annealing ZnO with CdO allows to reduce the bandgap from 3.37 to 0.95 eV, covering the whole visible spectrum. The development of ZnCdO alloys allows the fabrication of heterostructures and quantum wells, necessary for the development of high performance optoelectronic devices. However, the di_erent crystal structures between CdO and ZnO and the low solubility of Cd and its high vapor pressure, hinders the growth of ZnCdO alloys with high Cd contents. In this PhD thesis Zn(Cd)O nanowires have been optically and structurally characterized, obtaining a maximum Cd content of 54% while maintaining their wurtzite structure. This Cd content, which allows lowering the bandgap down to 1.86 eV, is the highest concentration ever reported in nanostructures based on ZnO. The combination of optical and structural characterization techniques used during this thesis has allowed the demonstration of the presence of a single wurtzite structure, without observing any indication of phase separation or Cd accumulation along the nanowire. Annealing processes are essential in the fabrication of optoelectronic devices. For this reason, a complete study of the annealing e_ects in the optical and electrical properties of Zn(Cd)O nanowires has been performed. In the _rst place, annealing nanowires at higher temperatures than their growth temperature (300 oC) allows a signi_cant improvement of their emission properties. However, in the samples that contain Cd a shift in the emission towards higher energies has been observed due to a homogeneous reduction of the Cd content in the nanowires. Time resolved photoluminescence measurements show the impact of the exciton localization in the potential _uctuations due to a statistical alloy disorder. An increase in the carrier lifetime has been obtained for the annealed nanowires. This increase is mainly due to the reduction of non-radiative recombination centers associated with the defects present in the material. Furthermore, temperature dependent time resolved photoluminescence measurements suggest a reduction of the alloy disorder in the annealed samples. In this thesis, single nanowire photodetectors with a high responsivity in the UV range have been demonstrated. Due to the high surface/volume ratio, these structures are very sensitive to gas adsorption at the surface, which largely de_nes the optical and electrical properties of the material and, therefore, of the device. With the aim of obtaining time stable devices, the dynamic adsorption-desorption processes have been studied, developing di_erent approaches that allow a higher control over them. Finally, ZnCdO/ZnO quantum wells have been grown with a nominal Cd concentration of 54% inside the well. The performed optical measurements show that increasing the well width from 0.7 to 10 nm, shifts the emission related with the well from 3.30 to 1.97 eV. This result represents the highest shift reported in the literature. However, a detailed structural characterization shows the presence of di_usion phenomena which substantially reduce the concentration of Cd in the well, while increasing it in the barrier. This type of phenomena should be considered when ac curately interpretating the quantum con_nement e_ects in Zn(Cd)O/ZnO quantum wells. Theoretically, annealing ZnO with CdO allows to decrease the bandgap from 3.37 to 0.95 eV, covering the whole visible spectrum. Zn(Mg)O _lms and quantum dots grown by spray pyrolysis Due to its simplicity, low-cost and capacity to grow over large areas conserving a high crystal quality, spray pyrolysis technique presents a great interest in the scienti_c community for developing comercial devices. In this thesis, a complete study of the optical and structural properties of Zn(Mg)O _lms and quantum dots grown by spray pyrolysis has been performed. Contrary to Zn(Cd)O alloys, when introducing Mg in the ZnO wurtzite structure an increase in the bandgap in obtained. Once again, the di_erence in the crystal structure of ZnO and MgO limits the amount of Mg that can be introduced before phase separation appears. In this PhD thesis, a maximum Mg content of 35% has been incorporated in the wurtzite structure using spray pyrolysis. This variation in the Mg content translates into an increase of the absorption edge from 3.30 to 4.11 eV. Up to this date, this result represents the highest Mg content introduced by spray pyrolysis in a ZnO wurzite structure reported in the literature. The comparison of the emission and absorption spectra shows the presence of an increasing Stokes shift with Mg content. This phenomenon is partialy related with the presence of potential _uctuations due to an statistic alloy disorder. MSM photodetectors have been processed on previously characterized Zn(Mg)O _lms. These devices have shown a shift in the absorption edge from 3.32 to 4.02 eV with the increase in Mg content, high responsivity values (10-103 A/W) and high contrast ratios between illuminated and dark responsivities (10-107). These values are explained by the presence of a gain mechanism and a reduction of dark current in the ZnMgO samples. Zn(Mg)O quantum dots have also been grown using spray pyrolysis with Mg concentrations between 0 and 100% and with average widths ranging 4 to 6 nm. Structural measurements show that at a Mg concentration of 45% the cubic phase appears, coexisting with the hexagonal phase up to an 85% concentration of Mg content. From 85% onwards the quantum dots show only the cubic phase. Absorption measurements performed in these structures reveal a shift in the absorption edge from 3.33 to 3.55 eV when the Mg content increases up to 40 %.

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