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Abstract:
Ayi Bahtiar: Optical Waveguides of Conjugated Polymers for
All-Optical Switching Devices
We have studied and compared the linear and nonlinear optical properties of thin
films and planar waveguides of several new solution processable derivatives of poly(pphenylenevinylene)
(PPV). We have found that MEH-PPV is the most promising
candidate for an integrated all-optical switching device because it shows a superior
combination of large third-order nonlinearity, ultimately low waveguide propagation
losses and sufficient photostability.
We have measured the dispersions of waveguide propagation loss αgw, nonlinear
refractive index n2 and nonlinear absorption coefficient α2 of MEH-PPV waveguides in
the range of 700 - 1600 nm. We have observed remarkably large values of intensitydependent
changes of the refractive index in the order of ∆n = 10-3 at 1064 nm which are
fully reversible. We have found that the figures of merit requirements for all-optical
switching applications are satisfied in the wavelengths around 1100 - 1200 nm which is at
the lower energy tail of two-photon absorption. These figures of merit of MEH-PPV are
the best presently known values.
We have studied the optical properties of thin films of MEH-PPV with large
variations of molecular weight (Mw) in the range of 104 to 106 g/mol. We have shown that
the molecular weight has strong impact on the alignment of polymer chain segments in
thin films and consequently on the optical birefringence, waveguide propagation loss and
cubic nonlinearity. Thin films of high Mw have most chain segments oriented parallel to
the film plane (large birefringence), whereas low Mw films have nearly random
orientation of chain segments (small birefringence). We conclude that MEH-PPV with
lower Mw is most favorable for the realization of all-optical switching devices because of
its easiness of thin film processing and good combination of large nonlinearity and
ultimately low waveguide propagation losses at transverse electric polarization.
We have prepared sub-micrometer gratings in MEH-PPV waveguides by applying
UV-photoablation, hot embossing and solvent-assisted microcontact molding (SAMIM)
techniques. It turned out that the SAMIM technique is the only suitable structuring
technique to fabricate large area waveguide-grating structures. However, the fabrication
of a nonlinear Bragg reflector and the demonstration of all-optical switching still require
an improved solution to solve some problems related to lithography which are beyond the
possibility of our laboratory.
(Date: 6 May 2004, Supervisor: Prof. Dr. C. Bubeck)
Ayi Bahtiar: Optische Wellenleiter aus konjugierten Polymeren für rein optische Schalter
Wir haben die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften dünner
Schichten und planarer Wellenleiter aus neuen Derivaten des Poly(p-phenylenvinylen)
(PPV) studiert und verglichen, die aus Lösungen verarbeitbar sind. Wir haben gefunden,
daß MEH-PPV das vielversprechendste Material für einen integriert-optischen Schalter
ist, weil es eine am besten geeignete Kombination aus großer optischer Nichtlinearität 3.
Ordnung, geringen Wellenleiterdämpfungsverlusten und ausreichender Photostabilität
zeigt.
Wir haben die Dispersionen des Wellenleiterdämpfungsverlustes αgw, des
nichtlinearen Brechungsindex n2 und des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten α2 von
Wellenleitern aus MEH-PPV im Bereich 700 - 1600 nm gemessen. Wir haben
außerordentlich große Brechungsindexänderungen im Bereich ∆n = 10-3 bei 1064 nm
beobachtet, die völlig reversibel sind. Wir haben gefunden, daß die Gütekriterien (Figures
of Merit) für rein optische Schalter im Wellenlängenbereich 1100 - 1200 nm erfüllt sind.
Dieser Bereich entspricht dem niederenergetischen Ausläufer der Zwei-Photonen
Absorption. Die Gütekriteren von MEH-PPV sind die besten momentan bekannten Werte.
Wir haben die optischen Eigenschaften der dünnen Schichten von MEH-PPV mit
einer großen Variation des Molekulargewichts (Mw) im Bereich 104 bis 106 g/mol
untersucht. Wir haben gezeigt, daß das Molekulargewicht starke Auswirkungen auf die
Ausrichtung der Polymerkettensegmente in den dünnen Schichten und infolgedessen auf
die optische Anisotropie des Brechungsindex, den Wellenleiterdämpfungsverlust und die
kubische optische Nichtlinearität hat. Die Polymerkettensegmente in dünnen Schichten
aus MEH-PPV mit hohem Mw orientieren sich bevorzugt parallel zur Schichtebene (große
Anisotropie des Brechungsindex), während die Schichten aus MEH-PPV mit niedrigem
Mw eine nahezu isotrope Ausrichtung der Kettensegmente haben (kleine Anisotropie des
Brechungsindex). Wir stellen fest, daß MEH-PPV mit niedrigem Molekulargewicht für
die Realisierung rein optischer Schalter höchst geeignet ist wegen der besseren
Filmherstellung und der guten Kombination aus großer Nichtlinearität und äußerst
geringen Wellenleiterdämpfungsverlusten bei transversal-elektrischer Polarization.
Wir haben Gitterstrukturen im Submikrometerbereich in Wellenleitern aus MEHPPV
präpariert mit den Techniken UV-Photoablation, Heißprägen und Lösungsassistierter
Mikrokontakt Abformung (Solvent-Assisted Microcontact Molding, SAMIM).
Es ergab sich, daß die SAMIM-Technik das einzige brauchbare Verfahren zur
Herstellung großflächiger Gitter-Wellenleiter-Strukturen ist. Jedoch erfordern die
Herstellung eines nichtlinearen Bragg-Reflektors und die Demonstration des rein
optischen Schalters noch verbesserte Lösungen einiger Lithographieprobleme, die
außerhalb der Möglichkeiten unseres Labors liegen.
(Datum: 6. Mai 2004, Betreuer: Prof. Dr. C. Bubeck)