Linear and nonlinear optical properties of materials for the development of 3D photonic nanostructures at telecommunication wavelengths

Abstract

Nanophotonics possess the ability to manipulate light on the nanoscale which plays a crucial role in the advancement of telecommunication applications. The high-speed transfer of information over long distances has driven to the development of photonic materials and structures in the nanoscale, enabling the manipulation of light, unprecedented speed and precision, surpassing the control of electrons by traditional electronics. In this context, 3D photonic crystals with sub-wavelength resolution emerged as highly promising nanostructures for applications in telecommunications. One promising technique for developing 3D photonic crystals is Multiphoton Lithography (MPL). Multiphoton Lithography (MPL) is a 3D printing technique in the nanoscale based on the multiphoton absorption (MPA) process that offers precise control over the structural attributes including size, resolution and geometry. While many photosensitive materials have demonstrated their suitability for MPL, hybrid photoresists have become increasingly popular over the past decades due to the combination of the unique properties of organic and inorganic components, as well as the potential modification capabilities. However, there remains significant potential to further improve these materials, ultimately enabling increasing the effectiveness of MPL and tailoring the properties of 3D-printed structures for nanophotonic applications. This thesis addresses such advancements, which further involve the utilization of nonlinear optical characterization to optimize 3D nano-structuring in hybrid polymers and novel post-processing approaches to activate the resulted 3D nanostructures in the telecommunication regime.

Ο τομέας της νανοφωτονικής πραγματεύεται τον τρόπο με τον οποίο το φως αλληλοεπιδρά με την ύλη στην νανοκλίμακα και διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην προαγωγή εφαρμογών τηλεπικοινωνίας. Η ανάγκη για μεταφορά πληροφορίων σε μεγάλες αποστάσεις με υψηλές ταχύτητες, οδήγησε στην ανάπτυξη φωτονικών υλικών και δομών στη νανοκλίμακα, επιτρέποντας τον έλεγχο του φωτός με υψηλή ταχύτητα και ακρίβεια, ξεπερνώντας τον έλεγχο των ηλεκτρονίων που πραγματοποιείται στις εφαρμογές της ηλεκτρονικής. Σε αυτό το πλαίσιο, τρισδιάστατοι φωτονικοι κρύσταλλοι με υψηλή ανάλυση της τάξης των νανομέτρων, αναδεικνύονται ως οι κατάλληλοι υποψήφιοι για εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες. Η τεχνική που μπορεί να υποστηρίξει την ανάπτυξη τρισδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων στη νανοκλίμακα είναι η Πολυφωτονική Λιθογραφία (Multiphoton Lithography-MPL). Η Πολυφωτονική Λιθογραφία είναι μια τεχνική εκτύπωσης 3D στη νανοκλίμακα βασισμένη στη διαδικασία πολυφωτονικής απορρόφησης (Multiphoton absorption-MPA) που προσφέρει ακριβή έλεγχο των δομικών χαρακτηριστικών, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους, της ανάλυσης και της γεωμετρίας. Ενώ πολλά φωτοευαίσθητα υλικά έχουν αποδειχτεί ως κατάλληλα για την χρήση τους στην Πολυφωτονική Λιθογραφία , τα υβριδικά φαίνεται να είναι δημοφιλή τις τελευταίες δεκαετίες λόγω του συνδυασμού των μοναδικών ιδιοτήτων των οργανικών και ανόργανων στοιχείων, καθώς και των δυνατοτήτων τροποποίησης. Ωστόσο, υπάρχει ακόμα σημαντική δυνατότητα βελτίωσης αυτών των υλικών, επιτρέποντας την αύξηση της αποτελεσματικότητας της τεχνικής και την προσαρμογή των ιδιοτήτων των τρισδιάστατων δομών για νανονφωτονικής εφαρμογές. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην έρευνα και εφαρμογή των παραπάνω εξελίξεων και περιλαμβάνει τη χρήση γραμμικού και μη- γραμμικού οπτικού χαρακτηρισμού των υλικών για τη βελτιστοποίηση της ανάπτυξης τρισδιάστατων νανοκρυστάλλων καθώς και νέες προσεγγίσεις επιπλέον επεξεργασίας τους για την ενεργοποίηση αυτών σε εφαρμογές τηλεπικοινωνίας.