Optical waveguides of conjugated polymers for all-optical switching devices

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