This thesis investigates the optimization of GaAs-based single-line defect photoniccrystal waveguides (PCWs) for mid-infrared (MIR) gas sensing applications. Photoniccrystals (PhCs) are materials with a periodic dielectric constant variation, structuredto create photonic bandgaps for precise light propagation control. This work focuseson the design of PCWs in GaAs membranes and development of processes to fabricateair-holes with smooth and straight sidewalls, which are crucial for optical PhC deviceperformance.The project is structured into two phases. In the first phase, AnsysLumerical is used for the simulation of PCWs, which includes designing a 2D hexagonallattice structure and optimizing parameters such as radius and lattice constant toachieve desired bandstructure, light confinement, and single-mode propagation.Simulation results show that the optimal PCW configuration effectively confines light,provides evanescent fields in both lateral and vertical directions, and supports singlemodepropagation at the target wavelength of 4.26 μm, at which CO2 has a majorabsorption peak. The second phase focuses on the fabrication process, utilizingcharged colloidal lithography and Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching(ICP-RIE) with Ar/Cl2 chemistry to create air holes in GaAs substrates. The aim is toexplore the effects of varying hole diameters and process conditions to achieve goodhole profiles at a depth of 600 nm — the designed thickness of the GaAs membrane foreffective vertical light confinement. Impact of various parameters on the etch rate andhole profile is studied. A feature-size dependent etching phenomenon, the lag effect,is observed, with a significant variation in etch depths for different hole diameters.The findings provide clear guidelines for optimizing conditions to achieve suitable holedepths and profiles for fabricating MIR PhC devices in GaAs membranes.

Denna avhandling utforskar optimering av GaAs-baserade enkellinjesdefekta fotonska kristallvågledare (PCWs) för mellaninfraröda (MIR) gasdetektionsapplikationer. Fotonska kristaller (PhCs) har periodiska variationer i dielektriskkonstant och är strukturerade för att skapa bandgap som möjliggör preciseradljuskontroll. Arbetet fokuserar på design av PCWs i GaAs-membran och utvecklingav tillverkningsprocesser för lufthål med jämna, raka sidoväggar, avgörande för PhCenhetersoptiska prestanda. Projektet delas in i två faser. I den första fasen användsAnsys Lumerical för simulering av PCWs, inkluderande design av en tvådimensionellhexagonal gitterstruktur och optimering av parametrar som radie och gitterkonstantför att uppnå önskad bandstruktur och ljusinneslutning för enkellägespropagering.Simuleringarna visar att den optimala konfigurationen effektivt innesluter ljus,tillhandahåller evanescenta fält i både laterala och vertikala riktningar, och stöderenkellägespropagering vid målvåglängden 4,26 μm, en huvudabsorptionspeak för CO2.Den andra fasen koncentrerar sig på tillverkningsprocessen med laddad kolloidallitografi och ICP-RIE med Ar/Cl2-kemi för att skapa hål i GaAs-substrat. Måletär att utforska effekterna av varierande håldiametrar och processförhållanden för attuppnå optimala hålprofiler vid 600 nm djup – den designade tjockleken på GaAs membranetför effektiv vertikal ljusinneslutning. Studier av olika parametrar visar påstorleksberoende etsningsfenomen, fördröjningseffekten, med signifikant variation ietsdjup för olika håldiametrar. Resultaten ger riktlinjer för att optimera förhållandenför tillverkning av MIR PhC-enheter.