Φωτονικές διατάξεις επιφανειακών πλασμονικών κυμάτων σε κλίμακα μικρότερη του μήκους κύματος
Authors: Τσιλιπάκος Οδυσσέας 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η σχεδίαση πλασμονικών διακοπτικών στοιχείων οδηγούμενου κύματος. Εξετάζονται δύο διαφορετικές κατηγορίες διατάξεων, με κοινό χαρακτηριστικό την αξιοποίηση ενός ή περισσότερων συντονιστών οδεύοντος κύματος (μικροδακτυλίου ή μικροδίσκου). Η πρώτη κατηγορία αφορά θερμο-οπτικά διακοπτικά στοιχεία βασισμένα στον πλασμονικό κυματοδηγό διηλεκτρικής φόρτισης (DLSPP). Αρχικά, διερευνώνται τα χαρακτηριστικά των παθητικών διατάξεων φίλτρου μικροδακτυλίου και μικροδίσκου. Διαπιστώνεται ότι ο συντονιστής μικροδίσκου παρουσιάζει μειωμένες απώλειες ακτινοβολίας, γεγονός που μεταφράζεται σε υψηλότερους συντελεστές ποιότητας. Στη συνέχεια, εξετάζεται ένας αριθμός διαφορετικών θερμο-οπτικών διατάξεων, με σκοπό την αναγνώριση της διάταξης εκείνης που εξασφαλίζει 2x2 λειτουργία με υψηλούς λόγους εξάλειψης για αμφότερες τις θύρες εξόδου. Η διαδικασία της σχεδίασης καταλήγει σε φίλτρο δύο συντονιστών με κάθετους κυματοδηγούς εισόδου/εξόδου. Η κάθετη διάταξη των κυματοδηγών καθιστά τη θύρα απόρριψης προϊόν συμβολής, γεγονός που οδηγεί σε υψηλούς λόγους εξάλειψης για τη θύρα αυτή, ενώ η προσθήκη του δεύτερου συντονιστή είναι απαραίτητη για την αποκατάσταση της συμμετρίας με σκοπό τη 2x2 λειτουργία. Με στόχο την αξιοποίηση των προταθέντων θερμο-οπτικών διακοπτικών στοιχείων σε συνθετότερα νανοφωτονικά κυκλώματα, μελετάται η σύζευξη του DLSPP με κυματοδηγούς της φωτονικής τεχνολογίας πυριτίου. Ειδικότερα, επιλέγεται η προσέγγιση της απευθείας σύζευξης των εμπλεκόμενων κυματοδηγών και διεξάγεται παραμετρική ανάλυση συναρτήσει των γεωμετρικών παραμέτρων της διεπιφάνειας με σκοπό την μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας σύζευξης. Εξετάζονται δύο παραλλαγές του κυματοδηγού πυριτίου, ο κυματοδηγός ράβδωσης και ο κυματοδηγός ταινίας, με τον κυματοδηγό ταινίας να οδηγεί σε υψηλότερη αποδοτικότητα σύζευξης (85%). Η δεύτερη κατηγορία διατάξεων αφορά μη γραμμικά διακοπτικά στοιχεία με υποκείμενη διάταξη τον υβριδικό πλασμονικό κυματοδηγό αγωγού-διακένου-πυριτίου (CGS). Η προσέγγιση που ακολουθείται στηρίζεται στη χρήση μη γραμμικού συντονιστή οδεύοντος κύματος με σκοπό την αξιοποίηση του φαινομένου της οπτικής διστάθειας. Επιλέγεται συντονιστής δίσκου ακτίνας 1μm καθώς παρουσιάζει τις χαμηλότερες απαιτήσεις ισχύος για την εμφάνιση οπτικής διστάθειας. Στη συνέχεια, η οπτική απόκριση συστήματος μη γραμμικού δίσκου συζευγμένου με ευθύγραμμο CGS κυματοδηγό μελετάται με κατάλληλο μαθηματικό πλαίσιο, το οποίο συνδυάζει τη θεωρία μικρών διαταραχών με τη θεωρία συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου. Εξασφαλίζοντας συνθήκες κρίσιμης σύζευξης, επιδεικνύεται διακοπτικό στοιχείο με θεωρητικά άπειρο λόγο εξάλειψης και χαμηλές απώλειες εισαγωγής. Επιπλέον, σημαντικά πλεονεκτήματα της εν λόγω διάταξης αποτελούν η αμιγώς οπτική λειτουργία και η ταχύτατη απόκριση. Το σύνολο των διατάξεων που μελετώνται στα πλαίσια της διατριβής αναλύονται με την τρισδιάστατη, πλήρως διανυσματική μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη μιας απορροφητικής οριακής συνθήκης ικανής να απορροφά/διεγείρει αποτελεσματικά υβριδικούς οδηγούμενους ρυθμούς, οπως αυτοί που υποστηρίζονται από τους νανοφωτονικούς κυματοδηγούς που μελετώνται στη διατριβή. Η επίδοση της προταθείσας συνθήκης αξιολογείται μέσα από μια σειρά αριθμητικών παραδειγμάτων, τα οποία επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητά της.