Μελέτη και σχεδίαση ηλεκτρικά συντονιζόμενων επίπεδων φωτονικών και πλασμονικών διατάξεων με χρήση νηματικών υγρών κρυστάλλων
Authors: Τασολάμπρου Άννα 
Published: August 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αριθμητική μελέτη και σχεδίαση φωτονικών διατάξεων, οι οποίες με τη διήθηση νηματικού κρυστάλλου και την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού σήματος παρέχουν συντονιζόμενες ιδιότητες οπτικής οδήγησης. Οι διατάξεις αυτές αφορούν σε κυματοδηγούς πυριτίου σε μονωτή με περιοδικές δομές φωτονικού κρυστάλλου και σε πλασμονικούς κυματοδηγούς τύπου διηλεκτρικής φόρτισης και τριγωνικών εγκοπών τύπου. Ο συντονισμός των ιδιοτήτων τους λαμβάνεται με την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου που μεταβάλλει τον προσανατολισμό των μορίων του υγρού κρυστάλλου. Η υψηλή διπλοδιαθλαστικότητα του υλικού παρέχει αυξημένο έλεγχο των οπτικών ιδιοτήτων των δομών παράλληλα με χαμηλή κατανάλωση εξαιτίας του εφαρμοζόμενου πεδίου πυκνωτή. Στο δεύτερο κεφάλαιο μετά από μία σύντομη αναδρομή στις βασικές κατηγορίες των υγρών κρυστάλλων και στις ιδιότητές τους, παρουσιάζεται η μελέτη του προσανατολισμού των μορίων των νηματικών υλικών σε κλειστές γεωμετρίες. Η χωρική κατανομή του νηματικού κατευθυντήρα λαμβάνεται στην κατάσταση ηρεμίας από την ελαχιστοποίηση της συνολικής ενέργειας του συστήματος, μέσω της επίλυσης των συζευγμένων ηλεκτροστατικών/ελαστικών μερικών διαφορικών εξισώσεων Oseen-Frank με χρήση των εξισώσεων Euler-Lagrange. Ακολούθως στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου που επιλέχθηκε για την αριθμητική μελέτη της διάδοσης του κύματος, με κατάλληλες επεκτάσεις για ανισοτροπικά μέσα και μέσα με διασπορά. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία διάταξη στην τεχνολογική πλατφόρμα του πυριτίου-πάνω-σε-μονωτή (SOI) όπου με την μέθοδο της ανισοτροπικής εγχάραξης δημιουργούνται περιοδικά αυλακώσεις κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσης. Οι ιδιότητες φασματικής μετάδοσης μελετώνται σε συνάρτηση με τα γεωμετρικά της χαρακτηριστικά, καθώς και τον δείκτη διάθλασης των ισοτροπικών μέσων πλήρωσης των περιοδικών αυλακώσεων. Η διάταξη στην ισοτροπική αυτή περίπτωση προτείνεται ως αισθητήρας δείκτη διάθλασης. Στην συνέχεια αναλύεται η περίπτωση όπου στη δομή διηθείται νηματικό υγροκρυσταλλικό υλικό και διερευνάται η δυνατότητα μετακίνησης του φωτονικού διακένου μέσω της εφαρμογής του ηλεκτρικού σήματος. Έπειτα παρουσιάζονται πλασμoνικές διατάξεις διηλεκτρικής φόρτισης με διήθηση υγρού κρυστάλλου. Συγκεκριμένα στo πέμπτο κεφάλαιο προτείνεται ο σχεδιασμός ενός κυματοδηγού διηλεκτρικής φόρτισης βασισμένου στη χρήση υγρών κρυστάλλων και ο σχεδιασμός ενός 2x2 οπτικού διακόπτη. Αποδεικνύεται πως ο πλασμονικός διακόπτης χαρακτηρίζεται από αρκετά χαμηλές απώλειες εισαγωγής, και από ικανοποιητικά υψηλό λόγο εξάλειψης. Τέλος στο έκτο κεφάλαιο μελετάται η χρήση των υγρών κρυστάλλων σε έναν διαφορετικό τύπο πλασμονικών διατάξεων που στηρίζονται στη δημιουργία μία τραπεζοειδούς εγκοπής σε ένα στρώμα χρυσού πεπερασμένου πάχους. Βρίσκεται πως η εφαρμογή μίας μικρής διαφοράς δυναμικού μεταβάλλει τις οπτικές ιδιότητες του κυματοδηγού σε μέτρο που μπορεί να αξιοποιηθεί, εντός του μήκους διάδοσης των ρυθμών. Η χρήση των νηματικών υγρών κρυστάλλων αποδεικνύεται πως μπορεί να παρέχει συντονιζόμενες ιδιότητες σε μία πληθώρα φωτονικών διατάξεων, τόσο κλασικής οδήγησης όσο και πλασμονικών ρυθμών. Λόγω της ρευστής τους μορφής και της συμβατότητας τους με τα διηλεκτρικά υλικά που συνήθως χρησιμοποιούνται στη φωτονική τεχνολογία, μπορούν να ολοκληρωθούν σε ένα πλήθος διατάξεων. μετάλλου και διηλεκτρικού. Με προσεκτικό σχεδιασμό των διατάξεων, κατάλληλη επιλογή των υλικών, έλεγχο των συνθηκών αγκύρωσης και κατάλληλη επιλογή τάσης, αποδεικνύεται ότι οι νηματικοί υγροί κρύσταλλοι μπορούν να παρέχουν τον εκτεταμένο έλεγχο των ιδιοτήτων οδήγησης με μικρή κατανάλωση ισχύος. Οι εφαρμογές που παρουσιάζονται αφορούν σε συντονιζόμενα φίλτρα μήκους κύματος, οπτικούς διακόπτες και διατάξεις ολίσθησης φάσης.