Ανάλυση, σχεδίαση και χαρακτηρισμός ολοκληρωμένων φωτονικών διατάξεων υβριδικής τεχνολογίας αγωγού - διηλεκτρικού - πυριτίου
Authors: Πιτιλάκης Αλέξανδρος 
Published: August 2021

Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάλυση και σχεδίαση εξαρτημάτων ολοκληρωμένωνκυματοδηγών, βασισμένων στην υβριδική τεχνολογία αγωγού-διηλεκτρικού-πυριτίου. Τα φωτονικάεξαρτήματα που βασίζονται στην πλατφόρμα αυτή θα απολαμβάνουν την τεχνολογική ωριμότητα τουπυριτίου, την πληθώρα οπτικών φαινομένων που αναπτύσσονται εκεί, αλλά και την ισχυρή οπτικήσυγκέντρωση που προσφέρει η πλασμονικής φύσεως διεπαφή μετάλλου/διηλεκτρικού. Στόχος είναι ησχεδίαση ολοκληρωμένων εξαρτημάτων οπτικών επικοινωνιών με καινοτόμες λειτουργίες καιελαχιστοποιημένο αποτύπωμα.Το πρώτο μέρος της διατριβής ασχολείται με την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων γιαπροσομοίωση εξαρτημάτων νανοφωτονικών κυματοδηγών. Αναπτύχθηκε ένα εργαλείο εύρεσηςιδιορρυθμών και μία μέθοδος διάδοσης δέσμης (BPM), βασισμένα στη μέθοδο των πεπερασμένωνστοιχείων, που ενσωματώνουν την ανισοτροπία και την τρίτης τάξης μη-γραμμικότητα σε ενοποιημένοδιανυσματικό φορμαλισμό. Η BPM χρησιμοποιεί σχήματα ευρείας γωνίας ανώτερης τάξης πουυλοποιήθηκαν με ένα αλγόριθμο πολλαπλού βήματος βασισμένο σε ρητή προσέγγιση Pade τουτελεστή διάδοσης Helmholtz.Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στην ανάλυση και σχεδίαση θερμο-οπτικά ελεγχόμενωνδιακοπτικών στοιχείων που βασίζονται στον πλασμονικό κυματοδηγό διηλεκτρικής φόρτισης (DLSPP),που αποτελείται από ράβδωση πολυμερούς υλικού με υψηλό θερμο-οπτικό συντελεστή και διατομήμικρότερη του 0.5μm^2 τοποθετημένη επάνω σε λεπτή μεταλλική ταινία. Η διέλευση ηλεκτρικούρεύματος μέσω της ταινίας θερμαίνει τη διάταξη και αλλάζει τον δείκτη διάθλαση του πολυμερούς, κάτιπου τελικά μεταβάλλει τη φάση του διαδιδόμενου κύματος. Η μεταβολή αυτή μπορεί να μεταφραστεί σεσυμμετρική 2x2 διακοπτική λειτουργία χρησιμοποιώντας διαμήκεις διατάξεις όπως συμβολόμετραMach-Zehnder, κατευθυντικούς ζεύκτες ή κυματοδηγούς πολύρρυθμης συμβολής (MMI). Ταεξαρτήματα που σχεδιάστηκαν με τις παραπάνω αρχιτεκτονικές εμφανίζουν ικανοποιητική επίδοσηόπως: ανεκτές απώλειες εισαγωγής (<10dB), υψηλό λόγο εξάλειψης μεταξύ θυρών εξόδου (>20dB)και εύρος ζώνης λειτουργίας αρκετών νανομέτρων. Τέλος, ένα θερμο-οπτικό 2x2 διακοπτικό στοιχείοβασισμένο στην αρχιτεκτονική MMI κατασκευάστηκε και μετρήθηκε στο πανεπιστήμιο τηςΒουργουνδίας, και τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις θεωρητικά και υπολογιστικάαναμενόμενες επιδόσεις της σχεδίασης της διατριβής.Το τελευταίο μέρος της διατριβής απευθύνεται στη διάδοση σημάτων στενής ζώνης σεπολύρρυθμους μη-γραμμικούς κυματοδηγούς που περιλαμβάνουν πυρίτιο. Όλα τα μη-γραμμικά φαινόμενα που οφείλονται στην τρίτης τάξης επιδεκτικότητα λαμβάνονται υπόψη: το φαινόμενο Kerr, ηαπορρόφηση δύο φωτονίων (TPA) και τα φαινόμενα ελευθέρων φορέων (FCE), που οφείλονται στηνTPA εντός του πυριτίου. Η διάδοση σημάτων μοντελοποιείται χρήσει συστήματος συζευγμένωνεξισώσεων που εντάσσονται στο ευρύτερο μοντέλο της μη-γραμμικής εξίσωσης Schrodinger (NLSE).Μετρικές επίδοσης για την συγκριτική αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση μη-γραμμικών κυματοδηγώνπυριτίου εξήχθησαν και χρησιμοποιήθηκαν στη σχεδίαση υβριδικού πλασμονικού κυματοδηγούπυριτίου (HSP) με ιδιαίτερα υψηλή μη-γραμμική παράμετρο, γ>10^4/m/W. Ο κυματοδηγός αποτελείταιαπό ανεστραμμένη ασημένια σφήνα που διαχωρίζεται από υποκείμενο κυματοδηγό πυριτίου με έναδιάκενο πάχους 20nm που πληροίτε από υλικό με υψηλό μη-γραμμικό συντελεστή. Αυτή η διάταξησυγκεντρώνει το φως στο μη-γραμμικό διάκενο και παράλληλα περιορίζει την υποβάθμιση λόγω FCEανεβάζοντας έτσι τη μέγιστη επιτρεπτή ισχύ πάνω από το 1W, σε συνεχή λειτουργία. Τέλος, οβελτιστοποιημένος HSP κυματοδηγός χρησιμοποιήθηκε στη σχεδίαση μη-γραμμικού κατευθυντικούζεύκτη που μπορεί να λειτουργήσει ως πλήρως-οπτικός διακόπτης ή ως ανυψωτής λόγου εξάλειψης χρονικά διαμορφωμένων σημάτων.