Integrated nanophotonic elements utilizing two-dimensional materials for switching applications and light sources
Authors: Νούσιος Γεώργιος 
Published: December 2024

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάλυση, ο σχεδιασμός, και γενικότερα η μελέτη μονολιθικά ολοκληρωμένων νανοφωτονικών στοιχείων που αξιοποιούν δισδιάστατα (2Δ) υλικά, για εφαρμογές μεταγωγής και πηγών φωτός (laser) στην κοντινή υπέρυθρη περιοχή. Οι νανοφωτονικές διατάξεις που μελετώνται βασίζονται πάνω σε δύο βασικούς άξονες. Ο πρώτος άξονας συνίσταται με τις ιδιαίτερα επιθυμητές ιδιότητες οδήγησης και συγκέντρωσης του φωτός στην υπο-μικρομετρική κλίμακα της συμβατικής τεχνολογικής πλατφόρμας του πυριτίου-σε-μονωτή (silicon-on-insulator, SOI), αλλά και της σύγχρονης πλατφόρμας του ενισχυμένου-νιτριδίου-του-πυριτίου-σε-μονωτή (silicon-rich-nitride-on-insulator, SRNOI). Μέσω αυτών είναι δυνατή η υλοποίηση νανοφωτονικών συντονιστών που υποστηρίζουν οπτικούς ρυθμούς με υψηλούς συντελεστές ποιότητας και μειωμένους ενεργούς όγκους, ενισχύοντας έτσι σημαντικά την αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης. Τον δεύτερο άξονα συνθέτουν τα αξιοσημείωτα και καινοφανή οπτικά χαρακτηριστικά των 2Δ υλικών, όπως οι ιδιότητες απορρόφησης και εκπομπής φωτός, καθώς επίσης και τα μη γραμμικά φαινόμενα που παρουσιάζουν. Συγκεκριμένα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στρέφεται στην αξιοποίηση του γραφενίου για το ισχυρό μη γραμμικό φαινόμενο της κορέσιμης απορρόφησης (saturable absorption, SA) που επιδεικνύει, καθώς και τα διχαλκογενίδια μετάλλου μετάπτωσης (transition metal dichalcogenides, TMDs) και τις ετεροδομές αυτών ως ενεργά μέσα. Αξιοποιώντας τους παραπάνω βασικούς άξονες, είναι εφικτή η σχεδίαση αμιγώς οπτικών διατάξεων μεταγωγής και πηγών φωτός με νανοφωτονικά χαρακτηριστικά, συνεχούς και παλμικής λειτουργίας, οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλές επιδόσεις όσον αφορά στις απαιτήσεις σε ισχύ λειτουργίας, το προσφερόμενο εύρος ζώνης, καθώς και την εκπεμπόμενη ισχύ και ενέργεια. Όλες οι προτεινόμενες διατάξεις σχεδιάζονται λεπτομερώς και συστηματικά χρησιμοποιώντας ένα πλήθος από γενικές σχεδιαστικές μεθοδολογίες που αναπτύσσονται σε όλη την έκταση της διατριβής. Οι σχεδιαστικές μεθοδολογίες στοχεύουν στην βελτιστοποίηση των επιδόσεων των υπό μελέτη διατάξεων, καθώς στην επίτευξη της απαιτούμενης αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφορετικών μη γραμμικών φαινόμενων των υποκείμενων υλικών. Η απόκριση των διατάξεων που εξετάζονται αναλύεται και μελετάται με ένα μαθηματικά αυστηρό και φυσικά συνεπή τρόπο, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα υποστηριζόμενα γραμμικά και μη γραμμικά φαινόμενα των υλικών που συνθέτουν τις κοιλότητες συντονισμού. Για το σκοπό αυτό, κατά την διάρκεια εκπόνησης της διατριβής αναπτύσσεται ένα κατάλληλο και γενικό υπολογιστικό πλαίσιο για τον ακριβή και ταχύ υπολογισμό της συνολικής μη γραμμικής απόκρισης των υπό μελέτη νανοφωτονικών διατάξεων, το οποίο βασίζεται στην θεωρία συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου (temporal coupled-mode theory, temporal CMT), στην θεωρία μικρών διαταραχών (perturbation theory), και στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (finite element method, FEM). Το πρώτο μέρος της διατριβής αφιερώνεται στην αξιοποίηση του φαινομένου της κορέσιμης απορρόφησης του γραφενίου για την επίτευξη αμιγώς οπτικής μεταγωγής του φωτός σε μία πρακτική διάταξη συντονιστή δίσκου της συμβατικής πλατφόρμας SOI. Το φαινόμενο της κορέσιμης απορρόφησης περιγράφεται μέσω της εξάρτησης της επιφανειακής αγωγιμότητας του γραφενίου από τα διεγερμένα ηλεκτρόνια στην ταινία αγωγιμότητας του. Η περιγραφή αυτή επιτρέπει τη μελέτη των φαινόμενων του πεπερασμένου χρόνου ζωής και της διάχυσης των φορέων, η συμμετοχή των οποίων βρέθηκε ότι επηρεάζει σημαντικά τόσο την απαιτούμενη ισχύ λειτουργίας όσο και την ταχύτητα απόκρισης της διάταξης. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, η έρευνα στρέφεται σε μονολιθικά ολοκληρωμένες νανοφωτονικές πηγές εκπομπής φωτός. Με σημείο εκκίνησης τις εξισώσεις Maxwell-Bloch της ημικλασσικής θεωρίας laser, αναπτύσσεται συστηματικά και με μαθηματικά αυστηρό και συνεπή τρόπο ένα ενιαίο πλαίσιο βασισμένο στη CMT για νανοφωτονικούς συντονιστές με κέρδος. Το πλαίσιο είναι γενικό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή νανοφωτονικών κοιλοτήτων οποιασδήποτε γεωμετρίας και υποκείμενων υλικών, αποτελούμενες είτε από συμβατικά τρισδιάστατα είτε από σύγχρονα δισδιάστατα ενεργά μέσα, που περιγράφονται από ένα αυθαίρετο πλήθος εξαναγκασμένων μεταβάσεων και ενεργειακών επιπέδων. Αξιοποιώντας το πλαίσιο, σχεδιάζεται αναλύεται και μελετάται μία πρακτική διάταξη πηγής εκπομπής φωτός που αξιοποιεί την ετεροδομή TMD MoS2/WSe2 ως ενεργό μέσο. Η προτεινόμενη πηγή φωτός χαρακτηρίζεται από μονόρρυθμη λειτουργία, χαμηλό κατώφλι εκπομπής ισχύος ίσο με 1.3 mW, και συνολικής αποδοτικότητας 1.7%. Στο τρίτο και τελευεταίο μέρος της διατριβής, η έρευνα επικεντρώνεται στο τεχνολογικά ανεξερεύνητο επιστημονικό πεδίο των μονολιθικά ολοκληρωμένων νανοφωτονικών παλμικών πηγών εκπομπής φωτός. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται, σχεδιάζεται, και μελετάται μια παθητική νανοφωτονική πηγή εκπομπής φωτός μεταγωγής-Q (passively Q-switched laser) που αξιοποιεί επίσης την ετεροδομή TMD MoS2/WSe2 ως ενεργό μέσο και ένα μονοατομικό φύλλο γραφενίου ως κορέσιμο απορροφητή. Η προτεινόμενη πηγή προσφέρει παλμική εκπομπή για ένα μεγάλο εύρος επιπέδων ισχύος άντλησης από 24.2 μW έως 3.5 mW, ενώ χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα επιθυμητά χαρακτηριστικά λειτουργίας, όπως εξαιρετικά χαμηλή ισχύς άντλησης και εκπεμπόμενους παλμούς με ισχύς κορυφής της τάξης των mW, χρονική διάρκεια της τάξης των ps, και ρυθμό επανάληψης της τάξης των GHz.