Μη γραμμικές νανοφωτονικές διατάξεις συντονισμού της πλασμονικής και του γραφενίου
Authors: Χριστόπουλος Θωμάς 
Published: September 2021

Θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη μη γραμμικών φωτονικών διατάξεων συντονισμού και πιο συγκεκριμένα η ανάλυση και ο σχεδιασμός πλήρως οπτικών νανοφωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με αυξημένη λειτουργικότητα. Βασικοί πυλώνες της διατριβής είναι η εκμετάλλευση του φαινομένου της οπτικής διστάθειας με στόχο την πρόταση αμιγώς οπτικών διακοπτικών διατάξεων και αμιγώς οπτικών στοιχείων μνήμης, και η βαθύτερη κατανόηση των πολυκαναλικών φαινομένων σε διατάξεις συντονισμού, ήτοι των φαινομένων γένεσης και μη γραμμική μίξης κυμάτων που αυτά προκαλούν. Διεξάγεται μια σε βάθος θεωρητική μελέτη των εν λόγω φαινομένων και προτείνεται, αναλύεται και σχεδιάζεται μια πληθώρα μη γραμμικών διατάξεων συντονισμού με στόχο κυρίως τη μείωση της απαίτησης σε εισερχόμενη ισχύ τροφοδοσίας. Οι προτεινόμενες διατάξεις βασίζονται σε σύγχρονες φωτονικές πλατφόρμες: στην πλασμονική, στην τεχνολογία του πυριτίου και στο γραφένιο. Πρωτίστως, αναπτύσσεται ένα συνεκτικό υπολογιστικό πλαίσιο που συνδυάζει τη θεωρία μικρών διαταραχών με τη θεωρία συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου και τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, επιτρέποντας τη γρήγορη και ακριβής ανάλυση μονοκαναλικών ή πολυκαναλικών μη γραμμικών διατάξεων συντονισμού που πρακτικά υλοποιούνται με υλικά δύο ή τριών διαστάσεων. Η ακρίβεια του αναπτυχθέντος πλαισίου εξετάσθηκε συστηματικά και βρέθηκε ικανό για την αποδοτική μελέτη μη γραμμικών κοιλοτήτων συντονισμού. Αρχικά, χρησιμοποιείται για την ανάλυση δύο πλασμονικών συντονιστών, ενός συντονιστή στασίμου κύματος τύπου Fabry-Perot και ενός συντονιστή οδεύοντος κύματος τύπου δίσκου. Και οι δύο διατάξεις υποστηρίζουν οπτική διστάθεια λόγω του φαινομένου Kerr με υψηλό εύρος ζώνης και αποδεκτές έως χαμηλές απαιτήσεις σε ισχύ, λαμβάνοντας υπ’ όψιν την απορρόφηση δύο φωτονίων και τα φαινόμενα των ελευθέρων φορέων που εμφανίζονται στο πυρίτιο. Τα εν λόγω φαινόμενα επηρεάζουν την οπτική διστάθεια λόγω φαινομένου Kerr, αν και εισάγουν άλλες ενδιαφέρουσες λειτουργίες (οπτική δυστάθεια λόγω φορέων και αυτοταλάντωση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οπτικά ρολόγια). Στη συνέχεια, εξετάζεται το γραφένειο: ένα καινοτόμο υλικό δύο διαστάσεων με ισχυρές μη γραμμικές ιδιότητες. Στη διατριβή παρουσιάζεται η ενδιαφέρουσα δυνατότητα του γραφενίου να αποθηκεύει ενέργεια στο επιφανειακό ρεύμα που υποστηρίζει. Επιπλέον, αναλύονται και σχεδιάζονται δύο διατάξεις συντονισμού, κατάλληλες για τη μακρινή και την κοντινή υπέρυθρη περιοχή, αντίστοιχα, λόγω της τεράστιας ευρυζωνικότητας του γραφενίου. Αμφότερες οι διατάξεις αποτελούνται από έναν συντονιστή οδεύοντος κύματος τύπου δακτυλίου και εμφανίζουν οπτική διστάθεια για χαμηλή ισχύ τροφοδοσίας (λόγω του σχεδιασμού που επιτρέπει υψηλή αλληλεπίδραση του φωτός με το γραφένιο) με χαμηλή απορρόφηση δύο φωτονίων και ανίσχυρα φαινόμενα ελευθέρων φορέων. Τέλος, εξετάζονται πολυκαναλικά φαινόμενα (γένεση τρίτης αρμονικής, μίξη τεσσάρων κυμάτων) σε διατάξεις συντονισμού. Χρησιμοποιείται ένας συντονιστής στασίμου κύματος από γραφένιο, κατάλληλος για την εκφυλισμένη μίξη τεσσάρων κυμάτων στη μακρινή υπέρυθρη περιοχή. Ο τελικός σχεδιασμός οδηγεί σε υψηλές επιδόσεις (μεγάλος συντελεστής μετατροπής) με χαμηλές απαιτήσεις σε εισερχόμενη ισχύ, ενώ παρουσιάζει ενδιαφέρουσα δυναμική συμπεριφορά με την εμφάνιση οπτικής διστάθειας λόγω αυτοδιαμόρφωσης και ετερεδιαμόρφωσης φάσης αλλά και περιορισμένης ταλάντωση. Ως κατακλείδα, στη διατριβή συμπυκνώνεται η εμπειρία της ανάλυσης διατάξεων συντονισμού. Ο ακριβής χαρακτηρισμός μια κοιλότητας (υπολογισμοί συχνότητας συντονισμού και συντελεστή ποιότητας) δεν είναι απλός με τα διαθέσιμα υπολογιστικά εργαλεία, ειδικά όταν εμπλέκονται ωμικές απώλειες, απώλειες ακτινοβολίας ή/και διασπορά. Στη διατριβή παρουσιάζεται μια μέθοδος για την υπερπήδηση αυτού του εμποδίου, κάτι που λείπει από την σχετική βιβλιογραφία.