Design and characterization of silicon nanophotonic elements
Creators: name: Lu, Jinlong
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2022

description: Ähnlich wie die Entwicklung von Feldeffekttransistoren, die im 20. Jahrhundert zur Miniaturisierung elektronischer Geräte führte, wird die Miniaturisierung photonischer Systeme durch die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und rein optischem Computing vorangetrieben. In letzter Zeit sind nanophotonische Elemente aus Silizium (Si) auf diesem Gebiet von großem Interesse, da sie möglicherweise mit der gut entwickelten Nanofabrikationstechnologie und einigen bereits vorhandenen Geräten kompatibel sind. In dieser Arbeit werden topologische photonische Kristalle (TPhCs) und mit Si realisierte Metaoberflächen verwendet, um die Lichtausbreitung in verschiedenen Anwendungen nach der Miniaturisierung bis in den Nanobereich zu untersuchen.Erstens sind TPhCs basierend auf der Theorie der schwachen Topologie so konzipiert, dass sie robuste und vielseitige topologisch geschützte nulldimensionale (0D) lokalisierte Moden bei optischen Frequenzen erreichen. Die Lichtlokalisierung in der Mitte der Bandlücke wird durch streuende optische Nahfeld-Rastermikroskopie (s-SNOM) in einem TPhC verifiziert, das mit einer nichttrivialen Zak-Phase und einer Kantenversetzung konstruiert ist. Wir zeigen, dass aufgrund der schwachen Topologie unterschiedlich ausgedehnte Versetzungszentren eine ähnlich starke Lichtlokalisierung mit einstellbaren Lokalisierungseigenschaften induzieren, was ein vielseitiges Design mit einem Konzept der schwachen Topologie für verwandte Anwendungen bietet.Darüber hinaus nutzen wir einen neuen Freiheitsgrad zur Realisierung eines topologisch geschützten Lichttransports in sogenannten talabhängigen photonischen Kristallen (VPCs), entwickeln mehrere Designs mit topologisch geschützten Moden und verifizierten experimentell die Vorteile von VPCs für die On-Chip-Lichtkontrolle in Silizium auf Isolator (SOI) Materialsystemen.
description: Similar to the development of field-effect transistors that led to the miniaturization of electronic devices in the 20th century, the miniaturization of photonic systems is driven by the demand for high-speed data transmission and all-optical computing. Recently, silicon (Si) nanophotonic elements are of great interest in this field as for the potential to be compatible with the well-developed nanofabrication technology and some devices already in place. In this thesis, topological photonic crystals (TPhCs) and metasurface realized with Si are used to investigate the light tailoring performance in various applications after the miniaturization of the devices size down to the nanoscale. First, based on the weak topology theory, TPhCs are designed to achieve robust and versatile topologically protected zero-dimensional (0D) localized modes at optical frequencies. The mid-bandgap light localization is verified by scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM), in a TPhC that is designed with a nontrivial Zak phase and an edge dislocation. We show that due to the weak topology, differently extended dislocation centers induce similarly strong light localization, with adjustable localization properties, providing a versatile design using a weak topology concept for related applications. Further, taking advantage of a new degree of freedom for realizing topologically protected light transport in the valley-dependent photonic crystals (VPCs), we designed several devices with topologically protected modes and experimentally verified the advantages of VPCs for on-chip light control by fabricating them with silicon on insulator (SOI) material. This degree of freedom provides the possibility to obtain different complex functionalities, i.e., topologically protected resonators and beam splitters, which are important components for photonic integrated circuits ...