Design and optimization of integrated optical antennas and LNOI waveguide structures
Creators: name: Farheen, Henna
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2024

description: Der Entwurf integrierter photonischer Bauelemente mit spezifischen Strahlungseigenschaften ist ein vielschichtiges Problem. Die Fähigkeit, die Ausbreitung und die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen im freien Raum zu kontrollieren, ist ein entscheidendes Kriterium. In dieser Arbeit werden numerische Feldsimulationen eingesetzt, um verschiedene Antennen und wellenleitende Strukturen im optischen Bereich zu entwerfen und zu optimieren. Die Ergebnisse lassen sich in zwei Teile gliedern. Im ersten Teil der Untersuchung liegt der Schwerpunkt auf der effizienten Abstrahlung in ausgewählte Richtungen. Dazu werden dielektrische Antennen und deren Phased-Array-Konfigurationen untersucht. Die Antennen werden aus verlustarmen Materialien wie Hafniumdioxid, Silizium und Tantalpentoxid hergestellt. Diese bestehen aus einem Reflektor und einem Direktor, die auf einem Glassubstrat aufgebracht sind.-
description: Ein Emitter, der als interne Anregungsquelle dient, befindet sich im Spalt zwischen den beiden. Dabei werden Antennen mit rechteckigen, stab- und hornförmigen Direktoren erforscht, die die Form der Strahlungsdiagramme kontrollieren und das Licht selektiv führen. Darüber hinaus bieten optische Phased Arrays (OPAs) eine höhere Verstärkung und Richtwirkung, eine geringe Strahlweite und eine verbesserte Kontrolle über die Richtung der Hauptkeule. Große 2D-OPAs auf Siliziumbasis werden für drei verschiedene Strahlelemente konstruiert, die hinsichtlich ihrer Strahlungseigenschaften unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Der OPA nutzt diese Antennen mit ausbalancierter Leistung und angepasster Phase, um unterschiedliche Strahlungsdiagramme zu erzeugen und den Strahl im Fernfeld in die gewünschten Richtungen zu lenken. Im zweiten Teil wird die Unterdrückung unerwünschter Strahlung in integrierten dielektrischen Lichtwellenleiterkanälen betrachtet.-
description: Dazu wird die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen durch Lithiumniobat-Rippenwellenleiterstrukturen auf Siliziumdioxid-Plattformen untersucht. Dabei werden integrierte optische Bauelemente wie Richtungskoppler, Wellenleiterkrümmer und Multimode-Interferenzkoppler entworfen und optimiert. Die Analyse liefert ein tiefgreifendes Verständnis für die Herstellung von Plattformen, die für quantenoptische Anwendungen geeignet sind.
description: The design of integrated photonic devices with specific radiation characteristics is a multi-faceted problem. The ability to control the propagation of electromagnetic waves and their free-space radiation is a crucial task. This work employs full-wave numerical simulations to design and optimize various antennas and wave-guiding structures in the optical regime to achieve this. The findings can be categorized into two parts. In the first part, the focus is on efficient radiation emission in specific directions. This is achieved by examining dielectric antennas and their phased array configurations. The antennas are made from low-loss materials such as hafnium dioxide, silicon, and tantalum pentoxide. These structures consist of a reflector and a director deposited on a glass substrate. An emitter, acting as an internal excitation source, is positioned in the feed gap between them.-
description: Antennas with rectangular-, tip-, and horn-shaped directors are explored, which control the shape of radiation patterns and guide light selectively. Additionally, optical phased arrays (OPAs) provide increased gain and directivity, small beamwidth, and more control over the main lobe direction. Large-scale 2-D silicon-based OPAs are realized for three different radiating elements that target distinctive objectives for their radiation characteristics. The OPA utilizes these antennas with balanced power and aligned phases to produce versatile radiation patterns and steer the beam into desired directions in the far-field. In the second part, suppressing unwanted radiation in dielectric integrated optical waveguide channels is considered. For this purpose, the propagation of electromagnetic waves through lithium niobate rib waveguide structures on silicon dioxide platforms is investigated.-
description: We design and optimize integrated optical devices such as directional couplers, waveguide bends, and multi-mode interference couplers. The analysis provides an in-depth understanding required for fabricating platforms suitable for quantum optics applications.