Ανάλυση, σχεδίαση και χαρακτηρισμός ολοκληρωμένων φωτονικών διατάξεων υβριδικής τεχνολογίας αγωγού-διηλεκτρικού-πυριτίου:
Creators: name: Πιτιλάκης, Αλέξανδρος Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Νανοφωτονική
Πλασμονική τεχνολογία
Oλοκληρωμένοι μη-γραμμικοί κυματοδηγοί
Mέθοδοι υπολογιστικού ηλεκτρομαγνητισμού
Nanophotonics
Plasmonics
Integrated nonlinear waveguides
Computational electromagnetics

description: Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάλυση και σχεδίαση εξαρτημάτων ολοκληρωμένων κυματοδηγών, βασισμένων στην υβριδική τεχνολογία αγωγού-διηλεκτρικού-πυριτίου. Τα φωτονικά εξαρτήματα που βασίζονται στην πλατφόρμα αυτή θα απολαμβάνουν την τεχνολογική ωριμότητα του πυριτίου, την πληθώρα οπτικών φαινομένων που αναπτύσσονται εκεί, αλλά και την ισχυρή οπτική συγκέντρωση που προσφέρει η πλασμονικής φύσεως διεπαφή μετάλλου/διηλεκτρικού. Στόχος είναι η σχεδίαση ολοκληρωμένων εξαρτημάτων οπτικών επικοινωνιών με καινοτόμες λειτουργίες και ελαχιστοποιημένο αποτύπωμα. Το πρώτο μέρος της διατριβής είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων για την προσομοίωση εξαρτημάτων νανοφωτονικών κυματοδηγών. Αναπτύχθηκε ένα εργαλείο εύρεσης ιδιορρυθμών και μία μέθοδος διάδοσης δέσμης (BPM), βασισμένα στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, που ενσωματώνουν την ανισοτροπία και την τρίτης τάξης μη-γραμμικότητα σε ενοποιημένο διανυσματικό φορμαλισμό. Η BPM χρησιμοποιεί σχήματα ευρείας γωνίας ανώτερης τάξης που υλοποιήθηκαν με ένα αλγόριθμο πολλαπλού βήματος βασισμένο σε ρητή προσέγγιση Pade του τελεστή διάδοσης Helmholtz. Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στην ανάλυση και σχεδίαση θερμο-οπτικά ελεγχόμενων διακοπτικών στοιχείων που βασίζονται στον πλασμονικό κυματοδηγό διηλεκτρικής φόρτισης (DLSPP), που αποτελείται από ράβδωση πολυμερούς υλικού με υψηλό θερμο-οπτικό συντελεστή και διατομή μικρότερη του 0.5μm^2 τοποθετημένη επάνω σε λεπτή μεταλλική ταινία. Η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της ταινίας θερμαίνει τη διάταξη και αλλάζει τον δείκτη διάθλαση του πολυμερούς, κάτι που τελικά μεταβάλλει τη φάση του διαδιδόμενου κύματος. Η μεταβολή αυτή μπορεί να μεταφραστεί σε συμμετρική 2x2 διακοπτική λειτουργία χρησιμοποιώντας διαμήκεις διατάξεις όπως συμβολόμετρα Mach-Zehnder, κατευθυντικούς ζεύκτες ή κυματοδηγούς πολύρρυθμης συμβολής (MMI). Τα εξαρτήματα που σχεδιάστηκαν με τις παραπάνω αρχιτεκτονικές εμφανίζουν ικανοποιητική επίδοση όπως: ανεκτές απώλειες εισαγωγής (&lt;10dB), υψηλό λόγο εξάλειψης μεταξύ θυρών εξόδου (&gt;20dB) και εύρος ζώνης λειτουργίας αρκετών νανομέτρων. Τέλος, ένα θερμο-οπτικό 2x2 διακοπτικό στοιχείο βασισμένο στην αρχιτεκτονική MMI κατασκευάστηκε και μετρήθηκε στο πανεπιστήμιο της Βουργουνδίας, και τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις θεωρητικά και υπολογιστικά αναμενόμενες επιδόσεις της σχεδίασης της διατριβής. Το τελευταίο μέρος της διατριβής απευθύνεται στη διάδοση σημάτων στενής ζώνης σε πολύρρυθμους μη-γραμμικούς κυματοδηγούς που περιλαμβάνουν πυρίτιο. Όλα τα μη-γραμμικά φαινόμενα που οφείλονται στην τρίτης τάξης επιδεκτικότητα λαμβάνονται υπόψη: το φαινόμενο Kerr, η απορρόφηση δύο φωτονίων (TPA) και τα φαινόμενα ελευθέρων φορέων (FCE), που οφείλονται στην TPA εντός του πυριτίου. Η διάδοση σημάτων μοντελοποιείται χρήσει συστήματος συζευγμένων εξισώσεων που εντάσσονται στο ευρύτερο μοντέλο της μη-γραμμικής εξίσωσης Schrodinger (NLSE). Μετρικές επίδοσης για την συγκριτική αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση μη-γραμμικών κυματοδηγών πυριτίου εξήχθησαν και χρησιμοποιήθηκαν στη σχεδίαση υβριδικού πλασμονικού κυματοδηγού πυριτίου (HSP) με ιδιαίτερα υψηλή μη-γραμμική παράμετρο, γ&gt;10^4/m/W. Ο κυματοδηγός αποτελείται από ανεστραμμένη ασημένια σφήνα που διαχωρίζεται από υποκείμενο κυματοδηγό πυριτίου με ένα διάκενο πάχους 20nm που πληροίτε από υλικό με υψηλό μη-γραμμικό συντελεστή. Αυτή η διάταξη συγκεντρώνει το φως στο μη-γραμμικό διάκενο και παράλληλα περιορίζει την υποβάθμιση λόγω FCE ανεβάζοντας έτσι τη μέγιστη επιτρεπτή ισχύ πάνω από το 1W, σε συνεχή λειτουργία. Τέλος, ο βελτιστοποιημένος HSP κυματοδηγός χρησιμοποιήθηκε στη σχεδίαση μη-γραμμικού κατευθυντικού ζεύκτη που μπορεί να λειτουργήσει ως πλήρως-οπτικός διακόπτης ή ως ανυψωτής λόγου εξάλειψης χρονικά διαμορφωμένων σημάτων.
description: The topic of this doctoral thesis is the analysis and design of integrated waveguide components based on conductor-dielectric-silicon devices. Photonic components that rely on this “silicon plasmonics” platform will benefit firstly from the technical maturity, deep understanding and diverse optical properties of silicon and secondly from the extreme subwavelength confinement and natural metal/dielectric neighboring provided by plasmonic structures. The targeted breakthrough is designing integrated components for optical communications with novel functionality and minimal chip footprint. The first part of the research was devoted to the development of numerical tools for the simulation of nanophotonic waveguide components. An eigenmode solver and a beam propagation method (BPM) were developed, utilizing the finite element method, while rigorously incorporating material anisotropy and third-order nonlinearity through a fully vectorial formulation. Higher order wide-angle BPM schemes were implemented using a multi-stepping algorithm, based on rational Pade approximations of the Helmholtz propagator. The second part of this thesis focuses on the analysis and design of thermo-optically controlled switching elements based on the dielectric loaded surface plasmon polariton (DLSPP) waveguide, formed by a high thermo-optic coefficient polymer ridge of subwavelength dimensions residing on a thin metallic stripe. Injecting an electrical current through the metallic stripe heats the structure and changes the loading’s refractive index thus tuning the phase of the propagating wave. This can be translated in symmetrical 2x2 input/output port switching using longitudinally arranged architectures like Mach-Zehnder interferometers (MZI), directional couplers (DC) or multi-mode interference (MMI) waveguides. The designed components exhibit satisfying performance including tolerable insertion losses smaller than 10dB, high output port extinction in excess of 20dB, and operation bandwidth spanning several nanometers. Finally, a 2x2 thermo-optic switch based on the MMI design was fabricated and measured at the University of Bourgogne (France), where the experimental results validated our theoretical and numerical performance predictions. The final part of the thesis addresses the propagation of narrowband signals in multimode nonlinear waveguides comprising silicon. All nonlinear effects emanating from the third-order susceptibility are taken into account, namely the optical Kerr effect, the two-photon absorption (TPA and the free-carrier effects (FCE), originating from the TPA in silicon. Signal propagation is modeled by a system of coupled-envelope equations based on the nonlinear Schrodinger equation (NLSE) framework. Figures of merit for the comparative assessment and optimization of nonlinear silicon-comprising waveguides are derived and are subsequently used to design a hybrid silicon plasmonic (HSP) waveguide with a record high nonlinear parameter, larger than 10^4/m/W. This waveguide consists of an inverted silver wedge separated from an underlying subwavelength SOI wire by a 20nm gap filled with a highly nonlinear material, where the electric field is mainly localized. This waveguide configuration limits FCE impairments, effectively raising the allowable threshold power above the 1W regime, in CW. Finally, the optimized HSP waveguide is used as the building block of a nonlinear directional coupler (NLDC), that can be used as an all optical switch or an extinction ratio booster for modulated signals.