Ανάλυση, σχεδίαση και χαρακτηρισμός ολοκληρωμένων φωτονικών διατάξεων υβριδικής τεχνολογίας αγωγού - διηλεκτρικού - πυριτίου

Abstract

The topic of this doctoral thesis is the analysis and design of integrated waveguide componentsbased on conductor-dielectric-silicon devices. Photonic components that rely on this “siliconplasmonics” platform will benefit firstly from the technical maturity, deep understanding and diverseoptical properties of silicon and secondly from the extreme subwavelength confinement and naturalmetal/dielectric neighboring provided by plasmonic structures. The targeted breakthrough is designingintegrated 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 simulationof nanophotonic waveguide components. An eigenmode solver and a beam propagation method (BPM)were developed, utilizing the finite element method, while incorporating anisotropy and third-ordernonlinearity in a full-vector formulation. Higher order wide-angle BPM schemes were implementedusing 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 controlledswitching 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 thinmetallic stripe. Injecting an electrical current through the metallic stripe heats the structure and changesthe loading’s refractive index thus tuning the phase of the propagating wave. This can be translated insymmetrical 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 smallerthan 10dB, high output port extinction in excess of 20dB, and operation bandwidth spanning severalnanometers. Finally, a 2x2 thermo-optic switch based on the MMI design was fabricated and measuredat the University of Bourgogne (France), where the experimental results validated our theoretical andnumerical performance predictions.The final part of the thesis addresses the propagation of narrowband signals in multimode nonlinearwaveguides comprising silicon. All nonlinear effects emanating from the third-order susceptibility aretaken into account, namely the optical Kerr effect, the two-photon absorption (TPA and the free-carriereffects (FCE), originating from the TPA in silicon. Signal propagation is modeled by a system ofcoupled-envelope equations based on the nonlinear Schrodinger equation (NLSE) framework. Figures of merit for the comparative assessment and optimization of nonlinear silicon-comprising waveguidesare derived and are subsequently used to design a hybrid silicon plasmonic (HSP) waveguide with arecord high nonlinear parameter, larger than 10^4/m/W. This waveguide consists of an inverted silverwedge separated from an underlying subwavelength SOI wire by a 20nm gap filled with a highlynonlinear material, where the electric field is mainly localized. This waveguide configuration limits FCEimpairments, effectively raising the allowable threshold power above the 1W regime, in CW. Finally, theoptimized 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.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάλυση και σχεδίαση εξαρτημάτων ολοκληρωμένωνκυματοδηγών, βασισμένων στην υβριδική τεχνολογία αγωγού-διηλεκτρικού-πυριτίου. Τα φωτονικάεξαρτήματα που βασίζονται στην πλατφόρμα αυτή θα απολαμβάνουν την τεχνολογική ωριμότητα τουπυριτίου, την πληθώρα οπτικών φαινομένων που αναπτύσσονται εκεί, αλλά και την ισχυρή οπτικήσυγκέντρωση που προσφέρει η πλασμονικής φύσεως διεπαφή μετάλλου/διηλεκτρικού. Στόχος είναι ησχεδίαση ολοκληρωμένων εξαρτημάτων οπτικών επικοινωνιών με καινοτόμες λειτουργίες καιελαχιστοποιημένο αποτύπωμα.Το πρώτο μέρος της διατριβής ασχολείται με την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων γιαπροσομοίωση εξαρτημάτων νανοφωτονικών κυματοδηγών. Αναπτύχθηκε ένα εργαλείο εύρεσηςιδιορρυθμών και μία μέθοδος διάδοσης δέσμης (BPM), βασισμένα στη μέθοδο των πεπερασμένωνστοιχείων, που ενσωματώνουν την ανισοτροπία και την τρίτης τάξης μη-γραμμικότητα σε ενοποιημένοδιανυσματικό φορμαλισμό. Η BPM χρησιμοποιεί σχήματα ευρείας γωνίας ανώτερης τάξης πουυλοποιήθηκαν με ένα αλγόριθμο πολλαπλού βήματος βασισμένο σε ρητή προσέγγιση Pade τουτελεστή διάδοσης Helmholtz.Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στην ανάλυση και σχεδίαση θερμο-οπτικά ελεγχόμενωνδιακοπτικών στοιχείων που βασίζονται στον πλασμονικό κυματοδηγό διηλεκτρικής φόρτισης (DLSPP),που αποτελείται από ράβδωση πολυμερούς υλικού με υψηλό θερμο-οπτικό συντελεστή και διατομήμικρότερη του 0.5μm^2 τοποθετημένη επάνω σε λεπτή μεταλλική ταινία. Η διέλευση ηλεκτρικούρεύματος μέσω της ταινίας θερμαίνει τη διάταξη και αλλάζει τον δείκτη διάθλαση του πολυμερούς, κάτιπου τελικά μεταβάλλει τη φάση του διαδιδόμενου κύματος. Η μεταβολή αυτή μπορεί να μεταφραστεί σεσυμμετρική 2x2 διακοπτική λειτουργία χρησιμοποιώντας διαμήκεις διατάξεις όπως συμβολόμετραMach-Zehnder, κατευθυντικούς ζεύκτες ή κυματοδηγούς πολύρρυθμης συμβολής (MMI). Ταεξαρτήματα που σχεδιάστηκαν με τις παραπάνω αρχιτεκτονικές εμφανίζουν ικανοποιητική επίδοσηόπως: ανεκτές απώλειες εισαγωγής (<10dB), υψηλό λόγο εξάλειψης μεταξύ θυρών εξόδου (>20dB)και εύρος ζώνης λειτουργίας αρκετών νανομέτρων. Τέλος, ένα θερμο-οπτικό 2x2 διακοπτικό στοιχείοβασισμένο στην αρχιτεκτονική MMI κατασκευάστηκε και μετρήθηκε στο πανεπιστήμιο τηςΒουργουνδίας, και τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις θεωρητικά και υπολογιστικάαναμενόμενες επιδόσεις της σχεδίασης της διατριβής.Το τελευταίο μέρος της διατριβής απευθύνεται στη διάδοση σημάτων στενής ζώνης σεπολύρρυθμους μη-γραμμικούς κυματοδηγούς που περιλαμβάνουν πυρίτιο. Όλα τα μη-γραμμικά φαινόμενα που οφείλονται στην τρίτης τάξης επιδεκτικότητα λαμβάνονται υπόψη: το φαινόμενο Kerr, ηαπορρόφηση δύο φωτονίων (TPA) και τα φαινόμενα ελευθέρων φορέων (FCE), που οφείλονται στηνTPA εντός του πυριτίου. Η διάδοση σημάτων μοντελοποιείται χρήσει συστήματος συζευγμένωνεξισώσεων που εντάσσονται στο ευρύτερο μοντέλο της μη-γραμμικής εξίσωσης Schrodinger (NLSE).Μετρικές επίδοσης για την συγκριτική αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση μη-γραμμικών κυματοδηγώνπυριτίου εξήχθησαν και χρησιμοποιήθηκαν στη σχεδίαση υβριδικού πλασμονικού κυματοδηγούπυριτίου (HSP) με ιδιαίτερα υψηλή μη-γραμμική παράμετρο, γ>10^4/m/W. Ο κυματοδηγός αποτελείταιαπό ανεστραμμένη ασημένια σφήνα που διαχωρίζεται από υποκείμενο κυματοδηγό πυριτίου με έναδιάκενο πάχους 20nm που πληροίτε από υλικό με υψηλό μη-γραμμικό συντελεστή. Αυτή η διάταξησυγκεντρώνει το φως στο μη-γραμμικό διάκενο και παράλληλα περιορίζει την υποβάθμιση λόγω FCEανεβάζοντας έτσι τη μέγιστη επιτρεπτή ισχύ πάνω από το 1W, σε συνεχή λειτουργία. Τέλος, οβελτιστοποιημένος HSP κυματοδηγός χρησιμοποιήθηκε στη σχεδίαση μη-γραμμικού κατευθυντικούζεύκτη που μπορεί να λειτουργήσει ως πλήρως-οπτικός διακόπτης ή ως ανυψωτής λόγου εξάλειψης χρονικά διαμορφωμένων σημάτων.