Νανοφωτονικές διατάξεις αργού φωτός με εφαρμογή στις τηλεπικοινωνίες

Abstract

In this thesis, we present a detailed study of the design of photonic crystal slab waveguides at the prospect of exploiting them for telecom applications. Photonic crystals are formed by periodically modulating the refractive index of the structure. Photonic crystal waveguides provide an exciting prospect for confining and manipulating light at a subwavelength scale, opening up new paths on the field of integrated optics. In this thesis, the photonic crystal waveguide performance with respect to linear and nonlinear phenomena is optimized by changing various geometric parameters of the structures. A three dimensional plane-wave expansion eigenmode solver based on the conjugate gradient of the Rayleigh-Ritz quotient was implemented providing us with the modal fields and the dispersion relation of the photonic crystal slab waveguide designs. The delay performance of slow light optical pulses inside photonic crystal slab waveguides is considered in the linear and nonlinear propagation regime. The numerical model used relies on a nonlinear envelope propagation equation that includes the effects of second and third order dispersion, optical losses, and self-phase modulation. The influence of propagation losses on the soliton broadening factor is also incorporated. Also, the storage capacity of slow light photonic crystal waveguides is maximized using a systematic procedure based on the optimization of various parameters of the structure. Both optical loss and dispersion-induced broadening are incorporated into the model. We introduce a new figure of merit of the actual storage capacity of the photonic crystal waveguides. New photonic crystal waveguide designs obtaining optimum storage capacity are presented.Moreover, we provide approximate analytical expressions for the estimation of the degenerate four-wave mixing conversion efficiency in slow-light photonic crystal waveguides. The derived formulas incorporate different effective modal areas and frequency-dependent linear and nonlinear parameters for the pump, signal, and idler waves. The influence of linear loss, two-photon absorption, and free-carrier generation is also accounted for. New figure of merits are introduced in order to obtain photonic crystal waveguide designs with high conversion efficiency, high bandwidth and large tunability between the three waves. The waveguide length and the pump power are also taken into consideration. New photonic crystal slab waveguide designs are presented, obtaining optimum performance with respect to newly presented figure of merits.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάει το σχεδιασμό επίπεδων κυματοδηγών φωτονικών κρυστάλλων για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές. Προτείνεται η μοντελοποίηση των κυματοδηγών φωτονικών κρυστάλλων σύμφωνα με τη μέθοδο επιπέδων κυμάτων, η υλοποίηση της οποίας σε τρεις διαστάσεις περιγράφεται εκτενώς. Μελετάται ο σχεδιασμός των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των κυματοδηγών φωτονικών κρυστάλλων και οι βελτιώσεις που μπορεί να επιφέρει σε διάφορα γραμμικά και μη-γραμμικά φαινόμενα, εστιασμένα γύρω από τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές. Παρουσιάζεται η συμπεριφορά του σχεδιασμού των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του επίπεδου κυματοδηγού φωτονικών κρυστάλλων ως προς την καθυστέρηση οπτικών παλμών συμπεριλαμβανομένων των γραμμικών απωλειών και των φαινομένων διασποράς. Στη μελέτη συμπεριλαμβάνεται η μελέτη σολιτονιακών παλμών καθώς και η επίδραση της αρχικής τους ισχύος στις επιπτώσεις των φαινομένων διασποράς. Προτείνεται ένας νέος δείκτης βελτιστοποίησης της αποθηκευτικής ικανότητας των κυματοδηγών φωτονικών κρυστάλλων ικανός να συμπεριλάβει φαινόμενα απωλειών και διασποράς που θα υπόκεινται το οπτικό σήμα. Παρουσιάζονται σχεδιασμοί φωτονικών κρυστάλλων με βελτιωμένες επιδόσεις αποθηκευτικής ικανότητας. Επίσης παρουσιάζεται μία συστηματική μελέτη εντοπισμού του βέλτιστου σχεδιασμού συμπεριλαμβάνοντας μέχρι και δέκα σχεδιαστικές παραμέτρους ταυτόχρονα, καταλήγοντας στο βέλτιστο σχεδιασμό για διάφορα εύρη οπτικών σημάτων. Επιπλέον προτείνονται δύο νέοι δείκτες βελτιστοποίησης των επιδόσεων των κυματοδηγών φωτονικών κρυστάλλων ως προς το φαινόμενο της μίξης τεσσάρων κυμάτων. Για το σκοπό αυτό παρουσιάστηκαν ημιαναλυτικές εκφράσεις της απόδοσης του φαινομένου της μίξης τεσσάρων κυμάτων συμπεριλαμβανομένων λοιπών γραμμικών και μη-γραμμικών φαινομένων. Οι νέοι δείκτες βελτιστοποίησης, εκτός από το ευρέως διαδεδομένο δείκτη απόδοσης, συμπεριλαμβάνουν το εύρος ζώνης αλλά και την συχνοτική απόσταση των εμπλεκόμενων κυμάτων. Επίσης ο παράγοντας της οπτικής ισχύος του κύματος αντλίας αλλά και το μήκος του κυματοδηγού συμπεριλαμβάνονται στη διαδικασία σχεδιασμού δίνοντας πιο ρεαλιστικά αποτελέσματα. Παρουσιάζονται βέλτιστοι σχεδιασμοί φωτονικών κρυστάλλων οι οποίοι παρέχουν υψηλές επιδόσεις του φαινομένου της μίξης τεσσάρων κυμάτων, μεταβάλλοντας μέχρι και δέκα σχεδιαστικές παραμέτρους ταυτόχρονα.