Φωτονικές διατάξεις επιφανειακών πλασμονικών κυμάτων σε κλίμακα μικρότερη του μήκους κύματος

Abstract

This doctoral thesis focuses on the analysis and design of novel switching elements based on integrated plasmonic waveguides. Two distinct classes of components are examined, sharing the common feature of comprising one or more traveling-wave resonators (microring or microdisk), which are adopted due to their wavelength-selective and compact nature. The first device family is based on the dielectric-loaded surface plasmon polariton (DLSPP) waveguide and relies on the thermo-optic effect for tuning the optical response. First, the characteristics of basic passive filtering structures comprising microring or microdisk resonators are systematically examined. It is found that microdisks feature smaller radiation losses, translating to superior quality factors. Next, several thermo-optic components are examined in pursuit of a configuration which provides high extinction ratios (ERs) for both output ports. It is shown that this task can be performed by a dual-resonator add-drop filter with perpendicular access waveguides. The orientation of the access waveguides renders the drop port transmission a result of interfering waves, thus allowing for high drop-port ERs, while the second resonator restores the symmetry of the structure allowing for 2x2 operation. The utilization of the proposed thermo-optic components in more complex nanophotonic circuits depends largely on the efficient interfacing of the underlying waveguide with low-loss integrated photonic waveguides. As a result, the end-fire coupling of the DLSPP waveguide with standard silicon-on-insulator (SOI) waveguides is thoroughly investigated. Both rib and wire variants of the SOI waveguide are examined. In each case, the interface geometrical parameters leading to optimum performance are identified, and the fabrication tolerances about these optimum parameter values assessed. The highest coupling efficiency is attained with the wire variant and equals 85%. The second device family consists of switching elements involving a nonlinear microdisk resonator made of a variant of the conductor-gap-silicon (CGS) hybrid plasmonic waveguide. These devices base their operation on the high third-order susceptibility of a nonlinear polymer incorporated in the resonator and are capable of exhibiting optical bistability. Important advantages of such components are the high switching speed and the all-optical, self-induced operation. The optical response of the system consisting of a nonlinear disk resonator coupled to a bus CGS waveguide is examined by means of a mathematical framework based on perturbation theory and temporal coupled mode theory. It is shown that by setting the disk radius to 1μm and ensuring critical coupling conditions, the input power level needed for placing the operating point in the bistable regime can be made as low as 1W. Moreover, the theoretical ER is infinite and the insertion loss in the order of 1dB. All components considered in this thesis are rigorously analyzed with the three-dimensional vectorial finite element method. In this framework, an absorbing boundary condition (ABC) capable of efficiently exciting and absorbing the hybrid modes supported by the nanophotonic waveguides considered is developed. The proposed ABC is tested in a number of examples and its performance is found to be exceptionally good.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η σχεδίαση πλασμονικών διακοπτικών στοιχείων οδηγούμενου κύματος. Εξετάζονται δύο διαφορετικές κατηγορίες διατάξεων, με κοινό χαρακτηριστικό την αξιοποίηση ενός ή περισσότερων συντονιστών οδεύοντος κύματος (μικροδακτυλίου ή μικροδίσκου). Η πρώτη κατηγορία αφορά θερμο-οπτικά διακοπτικά στοιχεία βασισμένα στον πλασμονικό κυματοδηγό διηλεκτρικής φόρτισης (DLSPP). Αρχικά, διερευνώνται τα χαρακτηριστικά των παθητικών διατάξεων φίλτρου μικροδακτυλίου και μικροδίσκου. Διαπιστώνεται ότι ο συντονιστής μικροδίσκου παρουσιάζει μειωμένες απώλειες ακτινοβολίας, γεγονός που μεταφράζεται σε υψηλότερους συντελεστές ποιότητας. Στη συνέχεια, εξετάζεται ένας αριθμός διαφορετικών θερμο-οπτικών διατάξεων, με σκοπό την αναγνώριση της διάταξης εκείνης που εξασφαλίζει 2x2 λειτουργία με υψηλούς λόγους εξάλειψης για αμφότερες τις θύρες εξόδου. Η διαδικασία της σχεδίασης καταλήγει σε φίλτρο δύο συντονιστών με κάθετους κυματοδηγούς εισόδου/εξόδου. Η κάθετη διάταξη των κυματοδηγών καθιστά τη θύρα απόρριψης προϊόν συμβολής, γεγονός που οδηγεί σε υψηλούς λόγους εξάλειψης για τη θύρα αυτή, ενώ η προσθήκη του δεύτερου συντονιστή είναι απαραίτητη για την αποκατάσταση της συμμετρίας με σκοπό τη 2x2 λειτουργία. Με στόχο την αξιοποίηση των προταθέντων θερμο-οπτικών διακοπτικών στοιχείων σε συνθετότερα νανοφωτονικά κυκλώματα, μελετάται η σύζευξη του DLSPP με κυματοδηγούς της φωτονικής τεχνολογίας πυριτίου. Ειδικότερα, επιλέγεται η προσέγγιση της απευθείας σύζευξης των εμπλεκόμενων κυματοδηγών και διεξάγεται παραμετρική ανάλυση συναρτήσει των γεωμετρικών παραμέτρων της διεπιφάνειας με σκοπό την μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας σύζευξης. Εξετάζονται δύο παραλλαγές του κυματοδηγού πυριτίου, ο κυματοδηγός ράβδωσης και ο κυματοδηγός ταινίας, με τον κυματοδηγό ταινίας να οδηγεί σε υψηλότερη αποδοτικότητα σύζευξης (85%). Η δεύτερη κατηγορία διατάξεων αφορά μη γραμμικά διακοπτικά στοιχεία με υποκείμενη διάταξη τον υβριδικό πλασμονικό κυματοδηγό αγωγού-διακένου-πυριτίου (CGS). Η προσέγγιση που ακολουθείται στηρίζεται στη χρήση μη γραμμικού συντονιστή οδεύοντος κύματος με σκοπό την αξιοποίηση του φαινομένου της οπτικής διστάθειας. Επιλέγεται συντονιστής δίσκου ακτίνας 1μm καθώς παρουσιάζει τις χαμηλότερες απαιτήσεις ισχύος για την εμφάνιση οπτικής διστάθειας. Στη συνέχεια, η οπτική απόκριση συστήματος μη γραμμικού δίσκου συζευγμένου με ευθύγραμμο CGS κυματοδηγό μελετάται με κατάλληλο μαθηματικό πλαίσιο, το οποίο συνδυάζει τη θεωρία μικρών διαταραχών με τη θεωρία συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου. Εξασφαλίζοντας συνθήκες κρίσιμης σύζευξης, επιδεικνύεται διακοπτικό στοιχείο με θεωρητικά άπειρο λόγο εξάλειψης και χαμηλές απώλειες εισαγωγής. Επιπλέον, σημαντικά πλεονεκτήματα της εν λόγω διάταξης αποτελούν η αμιγώς οπτική λειτουργία και η ταχύτατη απόκριση. Το σύνολο των διατάξεων που μελετώνται στα πλαίσια της διατριβής αναλύονται με την τρισδιάστατη, πλήρως διανυσματική μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη μιας απορροφητικής οριακής συνθήκης ικανής να απορροφά/διεγείρει αποτελεσματικά υβριδικούς οδηγούμενους ρυθμούς, οπως αυτοί που υποστηρίζονται από τους νανοφωτονικούς κυματοδηγούς που μελετώνται στη διατριβή. Η επίδοση της προταθείσας συνθήκης αξιολογείται μέσα από μια σειρά αριθμητικών παραδειγμάτων, τα οποία επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητά της.