Nanophotonics with Group III–V Compound Semiconductor Nanowires

Abstract

Crystalline group III–V compound semiconductor nanowires have gained considerable research interest towards nanoscale devices in optoelectronics and other nanophotonics applications due to the unique opportunities presented by their bottom-up growth methods. For research and design of such nanophotonics devices, numerical optics modeling is an invaluable tool which helps to increase the physical understanding of the device operation and to reduce costly and time-consuming prototyping. This thesis presents the results of the studies conducted on III–V nanowires for nanophotonics applications and efficient numerical optics modeling techniques for the analysis and design of light manipulation in such applications. The fabrication and performance of III–V nanowire single-photon sources with an embedded quantum dot emitter were reviewed with comparison to other, top-down-fabricated semiconductor quantum-dot-based designs. This work addressed the previous lack of a detailed nanowire-focused single-photon source comparison, especially taking into consideration their fabrication. The benefits and challenges of nanowire single-photon sources together with potential future research directions were elucidated. Novel waveguide modes in vertical nanowire oligomers were investigated with numerical simulations, and the suitability of such modes for lasing was considered based on their modal properties. So far, previously reported studies had largely considered guided modes and laser applications for only single nanowires. Hybridized guided modes with improved modal properties compared to single-nanowire modes were found for the studied oligomers and further research was suggested. A method was also presented in this work for extending the symmetry reduction of finite element method models for linear optics scattering problems to the case of nonsymmetric plane-wave incidence. The achieved computational cost reduction was also demonstrated with numerical examples. Such a symmetry reduction method was found to be previously missing from the literature. Additionally, the issue of relative numerical performance and choosing between the Fourier modal method, finite element method, and finite-difference time-domain method in various incident light absorption simulation cases was addressed.

Kiteiset ryhmien III–V yhdistepuolijohdenanolangat ovat saaneet osakseen paljon huomiota tutkimuksissa, jotka tähtäävät nanomittakaavan laitteisiin optoelektroniikan ja muilla nanofotoniikan sovellusalueilla, johtuen niiden alhaalta ylös -kasvatusmenetelmien tarjoamista erityisistä mahdollisuuksista. Tämän kaltaisten nanofotoniikan laitteiden tutkimuksessa ja suunnittelussa numeerinen mallintaminen on korvaamattoman tärkeä työkalu, jonka avulla voidaan paremmin ymmärtää laitteen fysikaalisia toimintaperiaatteita sekä vähentää kallista ja hidasta prototyyppien käyttöä. Tässä väitöskirjassa esitetään tulokset tutkimuksista, jotka tehtiin liittyen III–V nanolankojen nanofotoniikan sovelluksiin sekä suorituskykyisiin numeerisiin menetelmiin, joilla voidaan analysoida ja suunnitella valon käsittelyä tämän kaltaisissa sovelluksissa. Kvanttipiste-emitterin sisältävään III–V nanolankaan perustuvien yhden fotonin lähteiden valmistuksesta ja suorituskyvystä tehtiin vertaileva kirjallisuustutkimus, jossa näitä verrattiin ylhäältä alas -menetelmillä valmistettuihin muihin puolijohdekvanttipisteisiin perustuviin yhden fotonin lähteisiin. Tässä työssä käsiteltiin aiemmissa tutkimuksissa puutteelliseksi jäänyt nanolankoihin keskittyvä yhden fotonin lähteiden vertailu, erityisesti niiden valmistukseen liittyen. Työssä tuotiin esille näiden nanolankoihin perustuvien lähteiden edut ja haasteet sekä niihin liittyviä mahdollisia jatkotutkimusaiheita. Uudenlaisia pystysuuntaisissa nanolankaoligomeereissä esiintyviä optisia aaltojohdinmoodeja tutkittiin numeeristen simulaatioiden avulla, ja näiden moodien sopivuutta laserointiin arvioitiin niiden modaalisten ominaisuuksien perusteella. Tähänastisissa aiemmissa tutkimuksissa oli enimmäkseen keskitytty vain yksittäisten nanolankojen optisiin aaltojohdinmoodeihin ja niiden lasersovelluksiin. Tutkituille oligomeereille löydettiin hybridisoituneita moodeja, joilla oli parantuneita modaalisia ominaisuuksia yhden nanolangan moodeihin nähden, minkä lisäksi esitettiin ehdotuksia jatkotutkimuksia varten. Työssä esitettiin myös menetelmä, jonka avulla voidaan laajentaa finite element method -mallien symmetriaredusointi lineaarisen optiikan sirontaongelmissa epäsymmetrisen tulevan tasoaallon tapauksiin. Saavutettavat vähennykset laskennallisessa kuormassa havainnollistettiin myös numeerisilla esimerkeillä. Vastaavan symmetriaredusointimenetelmän todettiin aiemmin puuttuvan kirjallisuudesta. Lisäksi käsiteltiin numeeristen menetelmien Fourier modal method, finite element method ja finite-difference time-domain method keskinäistä suorituskykyä sekä niiden välillä tehtävää valintaa erilaisissa tulevan valon absorptiota käsittelevissä simulaatioissa.