Photonic crystal slabs

Abstract

Fotonikiteissä jaksollinen vähintään kahdesta eri dielektrisestä materiaalista koostuva mikrorakenne aiheuttaa sähkömagneettisille aalloille kielletyn taajuuskaistan, jolla valon eteneminen estyy. Kielletyn taajuuskaistan ansiosta fotonikiteillä pystytään vaikuttamaan sekä valolähteiden spontaanin emission elinaikaan että valon dispersiorelaatioon. Periodisuutta hallitusti rikkomalla voidaan sähkömagneettisten aaltojen kulkuun vaikuttaa aaltojohteiden tapaan. Etuna on se, että fotonikiteet mahdollistavat potentiaalisesti valon kuljettamisen pienessä tilassa ja jopa aaltojohteen tehdessä jyrkkiä kulmia. Fotonikiteiden avulla uskotaan siis saavutettavan valtavia edistysaskeleita kohti optista prosessointia ja tiedonsiirtoa.

Tässä diplomityössä keskityttiin simuloimaan planaarisia fotonikiderakenteita, suunnassa valoa ohjaa fotonikiderakenteen aikaansaama osittainen kielletty taajuuskaista ja pystysuunnassa valon kulkua rajoittaa ala- ja yläpuolella olevat materiaalirajapinnat esim. oksidikerrokset tai dielektrisen materiaalin ja ilman rajapinta. 8imuloinnissa käytettiin MIT:n photonic bands-ohjelmaa, jolla voi ratkaista taajuusavaruuden ominaistilat Maxwellin yhtälöille jaksollisessa eristerakenteessa tasoaaltomenetelmää hyväksikäyttäen. Erityisesti haluttiin tutkia miten pystysuunnan symmetrisyys vaikuttaa kiellettyihin taajuuskaistoihin, sillä yhtenä mahdollisena substraattimateriaalina voisi toimia piin ja piidioksidin muodostama kerrosrakenne, joka perustuisi kaupallisiin SOI-kiekkoihin, jolloin valmistuksessa voitaisiin tukeutua melko standardeihin mikroelektroniikan prosesseihin. Työssä tutkittiin lisäksi sitä, miten kielletyn taajuuskaistan käyttäytyminen muuttuu, kun SOI-rakenteen eri parametreja muuteltiin.

Simulaatioiden tulosten mukaan myös epäsymmetrisellä SOI-rakenteella saadaan aikaan merkittäviä kiellettyjä taajuuskaistoja, mutta kerrosten paksuudella ja rakenteiden yksityiskohdilla on voimakas vaikutus taajuuskaistan leveyteen. Planaarisen aaltojohteen varsinaisen fotonikiderakenteen korkeus on valittava riittävän ohueksi, jotta korkeammat optiset moodit eivät esiintyisi tässä kerroksessa. Toisaalta kerroksen korkeuden on oltava riittävän suuri, jotta haluttu moodi rajoittuu itse rakenteeseen ja että kielletty taajuuskaista on myös riittävän leveä. Parhaat tulokset saatiin noin puolen optisen aallonpituuden korkuisilla fotonikiderakenteilla. Tulokset vaativat vielä kokeellisen varmistamisen, sillä tasoaaltomenetelmä ei ole paras mahdollinen tapa ratkaista ominaisarvoyhtälöä rakenteilla, joissa on ohuita päällekkäisiä kerroksia.