Integrated nanophotonic elements utilizing two-dimensional materials for switching applications and light sources

Abstract

The topic of the current dissertation is the proposal, design, and study of monolithically integrated nanophotonic elements exploiting the extraordinary properties of contemporary 2D materials for switching applications and light sources in the NIR. The nanophotonic structures under study are based on two distinct constituent entities or structural blocks. The first one, is the highly-favorable light-guiding properties and the technological maturity of the silicon-on-insulator (SOI) and silicon-rich-nitride-on-insulator (SRNOI) technological platforms, which enable the realization of monolithically integrated nanophotonic resonance cavities supporting tightly-confined and high quality-factor modes. The main focus has been concentrated on guided-wave whispering-gallery mode (WGM) disk resonators coupled with appropriate access waveguides, facilitating their on-chip integration with other optical components. The second constituent entity is the exceptional nonlinear and luminescence properties of graphene monolayers and TMD hetero-bilayers, respectively, complemented by their compatibility with the SOI and SRNOI platforms. Taking advantage of both the aforementioned structural blocks, we have proposed and assessed the response of small-footprint, all-optical routing elements and lasing sources of both CW and pulsed operation, characterized by highly-favorable performance metrics, such as very low power requirements, high bandwidth, short pulse duration, and increased repetition rates. All the proposed resonance configurations have been meticulously designed utilizing general design directives that have been derived throughout the dissertation, aiming at enhancing the performance metrics as well as tailoring the interplay between various nonlinear effects. Furthermore, the proposed routing and lasing elements have been properly examined accounting for accurate microscopic descriptions of both graphene and TMD hetero-bilayers, while considering all the underlying physical phenomena of both the sheet- and bulk-type materials. A concurrent and complementary target of this dissertation constitutes the development of robust, rigorous, and efficient computational methods for the accurate evaluation of the overall response of the proposed nanophotonic structures, as well as the acquisition of deeper physical insight and the extraction of general design directives. The computational methods developed in this dissertation are based on the temporal coupled-mode theory (CMT) and first-order perturbation theory fed by linear finite element method (FEM) simulations. Initially, the focus of this dissertation has been concentrated on leveraging the low-power and ultrafast saturable absorption (SA) effect of graphene for all-optical control of light in a practical structure based on a SOI disk resonator. The SA effect is described by a phenomenological microscopic model associating the surface conductivity of graphene to the photogenerated electron density in the conduction band of the sheet material. This description enables the examination of both the SA finite relaxation time and carrier diffusion effects on the collective nonlinear response of the material, the influence of which has been found that affect both the power requirements and the temporal response of the overall nanophotonic structure. Next, the research study focuses on integrated nanophotonic lasers utilizing TMD hetero-bilayers as gain media. Starting from the fundamental Maxwell-Bloch equations, an accurate and efficient framework for nanophotonic resonators with gain, based on CMT, is rigorously and meticulously derived using a limited number of essential and widely used approximations of the laser theory. The developed framework is applicable to ``class C'' lasers and can be used for any nanophotonic laser with arbitrary cavity geometry and underlying materials encompassing either conventional bulk-type or contemporary sheet-type gain media. Subsequently, an integrated lasing element based on a SRNOI disk resonator overlaid by the MoS2/WSe2 TMD hetero-bilayer is proposed, designed and numerically analyzed in full. The proposed lasing source is characterized by single-mode operation, low threshold of 1.3 mW, and an appreciable total efficiency of 1.7%. In the last part of the dissertation, the research interest is steered towards the vastly unexplored field of integrated nanophotonic pulsed lasers. Combining the light-emitting properties of MoS2/WSe2 and the SA effect of graphene, a passively Q-switched lasing element in the NIR is proposed, designed, and theoretically studied. The Q-switched operation is attainable for a wide range of pump power levels spanning from just above the lasing threshold (24.2 μW) up to 3.5 mW. The Q-switched pulses are characterized by mW peak power, ps duration, and repetition rates up to tens of GHz, accompanied by very low pump power requirements.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάλυση, ο σχεδιασμός, και γενικότερα η μελέτη μονολιθικά ολοκληρωμένων νανοφωτονικών στοιχείων που αξιοποιούν δισδιάστατα (2Δ) υλικά, για εφαρμογές μεταγωγής και πηγών φωτός (laser) στην κοντινή υπέρυθρη περιοχή. Οι νανοφωτονικές διατάξεις που μελετώνται βασίζονται πάνω σε δύο βασικούς άξονες. Ο πρώτος άξονας συνίσταται με τις ιδιαίτερα επιθυμητές ιδιότητες οδήγησης και συγκέντρωσης του φωτός στην υπο-μικρομετρική κλίμακα της συμβατικής τεχνολογικής πλατφόρμας του πυριτίου-σε-μονωτή (silicon-on-insulator, SOI), αλλά και της σύγχρονης πλατφόρμας του ενισχυμένου-νιτριδίου-του-πυριτίου-σε-μονωτή (silicon-rich-nitride-on-insulator, SRNOI). Μέσω αυτών είναι δυνατή η υλοποίηση νανοφωτονικών συντονιστών που υποστηρίζουν οπτικούς ρυθμούς με υψηλούς συντελεστές ποιότητας και μειωμένους ενεργούς όγκους, ενισχύοντας έτσι σημαντικά την αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης. Τον δεύτερο άξονα συνθέτουν τα αξιοσημείωτα και καινοφανή οπτικά χαρακτηριστικά των 2Δ υλικών, όπως οι ιδιότητες απορρόφησης και εκπομπής φωτός, καθώς επίσης και τα μη γραμμικά φαινόμενα που παρουσιάζουν. Συγκεκριμένα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στρέφεται στην αξιοποίηση του γραφενίου για το ισχυρό μη γραμμικό φαινόμενο της κορέσιμης απορρόφησης (saturable absorption, SA) που επιδεικνύει, καθώς και τα διχαλκογενίδια μετάλλου μετάπτωσης (transition metal dichalcogenides, TMDs) και τις ετεροδομές αυτών ως ενεργά μέσα. Αξιοποιώντας τους παραπάνω βασικούς άξονες, είναι εφικτή η σχεδίαση αμιγώς οπτικών διατάξεων μεταγωγής και πηγών φωτός με νανοφωτονικά χαρακτηριστικά, συνεχούς και παλμικής λειτουργίας, οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλές επιδόσεις όσον αφορά στις απαιτήσεις σε ισχύ λειτουργίας, το προσφερόμενο εύρος ζώνης, καθώς και την εκπεμπόμενη ισχύ και ενέργεια. Όλες οι προτεινόμενες διατάξεις σχεδιάζονται λεπτομερώς και συστηματικά χρησιμοποιώντας ένα πλήθος από γενικές σχεδιαστικές μεθοδολογίες που αναπτύσσονται σε όλη την έκταση της διατριβής. Οι σχεδιαστικές μεθοδολογίες στοχεύουν στην βελτιστοποίηση των επιδόσεων των υπό μελέτη διατάξεων, καθώς στην επίτευξη της απαιτούμενης αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφορετικών μη γραμμικών φαινόμενων των υποκείμενων υλικών. Η απόκριση των διατάξεων που εξετάζονται αναλύεται και μελετάται με ένα μαθηματικά αυστηρό και φυσικά συνεπή τρόπο, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα υποστηριζόμενα γραμμικά και μη γραμμικά φαινόμενα των υλικών που συνθέτουν τις κοιλότητες συντονισμού. Για το σκοπό αυτό, κατά την διάρκεια εκπόνησης της διατριβής αναπτύσσεται ένα κατάλληλο και γενικό υπολογιστικό πλαίσιο για τον ακριβή και ταχύ υπολογισμό της συνολικής μη γραμμικής απόκρισης των υπό μελέτη νανοφωτονικών διατάξεων, το οποίο βασίζεται στην θεωρία συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου (temporal coupled-mode theory, temporal CMT), στην θεωρία μικρών διαταραχών (perturbation theory), και στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (finite element method, FEM). Το πρώτο μέρος της διατριβής αφιερώνεται στην αξιοποίηση του φαινομένου της κορέσιμης απορρόφησης του γραφενίου για την επίτευξη αμιγώς οπτικής μεταγωγής του φωτός σε μία πρακτική διάταξη συντονιστή δίσκου της συμβατικής πλατφόρμας SOI. Το φαινόμενο της κορέσιμης απορρόφησης περιγράφεται μέσω της εξάρτησης της επιφανειακής αγωγιμότητας του γραφενίου από τα διεγερμένα ηλεκτρόνια στην ταινία αγωγιμότητας του. Η περιγραφή αυτή επιτρέπει τη μελέτη των φαινόμενων του πεπερασμένου χρόνου ζωής και της διάχυσης των φορέων, η συμμετοχή των οποίων βρέθηκε ότι επηρεάζει σημαντικά τόσο την απαιτούμενη ισχύ λειτουργίας όσο και την ταχύτητα απόκρισης της διάταξης. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, η έρευνα στρέφεται σε μονολιθικά ολοκληρωμένες νανοφωτονικές πηγές εκπομπής φωτός. Με σημείο εκκίνησης τις εξισώσεις Maxwell-Bloch της ημικλασσικής θεωρίας laser, αναπτύσσεται συστηματικά και με μαθηματικά αυστηρό και συνεπή τρόπο ένα ενιαίο πλαίσιο βασισμένο στη CMT για νανοφωτονικούς συντονιστές με κέρδος. Το πλαίσιο είναι γενικό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή νανοφωτονικών κοιλοτήτων οποιασδήποτε γεωμετρίας και υποκείμενων υλικών, αποτελούμενες είτε από συμβατικά τρισδιάστατα είτε από σύγχρονα δισδιάστατα ενεργά μέσα, που περιγράφονται από ένα αυθαίρετο πλήθος εξαναγκασμένων μεταβάσεων και ενεργειακών επιπέδων. Αξιοποιώντας το πλαίσιο, σχεδιάζεται αναλύεται και μελετάται μία πρακτική διάταξη πηγής εκπομπής φωτός που αξιοποιεί την ετεροδομή TMD MoS2/WSe2 ως ενεργό μέσο. Η προτεινόμενη πηγή φωτός χαρακτηρίζεται από μονόρρυθμη λειτουργία, χαμηλό κατώφλι εκπομπής ισχύος ίσο με 1.3 mW, και συνολικής αποδοτικότητας 1.7%. Στο τρίτο και τελευεταίο μέρος της διατριβής, η έρευνα επικεντρώνεται στο τεχνολογικά ανεξερεύνητο επιστημονικό πεδίο των μονολιθικά ολοκληρωμένων νανοφωτονικών παλμικών πηγών εκπομπής φωτός. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται, σχεδιάζεται, και μελετάται μια παθητική νανοφωτονική πηγή εκπομπής φωτός μεταγωγής-Q (passively Q-switched laser) που αξιοποιεί επίσης την ετεροδομή TMD MoS2/WSe2 ως ενεργό μέσο και ένα μονοατομικό φύλλο γραφενίου ως κορέσιμο απορροφητή. Η προτεινόμενη πηγή προσφέρει παλμική εκπομπή για ένα μεγάλο εύρος επιπέδων ισχύος άντλησης από 24.2 μW έως 3.5 mW, ενώ χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα επιθυμητά χαρακτηριστικά λειτουργίας, όπως εξαιρετικά χαμηλή ισχύς άντλησης και εκπεμπόμενους παλμούς με ισχύς κορυφής της τάξης των mW, χρονική διάρκεια της τάξης των ps, και ρυθμό επανάληψης της τάξης των GHz.