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Title
Tuning of resonances in photonic crystal slabs / von Roman Gansch
AuthorGansch, Roman
CensorStrasser, Gottfried
Published2010
Descriptionvi, 91 S. : Ill., zahlr. graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2010
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)photonic crystal / photonic crystal slab / plane wave expansion method / revised plane wave expansion method
Keywords (EN)photonic crystal / photonic crystal slab / plane wave expansion method / revised plane wave expansion method
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-42490 Persistent Identifier (URN)
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Tuning of resonances in photonic crystal slabs [10.86 mb]
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Abstract (German)

Der Inhalt dieser Arbeit ist die Simulation und Fabrikation von photonischen Kristallen. Ähnlich wie in einem Festkörperkristall, der die Ausbreitungseigenschaften von Elektronen bestimmt, bestimmt ein photonischer Kristall die Ausbreitungseigenschaften von Photonen. Durch Anpassung des Designs des photonischen Kristalls können neuartige optoelektronische Bauelemente mit bisher unerreichbaren Eigenschaften geschaffen werden, wie zum Beispiel photonische Bandlücken, welche die Wellenausbreitung bei bestimmten Frequenzen vollständig zu unterdrücken.

Weiters können durch Einbringen von Kristalldefekten Resonatoren mit hoher Güte und Wellenleiter mit niedrigen Verlusten gefertigt werden.

Von besonderem Interesse sind photonische Kristallscheiben, da sie kompatibel sind mit den Standardverfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen. Durch Einbringen eines Detektors in eine photonischen Kristallscheibe konnten die resonanten Moden im mitteleren-infraroten Spektralbereich (3m-30m) direkt gemessen werden.

Als Detektor wurde ein Intersubband-Photodetektor eingesetzt. Da das Licht in die resonanten Moden wesentlich effizienter einkoppelt, wird das breitbandige Photostromspektrum durch den photonischen Kristall modifiziert. Dadurch können Detektoren mit schmalen Absorptionslinien gefertigt werden, welche zum Bestimmen der Zusammensetzung chemischer Substanzen genutzt werden können.

Zur Berechnung der Bandstruktur von photonischen Kristallen sind verschiedene Simulationsstrategien verfügbar. Methoden wie die sogenannte "finite difference time domain" liefern zwar genaue Ergebnisse, speziell wenn die endliche Ausdehnung der Bauelemente berücksichtigt werden muss, aber die Berechnungszeiten sind lange und es wird viel Speicherplatz benötigt. Daher wurde für diese Arbeit die "revised plane wave expansion method" verwendet. Hier werden photonische Kristallmoden durch Summen von ebenen Wellen approximiert. In Kombination mit einem effektiven Brechungsindex, um die Modenführung in der Scheibe zu berücksichtigen, liefert diese Simulation Banddiagramme innerhalb weniger Minuten. Die Ergebnisse stimmen mit Messungen an photonischen Kristallscheiben gut überein.

In einem dielektrischen planaren Wellenleiter sind die Moden nicht ausschließlich auf zwei Dimensionen beschränkt. Die elektromagnetische Feldverteilung erstreckt sich bis in das umgebende Medium und klingt dort exponentiell ab. Durch Verändern der Distanz der photonischen Kristallscheibe zum Substrat wird die elektromagnetische Feldverteilung in der Scheibe beeinflusst. Mittels anlegen einer Spannung zwischen Substrat und Scheibe kann ein elektrostatische Kraft erzeugt werden, welche die Scheibe näher zum Substrat bringt. Dadurch können die photonischen Kristallresonanzen gezielt beeinflusst werden. Derartige Bauelemente wurden simuliert, hergestellt und gemessen.

Abstract (English)

The focus of this thesis is the simulation and fabrication of photonic crystals. Like a solid state crystal determines the propagation properties of electrons, a photonic crystal determines the propagation properties of photons. By tailoring the geometry of the photonic crystal novel optoelectronic devices can be obtained with properties that were previously unachievable. Complete optical bandgaps to inhibit wave propagation are possible, which are unknown from conventional bulk materials. By introducing crystal defects in photonic crystals, high Q cavities or low loss waveguides can be fabricated.

Photonic crystal slabs are of particular interest as they are compatible with standard semiconductor processes. The resonant modes of photonic crystal slabs in the mid-infrared region (3m-30m) were measured by processing the photonic crystal from detector material. For mid-infrared light this can be achieved by intersubband absorption in a quantum well infrared photodetector. The broad photocurrent spectral response of the photodetector is modified by the photonic crystal as coupling to the resonant modes is much more efficient. This behavior allows to build detectors with narrow spectral absorption peaks, which can be used for chemical fingerprinting.

To compute band diagrams for photonic crystal slabs several simulation strategies are available. Methods like finite differences time domain deliver accurate results, especially when considering the finite extensions of the devices. But they require a lot of computation time and memory space. For this thesis the revised plane wave expansion method, combined with an effective refractive index computation to account for mode guiding in the slab, was implemented. With this method band diagrams can be computed within several minutes and the results from this simulation are in good agreement to the measurements from fabricated photonic crystal slabs.

In a dielectric slab wave guide the modes are not fully confined to the slab. The electromagnetic field distribution has evanescent tails that extend into the surrounding cladding region. Changing the distance from the photonic crystal slab to the substrate influences the electromagnetic field distribution in the slab and hereby the resonances in the photonic crystal. By applying a voltage between substrate and slab an electrostatic actuator is formed, the resulting force pulls the slab closer to the substrate and the photonic crystal resonances are tuned. Such device structures were simulated, fabricated and measured.

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