Understanding of Controllable Optical Memory Using 1D Inp Based Photonic Structures at Three Communication Windows

The present research realises a controllable optical memory using one dimensional indium phosphate (InP) photonic structures at three optical communication windows (850 nm, 1310 nm and 1550 nm). The photonic structures comprise 21 layers of InP and air material. The memory applications are realised at both single and dual signals of the communication windows. The physics of the research deals with the materials property including the variation of the refractive indices with respect to the input signal. Similarly, mathematics of the works relies on the analysis of reflectance, transmittance and absorbance phenomena. Further, the light from visible spectrum acts as triggering signal to realise optical memory applications. Finally, it is revealed that InP based photonic structures are suitable for controllable memory applications pertaining to the single wavelength (850 nm, 1310 nm, 1550 nm) or dual wavelengths (850 nm and 1310 nm, 1310 nm and 1550 nm, 1550 nm and 850 nm).

INVESTIGATION OF THERMAL RADIATION ANGULAR AND POLARIZATION CHARACTERISTICS OF ONE-DIMENSIONAL PHOTONIC STRUCTURES ON A FINITE SUBSTRATE

One-dimensional photonic structures (PS) are the layered metamaterials, which optical properties are due to interference effects within the structure. Due to the interaction of electromagnetic waves with the periodic structure, the thermal radiation (TR) of such PS has the features of coherent: it has a selective spectrum and a petal pattern. The relevance of TR PS research is due to the search for new materials to create sources of infrared (IR) radiation in the middle and far IR range (with a wavelength > 5 μm). The second important area of application of the radiating properties of the PS is the creation of non-radiating coatings to remove unwanted TR from the heated surfaces of the IR devices. Despite the fact that the irradiative properties of PS have been studied quite well, in the literature insufficient attention is paid to the influence of the finite substrate on the parameters of TR structures. The influence of a finite incoherent substrate on the angular and polarization characteristics of the thermal radiation of the system (photonic structure)/substrate has been investigated. Systems consisting of plane-parallel Ge or Si plates as PS and incoherent BaF2, BaF2/Al and Al substrates were used in experimental studies. It has been established, the contrast and amplitude of the directional diagram petals of the TR system depend on the ratio of the optical characteristics of the photonic structure and the substrate. The presence of a strongly reflective substrate eliminates the difference between the angular dependences of the s- and p-polarized components of the TR. In the case when the PS is placed on a transparent incoherent substrate with a lower refractive index, there is an increase in the p-polarized component of the TR and the suppression of the s-polarized. The thermal imaging picture of the TR angular distribution of the Si/Al system has been recorded and it was experimentally proved that the TR of photonic systems exhibits circular patterns. The results of the work can be used in the development of narrowband emitters in the middle and far infrared range, coatings to increase radiation energy exchange and coatings with minimal emissivity that are invisible in the thermal range.

A study of terahertz - photonic structures and nano-antennas based on eigen-analysis techniques formulated using finite element method

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας ιδιοανάλυσης Terahertz (THz)-φωτονικών διατάξεων και νανο-κεραιών, τα οποία αποτελούν ανα- πόσπαστα κομμάτια των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων της πέμπτης (5G) ή ανώτερης γενιάς. Η βασική ιδέα πίσω από τη μεθοδολογία αυτή εντοπίζεται στη με- ταφορά της τεχνογνωσίας που έχει αναπτυχθεί για τη μελέτη των μικροκυματικών γε- ωμετριών στη μελέτη THz και φωτονικών διατάξεων. Η αναγκαιότητα μιας αριθμητικής ανάλυσης των αναπτυσσόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στις υπό μελέτη διατάξεις πριν τη διαδικασία κατασκευής τους είναι αδιαμφισβήτητη μιας και δεν υπάρχουν απλοί κανόνες σχεδίασης σε αυτό το υψηλό φάσμα συχνοτήτων. Η διατύπωση της αναπτυχθείσας ιδιοανάλυσης βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), μια στιβαρή και καλά ορισμένη αριθμητική μέθοδο, ικανή να χειρίζεται γεωμετρίες αυθαίρετου σχήματος που δύναται να περιέχουν ανισοτρόπα και ανομοιογενή υλικά. Ο βασικός λόγος που η συγκεκριμένη διατριβή στρέφεται σε τεχνικές ιδιοανάλυσης είναι η αποκάλυψη των φυσική μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις υπό μελέτη διατάξεις. Συνεπώς ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών λειτουργίας των διατάξεων, όπως η συχνότητα συντονισμού, ο συντελεστής ποιότητας και η κατανομή των πεδίων-ρευμάτων, παρέχει τις απαραίτητες οδηγίες λειτουργίας τους. Η ανάλυση κατηγοριοποιείται σε δύο μέρη. Το πρώτο κομμάτι περιλαμβάνει την ιδιοανάλυση ανοικτών-ακτινοβολουσών διατάξε- ων που λειτουργούν στο THz-φωτονικό φάσμα συχνοτήτων. Η συγκεκριμένη ανάλυση αναπτύσσεται βασιζόμενη στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για τη μελέτη της ακτινοβολίας χρησιμοποιείται μια μεθοδολογία περιορισμού του χώρου επίλυσης. Συγκεκριμένα εισάγεται μια ιδεατή-τεχνητή επιφάνεια που περικλύει την υπό μελέτη γεωμετρία και περιορίζει τον άπειρο χώρο επίλυσης. Η παρούσα ιδεατή επιφάνεια πρέπει να είναι διαφανής σε κάθε προσπίπτον-σκεδανύμενο κύμα. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διατύπωση μιας μιγαδικής αντίστασης. Η παρούσα εργασία υιοθετεί τις οριακές συνθήκες απορρόφησης (ABC) για να εκφράσει τη συμπεριφορά αυτή της ιδεατής επιφάνειας. Ωστόσο οι ABC είναι υπεύθυνες για την εμφάνιση ψευδών ρυθμών εξαιτίας των μη-απορροφούμενων προσπιπτόντων υπό γωνία κυμάτων πάνω στην επιφάνεια αυτή. Επιπλέον η μη-πλήρης ικανοποίηση των εξισώσεων του Maxwell αποτελεί μια ακόμη αιτία εμφάνισης μη-φυσικών λύσεων. Για το σκοπό εφαρμόζεται μια τεχνική γνωστή ως tree-cotree για την καταστολή των ψευδών αυτών ρυθμών. Οι σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις απαιτούν συχνότητες λειτουργίας οι οποίες κυμαίνονται σε ένα φάσμα δεκάδων GHz. Για να ανταποκριθούν στις σύγχρονες απαιτήσεις τα επερχόμενα συστήματα οφείλουν να λειτουργούν ευέλικτα, επιδεικνύοντας τη δυνατότητα συντονισμού τους ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Σε αυτό το πλαίσιο η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια καινοτόμο προσέγγιση για τη μελέτη του ηλεκτρονικού συντονισμού σε THz και φωτονικές δομές. Το δεύτερο κομμάτι της ανάλυσης είναι αφιερωμένο στη θεωρία των Χαρακτηριστικών Ρυθμών (TCM), μια εξελισσόμενη αριθμητική τεχνική την τελευταία δεκαετία. Τα σύγχρονα συστήματα κεραιών οφείλουν να έχουν μικρό μέθεθος, να είναι συμπαγή, καθώς και να παρουσιάζουν δυνατότητες πολλαπλών δεσμών και πολλαπλών εισόδων-εξόδων επιδεικνύοντας μια απόδοση υπέρ ευρείας ζώνης. Σε αυτό το πλαίσιο η θεωρία χαρακτηριστικών ρυθμών αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο, καθώς προσφέρει μια εναλλα- κτική ηλεκτρομαγνητική ανάλυση διαφόρων διατάξεων (κυρίως των κεραιών), η οποία δεν εξαρτάται από κάποια συγκεκριμένη διέγερση. Η παρούσα διατριβή παρουσία μια καινοτόμα διατύπωση του προβλήματος χαρακτηριστικών ρυθμών βασιζόμενη στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων απαλλαγμένη από την εξίσωση Green, από την οποία εξαρτάται η κλασική διατύπωση που βασίζεται στη μέθοδο ροπών (ΜοΜ). Το χαρακτη- ριστικό αυτό της μη υποχρεωτικότητας προσδιορισμού της εξίσωσης Green αποτελεί το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου. Αναλυτικότερα, η βασιζόμενη στη MoM ανάλυση των αυθαίρετης διάταξης δομών απαιτεί τον προσδιορισμό της δυαδικής εξίσωσης Green. Όμως οι εμπλεκόμενες δυσκολίες είναι εξαιρετικά μεγάλες, που πρακτικά περιορίζουν την εφαρμοσιμότητα της τεχνικής αυτής. Εναλλακτικά, η MoM χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τις επιφανειακές ολοκληρωτικές εξισώσεις, όπου το “φόρτωμα” των υλικών “εξαλείφεται” από την “αρχή ισοδυναμίας πεδίου”. Ωστόσο αυτή η προσέγγιση (Poggio-Miller-Chan-Harrington-Wu-Tsai, PMCHWT) γίνεται εξαιρετικά πολύπλοκη και στην πράξη περιορίζεται σε σχετικά απλές ανομοιογένειες. Επιπλέον η συνήθεις ολοκληρωτικές εξισώσεις ηλεκτρικού (EFIE) ή μαγνητικού (MFIE) πεδίου πάσχουν από το γνωστό πρόβλημα “ψευδών εσωτερικών συντονισμών”. Διάφορες προσπάθειες εξάλειψης του θέματος αυτού έχουν πραγματοποιηθεί με χρήση των ολοκληρωτικών εξισώσεων συνδυαζόμενου πεδίου (CFIE), οι οποίες περιλαμβάνουν πιο προχωρημένες προσεγγίσεις, που συνοδεύονται όμως από υπέρμετρη πολυπλοκότητα. Ακόμη δεν είναι ξεκάθαρο αν η ιδιοανάλυση βασιζόμενη στη FEM θα είναι απαλλαγμένη από εσω- τερικούς συντονισμούς, κάτι που αποτελεί ένα από τα προβλήματα που αντιμετωπίζονται εδώ. Οι αναπτυχθείσες τεχνικές ιδιοανάλυσης δοκιμάζονται μέσω της μελέτης διαφόρων αριθμητικών παραδειγμάτων. Αναλυτικότερα, συντονιζόμενοι συντονιστές μικροδακτυλίου, νανο-κεραίες που λειτουργούν στις THz και οπτικές συχνότητες και διάφορες διηλεκτρικές, μεταλλικές ή συνδυασμός αυτών νανο-τοπολογίες ερευνώνται διεξοδικά.

Electromagnetic fields and applications for anisotropic / photonic structures

Το πρώτο μέρος αφορά τoν σχεδιασμό κεραίας με σκοπό την εμφύτευση της σε περιβάλλον ανθρώπινου ιστού. Πιο συγκεκριμένα, η κεραία προορίζεται για την ενσωμάτωση της σε εφαρμογές τύπου βηματοδότη, δηλαδή σε εφαρμογές που έχουν ως περιβάλλον την μορφολογία του ανθρώπινου στήθους. Επιπλέον πραγματοποιείται εκτενής συγκριτική μελέτη όλων των συνδυασμών των τεχνικών σμίκρυνσης που αναφέρονται στην βιβλιογραφία, προκειμένου να εξαχθεί ένας οδηγός για τους σχεδιαστές εμφυτεύσιμων κεραιών, όσον αφορά τις δυνατότητες σμίκρυνσης που προσφέρει ο κάθε συνδυασμός και επομένως να διευκολύνει την διαδικασία σχεδίασης.Το δεύτερο, και κύριο μέρος, της διδακτορικής διατριβής πραγματεύεται την επίλυση ηλεκτρομαγνητικών (ΗΜ) προβλημάτων διαφόρων τύπων. Αρχικά, αναπτύχθηκε μια μέθοδος με σκοπό τον υπολογισμό του σκεδαζόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου από κυλινδρικούς σκεδαστές, με άπειρο μήκος κατά μήκος του άξονα του κυλίνδρου. Κύριος πυλώνας της μεθόδου αυτής αποτέλεσε η χρήση των Coupled Fields Volume Integral Equations (CFVIEs), καθώς και η ανάπτυξη των άγνωστων πεδίων σε αναπτύγματα τύπου Dini. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χειριστεί με ευκολία ηλεκτρικά μεγάλες διατάξεις, οι οποίες αποτελούνται από ισοτροπικά/ανισοτροπικά υλικά, ακόμη και με υψηλή ανομοιογένεια. Στην συνέχεια, αναπτύχθηκε υπολογιστική μέθοδος για την εξαγωγή των κυματαριθμών αποκοπής για την περίπτωση του κυλινδρικού κυματοδηγού κυκλικής διατομής, με μεταλλικά τοιχώματα. Η μέθοδος αυτή, επίσης, στηρίχθηκε στις CFVIEs καθώς και στα αναπτύγματα τύπου Dini. Τέλος, αναπτύχθηκε ασυμπτωτική μέθοδος για τον υπολογισμό των μιγαδικών συντονισμών των Whispering Gallery Modes (WGM) για την περίπτωση κυλινδρικού συντονιστή. Για την εξαγωγή των ασυμπτωτικών εκφράσεων χρησιμοποιήθηκε η συνάρτηση Airy.