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.

Far-IR to deep-UV adaptive supercontinuum generation using semiconductor nano-antennas via carrier injection rate modulation

Supercontinuum generating sources, which incorporate a non-linear medium that can generate a wideband intensity spectrum under high-power excitation, are ideal for many applications of photonics such as spectroscopy and imaging. Supercontinuum generation using ultra-miniaturized devices is of great interest for on-chip imaging, on-chip measurement, and for future integrated photonic devices. In this study, semiconductor nano-antennas are proposed for ultra-broadband supercontinuum generation via analytical and numerical investigation of the electric field wave equation and the Lorentz dispersion model, incorporating semiconductor electron dynamics under optical excitation. It is shown that by a rapid modulation of the carrier injection rate for a semiconductor nano-antenna, one can generate an ultra-wideband supercontinuum that extends from the far-infrared (Far-IR) range to the deep-ultraviolet (Deep-UV) range for an infrared excitation of arbitrary intensity level. The modulation of the injection rate is achieved by high-intensity pulsed-pump irradiation of the nano-antenna, which has a fast nonradiative electron recombination mechanism that is on the order of sub-picoseconds. It is shown that when the pulse period of the pump irradiation is of the same order with the electron recombination time, rapid modulation of the free electron density occurs and electric energy accumulates in the nano-antenna, allowing for the generation of a broad supercontinuum. The numerical results are compared with the semiempirical second harmonic generation efficiency results for validation and a mean accuracy of 99.7% is observed. The aim of the study is to demonstrate that semiconductor nano-antennas can be employed to achieve superior supercontinuum generation performance at the nanoscale and the process can be programmed in an adaptive manner for continuous spectral shaping via tuning the pulse period of the pump irradiation.

Bright single photon emitters with enhanced quantum efficiency in a two-dimensional semiconductor coupled with dielectric nano-antennas

Single photon emitters in atomically-thin semiconductors can be deterministically positioned using strain induced by underlying nano-structures. Here, we couple monolayer WSe2 to high-refractive-index gallium phosphide dielectric nano-antennas providing both optical enhancement and monolayer deformation. For single photon emitters formed on such nano-antennas, we find very low (femto-Joule) saturation pulse energies and up to 104 times brighter photoluminescence than in WSe2 placed on low-refractive-index SiO2 pillars. We show that the key to these observations is the increase on average by a factor of 5 of the quantum efficiency of the emitters coupled to the nano-antennas. This further allows us to gain new insights into their photoluminescence dynamics, revealing the roles of the dark exciton reservoir and Auger processes. We also find that the coherence time of such emitters is limited by intrinsic dephasing processes. Our work establishes dielectric nano-antennas as a platform for high-efficiency quantum light generation in monolayer semiconductors.

High-Performance, Single-Crystal Gold Bowtie Nano-Antennas via Epitaxial Electroless Deposition

Material quality can play a critical role in the performance of nanometer-scale plasmonic structures. Here, we highlight a novel deposition strategy for single-crystal noble metal deposition and provide a direct and quantitative comparison between the fabrication yield, durability, and efficiency of bowtie nano-antennas fabricated from monocrystalline and polycrystalline gold films using subtractive nanofabrication. Focused ion beam milling of monocrystalline Au(100) films deposited through epitaxial electroless deposition to form bowtie nano-antennas produces devices that demonstrate key performance enhancements over devices patterned identically from polycrystalline Au films deposited via physical vapor deposition. Single-crystal bowties reveal significant improvements in pattern transfer fidelity and device yield, the ability to tailor and model local plasmonic field enhancements and marked improvement in their thermal and mechanical stability over those fabricated from polycrystalline Au films. This work underscores the performance advantages of single-crystal nanoscale plasmonic materials and describes a straightforward, solution-phase deposition pathway to achieve them. We anticipate that this approach will be broadly useful in applications where local near-fields can enhance light−matter interactions, including for the fabrication of optical sensors, photocatalytic structures, hot carrier-based devices, and nanostructured noble metal architectures targeting nano-attophysics.