Optisten aaltojohteiden käyttäytyminen lähi-infrapuna-alueella: Aaltojohdemuotojen etenemisnopeudet ja häviöt

Abstract

Optiset aaltojohteet ovat rakenteita, joiden avulla valon kulkua voidaan ohjailla halutulla tavalla. Optisia aaltojohteita käytetään komponentteina optisten piirien rakentamisessa ja viestintäjärjestelmissä, joko paikallis- tai kaukoviestinnässä. Työssä aaltojohteiden toimintaa halutaan tutkia lähi-infrapuna-alueella, eli 780–2500 nm aallonpituusalueella, erityisesti lähellä 2000 nm aallonpituutta. Fotoniikassa tämä valon aallonpituusalue on kiinnostava, koska sillä on muun muassa paljon teollisia sovelluksia. Esimerkiksi optisessa tiedonsiirrossa tämä aallonpituusalue on kiinnostava, joskin haastava alue koska useiden aaltojohdinmateriaalien häviöt ovat huomattavan suuria pidemmillä aallonpituuksilla. Työssä tutkitaan erityisesti piipohjaisia aaltojohteita (engl. silicon-on-insulator, SOI) ja niiden soveltumista pidemmille aallonpituuksille.

Tässä työssä perehdytään optisten aaltojohteiden toiminnan fysikaalisen perustaan. Aluksi perehdytään aaltojohdinmateriaalien taitekerroinprofiileihin yksinkertaisen Lorentzin mallin avulla, sekä tarkastellaan kokonaisheijastumista ilmiönä, joka mahdollistaa aaltojohteiden muodostamisen. Aaltojohteiden toiminnan ymmärtämiseksi työssä käsitellään myös aaltojohteiden rakennetta ja erilaisia aaltojohdetyyppejä, aaltomuotoja sekä niiden etenemistä yksinkertaisessa tasomaisessa aaltojohteessa. Erityisesti työssä tutkitaan numeeristen simulaatioiden avulla harjanneaaltojohteiden toimintaa, koska se on hyvä esimerkki monimutkaisemmasta aaltojohderakenteesta. Näiden tietojen avulla työssä päästään käsittelemään materiaalin efektiivistä taitekerrointa, jota halutaan tutkia myös simuloimalla. Lisäksi työssä tutkitaan erilaisia lineaarisia ja epälineaarisia häviömekanismeja, kuten sirontaa, säteilyä sekä absorptiota.

Työssä tehtiin simulaatioita harjanneaaltojohteelle COMSOL Multiphysics -ohjelmistolla käyttäen Mode analysis -ohjelmaa. Simulaatioita tehtiin käyttämällä erilaisia johdinmateriaaleja, ja tutkittiin aaltojohteiden sisällä etenevien aaltojohdemuotojen sähkökenttäjakaumien muotoja. Simulaatioita tehtiin myös samalla johdinmateriaalilla tutkien efektiivisen taitekertoimen muutosta aaltojohteen harjanteen leveyden funktiona.

Työn tuloksia ovat simuloidun aaltojohteen efektiivinen taitekerroinprofiili ja kenttäprofiilit sähkökentälle. Saatu efektiivinen taitekerroinprofiili näyttää, että aaltojohteen harjanteen leveyttä kasvattamalla efektiivinen taitekerroin kasvaa kullekin aaltomuodolle logaritmifunktion tavoin ja stabiloituu leveyden kasvaessa riittävän suureksi. Simulaatio osoittaa, että leveyttä kasvattamalla aaltojohteessa saadaan etenemään yhä enemmän aaltomuotoja. Paikalliskenttäjakaumat kertovat eri materiaalien soveltuvuudesta aaltojohteeksi työssä tutkittavalla aallonpituusalueella. Kenttäprofiileista nähdään syntyviä häviöitä eri aaltomuodoille eri johdinmateriaaleilla. Simuloitujen kenttäprofiilien avulla olisi mahdollista arvioida kvantitatiivisesti erilaisissa aaltojohteissa tapahtuvien häviöiden suuruuksia. Työn laajuuden takia työssä tehtävä tarkastelu jouduttiin kuitenkin pitämään kvalitatiivisena.