Ottimizzazione di un nanorisonatore di germanio su silicio per emissione nel vicino infrarosso

In this thesis I will analyze the problem of the optimization by using numerical simulations of the optical confinement in a germanium nanoresonator grown on a silicon substrate. The aim of this work is to use a waveguide geometry to enhance the spontaneous emission of germanium in the near infrared spectral region. In the first chapter I will focus on the potentials and the problems of this geometry introducing the state of the art as a point of reference. My work will be especially focused on the usage of germanium as an active medium at a wavelength of 1.55 µm. On the one hand germanium acts as a source of the photons in the cavity; on the other hand it permits the confinement of the beam; for this reason one of the critical aspects to be considered is the absorption of the material itself. In the second chapter I will discuss the functioning of the finite-difference time domain method used in the simulations and I will highlight the parameters to be considered in order to accurately describe the geometry of interest. The third and fourth chapters describe the systematic analysis performed in order to evaluate the characteristics and the levels of criticality of the following three possible light confinement configurations: deep etched Bragg mirrors, Bragg mirror waveguides, and one-dimensional photonic-crystal reflectors. The analysis allows understanding the trade-offs related to each configuration demonstrating that the best structure to maximize the reflectivity at the waveguide end facets is the third one. In this way the value of reflectivity can reach about 96% (considering the material absorption in the mirror region) and consequently an excellent optical confinement. Eventually, the optimized geometry will be compared with the basic structure (a simple truncated waveguide) in terms of spontaneous emission from the optical cavity. This allows one to evaluate the resonances of the cavity and the impact of the improved confinement in terms of enhancement and directionality of the emitted light.

In questo lavoro di tesi è stato affrontato, tramite simulazioni numeriche, il problema dell’ottimizzazione del confinamento ottico in un nanorisonatore di germanio cresciuto su silicio per emissione spontanea di luce nel vicino infrarosso. Nel primo capitolo vengono descritte le potenzialità e le problematiche che tale geometria comporta introducendo lo stato dell’arte di riferimento. In particolare l’interesse di questo lavoro di tesi è rivolto all’utilizzo del germanio per emissione spontanea ad una lunghezza d’onda di 1.55 µm. Il germanio dunque, da un lato agisce come sorgente dei fotoni presenti in cavità e dall’altro permette il confinamento del fascio. Per questo motivo uno degli aspetti critici da considerare è l’assorbimento del materiale stesso. Nel secondo capitolo sono riportati i principi di funzionamento del codice di calcolo utilizzato (finite-difference time-domain) evidenziandone i parametri da tenere in considerazione per una descrizione accurata della geometria di interesse. Il terzo e il quarto capitolo sono dedicati all’analisi sistematica effettuata per valutare gli effetti e le criticità di tre diverse configurazioni possibili per il confinamento della luce, rispettivamente: specchi di Bragg con etching profondo, specchi di Bragg in guida e cristalli fotonici realizzati tramite fori equispaziati nella struttura guidante. Questa analisi permette di comprendere i vincoli di ottimizzazione associati alle varie configurazioni mostrando come la struttura con fori equispaziati riesca a massimizzare la riflettività alle facce terminali della cavità che si porta ad un valore circa del 96% realizzando così un ottimo confinamento ottico. Nel quinto e ultimo capitolo è stato quindi simulato il processo di emissione spontanea dalla cavità ottica ottimizzata nei capitoli precedenti. Questo permette di valutare le risonanze che questa presenta e l’impatto del miglior confinamento in termini di ehancement e direzionalità dell’emissione spontanea rispetto ad un risonatore, formato da germanio su silicio, privo di ottimizzazione e i cui riflettori sono costituiti da semplici facce troncate.