Simulation of optical modulation in AlGaAs nanostructures due to thermal effects

In the last decades, the study of the properties of nanoantennas has raised more and more interest, caused by their ability to grant high field-enhancement and light control at the nanoscale. This property is crucial in the development of many nanotechnological applications: nonlinear optical conversion, particularly useful in the field of integrated optics, ultrasensitive biodetection, nonlinear spectroscopy and ultrafast all-optical signal processing. The first materials chosen for the fabrication of nanoantennas were metals, exploiting the surface plasmons which generate from light-matter interaction, responsible for the high field-enhancement mentioned previously. However, the current generation mechanism associated to the surface plasmons suffers from ohmic losses, leading to a Joule heating of the nanostructure: this worsens the quality factor of the resonator and can damage the nanoantenna itself. For this reason, in the last years, dielectric materials have been studied as an alternative to metals. In fact, current generation in dielectrics does not have a ohmic nature, meaning that they can be used in the fabrication for low-loss nanoantennas. Under this perspective, we studied a platform of nanocylinders of AlGaAs with radius varying from 185 nm 230 nm, deposited over a 1-µm-thick AlOx layer on a GaAs substrate. A measurement of the modulation of the second-harmonic signal was performed on this platform, exciting it with a light at 1550 nm, while under the effect of a pump at 405 nm. The results show a high modulation, up to 50% of the signal. In this thesis work, I investigate some of the possible physical reasons behind these results. With the help of coupled optical and thermal simulations, I study how the temperature increase caused by the absorption of the pump beam changes the optical response of the nanostructure at the fundamental and second-harmonic wavelengths. In particular, I examine how the change in the refractive index and the thermal expansion affect the modulation of the signal. The role of the absorption of the material as well as the timescale of thermal phenomena are also investigated.

Negli ultimi decenni, lo studio delle proprietà delle nanoantenne ha suscitato sempre più interesse, causato dalla loro capacità di garantire alto field-enhancement e controllo della luce su scala nanometrica. Questa proprietà è cruciale nello sviluppo di svariate applicazioni nanotecnologiche: conversione ottica nonlineare, utile nell'ottica integrata, biorilevazione ultrasensibile, spettroscopia nonlineare ed elaborazione ultraveloce di un segnale ottico attraverso un altro segnale ottico. I primi materiali scelti per la fabbricazione delle nanoantenne furono i metalli, sfruttando i plasmoni di superficie che si generano dall'interazione luce-materia, responsabili dell'alto field-enhancement citato prima. Tuttavia, il meccanismo di generazione di corrente associato a tali eccitazioni soffre di perdite ohmiche, provocando un riscaldamento di Joule: ciò peggiora il fattore di qualità del risonatore e può danneggiare la struttura stessa. Per questa ragione, negli ultimi anni, i dielettrici sono stati studiati come alternativa ai metalli. Infatti, la corrente nei dielettrici non è di natura ohmica, rendendoli buoni candidati per la fabbricazione di nanoantenne a basse perdite. Sotto quest'ottica, abbiamo studiato una piattaforma di cilindri di AlGaAs i cui raggi variano tra 185 nm e 230 nm, posta sopra uno strato di 1 µm di AlOx, su un substrato di GaAs. Su questa piattaforma, è stata effettuata una misura di modulazione del segnale di seconda armonica, eccitandola con una luce a 1550 nm, mentre si trovava sotto l'effetto di una pompa a 405 nm. I risultati mostrano una modulazione che raggiunge il 50% del segnale. In questo lavoro, esamino alcune delle possibili cause dietro a tali risultati. Con l'aiuto di simulazioni ottiche e termiche accoppiate, studio come l'aumento di temperatura causato dall'assorbimento del raggio di pompa modifichi la risposta ottica della nanostruttura alle lunghezze d'onda fondamentale e di seconda armonica. In particolare, esamino come il cambiamento nell'indice di rifrazione e l'espansione termica influenzino la modulazione del segnale. Il ruolo dell'assorbimento del materiale così come la scala temporale dei fenomeni termici sono inoltre analizzati.