Disorder, propagation and non-linear effects in photonic crystal waveguides

The present work would like contribute to the research in this area, by offering some results on the optical properties, disorder and non-linear effects on wave propagation in semiconductor-based two-dimensional photonic crystal waveguides. The aim is to lead the reader from the basic concepts of photonic crystals (Chapter 1), up to the properties of a 2D photonic crystal (Chapter 2) and the defect line induced waveguide in a 2D photonic crystal (Chapter 3). The propagation properties, the unusual dispersion relation, and the particular regime, known as Slow Light regime, will be analyzed depthly. Particular attention is devoted to model the extrinsic disorder induced by the fabrication process and its impact on the propagation properties of the waveguide (Chapter 4). In the last two chapters, the focus will be on two techniques to characterize photonic crystal waveguides. The first tool is the Time-Wavelength Reflectance Map (Chapter 5), developed with Thales Research and Technology, Paris, France, that permits to evaluate the propagation properties of the waveguide as function of the wavelength showing us a deep physical insight for understanding the role of disorder induced scattering and how it is connected to dispersion. In Chapter 6, a laboratory setup will be presented, based on the Heterodyne Pump-Probe technique, used in a set of experiments at DTU Fotonik, with the main objective to investigate on the Slow Light regime.

Questo lavoro di tesi presenta alcuni nuovi risultati sulle proprietà ottiche e sugli effetti del disordine sulla propagazione in guide d'onda a cristallo fotonico bidimensionale. Lo studio parte dai concetti di base dei cristalli fotonici (Cap. 1), quali la loro struttura a bande, fondamentali per comprendere appieno le proprietà dei cristalli fotonici bidimensionali (Cap. 2). Nel Cap. 3 sono approfondite le proprietà di propagazione della luce nelle guide d'onda realizzate in cristalli bidimensionali, in particolare la loro tipica relazione di dispersione e il regime di propagazione noto come regime di Luce Lenta (Slow Light regime). Nello stesso capitolo, si introduce, inoltre, un modello teorico per il Four-Wave Mixing, fenomeno non lineare solo recentemente osservato in questo tipo di guide. Il Cap. 4 introduce brevemente i processi di fabbricazione per questi dispositivi; vengono quindi discussi i punti critici di tali processi, modellizzati come disordine estrinseco, e l'impatto che questi hanno sulle proprietà di propagazione della guida. Gli ultimi due capitoli sono relativi alla parte sperimentale di questo lavoro. Sono state infatti studiate due tecniche per la caratterizzazione delle guide d'onda a cristallo fotonico. La prima è la mappa di riflettanza tempo-lunghezza d'onda (Cap. 5), sviluppato presso Thales Research and Technology (Paris, France), che permette di valutare le proprietà di propagazione della guida in funzione della lunghezza d'onda e l'impatto della dispersione indotta dal disordine estrinseco della guida. La seconda è la tecnica Heterodyne Pump-Probe, utilizzato presso il Dipartimento DTU Fotonik, Copenhagen, in una serie di esperimenti atti a indagare il regime di luce lenta e i ritardi ottenibili in tale regime.