Unidirectional Coupling of Light from Nanowire Lasers into Silicon Waveguides

Magistrsko delo se osredotoča na numerične simulacije GaAs-AlGaAs nanožic z jedrom in lupino (angl. "GaAs-AlGaAs core-shell nanowires") na silicijevih valovodih (angl. "silicon waveguides"). Takšne strukture so obetavne v kontekstu optičnih povezav znotraj čipov. Z uporabo več simulacijskih orodij preučimo različne lastnosti obravnavanih struktur, začenši s študijo optičnih rodov, ki se širijo znotraj valovoda, ki ga tvori nanožica. Visoka odbojnost koncev nanožice je pomemben parameter pri znižanju praga laserskega delovanja. Odbojnost lahko povišamo iz 40% na 90% z dodatkom kovinskega zrcala. Z asimetrično postavitvijo nanožice, znotraj katere se širi krožno polariziran val, na vrh silicijevega valovoda lahko dosežemo usmerjeno sklapljanje svetlobe preko t.i. spinsko-orbitalne sklopitve. Razmerje med količino skopljene svetlobe v nasprotnih smereh valovoda lahko doseže vrednosti blizu 10^4, a je izjemno občutljivo na položaj nanožice na valovodu. Na sklapjanje svetlobe vpliva mnogo parametrov, kot so dimenzije nanožice in valovoda ter debelina oksida. Posledično nastane ogromnem parametrski prostor, kar otežuje iskanje optimalne strukture.The thesis focus is on numerical simulations of GaAs-AlGaAs core-shell nanowire lasers on silicon waveguides, which are promising in the context of chip-level optical interconnects. We employ several numerical simulation tools to investigate different properties of the chosen structures. We start by studying the propagating modes defined by the nanowire waveguide. The nanowire end facet reflectivity, an important parameter for low-threshold lasing, can be enhanced from 40% to 90% with a metal mirror. By asymmetrically placing a nanowire which supports a circularly polarized propagating wave on top of a Si waveguide, unidirectional coupling of light can be achieved via the spin-orbit coupling. The ratio between the amount of light coupled in opposite directions of the waveguide can reach values of nearly 10^4 but is extremely sensitive to the position of the nanowire. The coupling is influenced by many parameters, such as nanowire and waveguide dimensions and the thickness of the oxide, resulting in a huge parameter space which makes the task of finding an optimal structure more challenging