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Numerical treatment of localized fields in rigorous diffraction theory and its application to light absorption in structured layers

Auer, Maximilian

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Abstract

This work provides a contribution to the numerical problem of electromagnetic wave diffraction. For this purpose the widely used rigorous coupled-ave analysis (RCWA) is extended to an efficient treatment of incident light beyond the mere plane-wave input. This is essential for modern optical systems with laser or LED sources, which emit finite beams with various profiles. It thereby enables the rigorous analysis of focused light in structured media like in optical storage technology or in optical waveguide coupling. The new extension also dissolves the RCWA's restriction of handling purely linear polarized light sources. Due to a superior truncation scheme the new method inherently conserves energy during the modal propagation even within absorbing grating structures and despite the necessary numerical truncation. Another part of this work addresses the exact calculation of electromagnetic near fields and local absorption. The results are used to develop a photodetector that is fully compatible with the SOI-CMOS process and does not depend on typical optically active III-V materials. This enables the direct integration of an active, optical component in the manufacturing process of conventional electronic chips and might allow the development of new cost-effective optoelectronic hybrid components in the future, which combine the benefits of both technologies.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur numerischen Berechnung von Beugungsproblemen. Zu diesem Zweck wird die weit verbreitete Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) um die Möglichkeit einer effizienten Behandlung von Anregungslicht erweitert, das von der typischerweise angenommenen ebenen Welle abweicht. Dies spielt insbesondere für moderne optische Systeme eine wichtige Rolle, bei denen als Lichtquellen Laser und LEDs zum Einsatz kommen, die Wellenfelder mit endlicher Ausdehnung und unterschiedlichen Strahlprofilen aussenden. Auf diese Weise wird unter anderem die rigorose Behandlung von fokussierten Lichtfeldern in strukturierten Medien ermöglicht, was Anwendungen der RCWA im Bereich der optischer Speichertechnik oder der Wellenleiterkoppelung erlaubt. Durch die neue Erweiterung wird außerdem die Beschränkung der RCWA auf eine rein lineare Polarisation aufgehoben. Indem das Verfahren eine Inkonsistenz in der Trunkierung der numerischen Berechnung auflöst, ist es dem Standardverfahren in Bezug auf die Energieerhaltung in absorbierenden Medien sogar überlegen. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der exakten Berechnung von Nahfeldern, sowie der lokalen Absorption. Die Ergebnisse fließen in die Entwicklung eines Photodetektors ein, der vollständig kompatibel zum SOI-CMOS Prozess ist, also auf den Einsatz der typischen optisch aktiven III-V-Materialien verzichtet. Dies ermöglicht die direkte Integration eines aktiven optischen Elementes in den Herstellungsprozess konventioneller elektronischer Chips und könnte somit zur Entwicklung kostengünstiger, optoelektronischer Hybridkomponenten führen, welche die Vorteile beider Technologien vereinen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Brenner, Prof. Dr. Karl-Heinz
Date of thesis defense: 22 March 2016
Date Deposited: 14 Jul 2016 07:52
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Mathematics and Computer Science > Dean's Office of The Faculty of Mathematics and Computer Science
Subjects: 000 Generalities, Science
004 Data processing Computer science
510 Mathematics
530 Physics
620 Engineering and allied operations
Controlled Keywords: Beugungstheorie, Optik, Simulation, Optoelektronik, Halbleiterdetektoren, diffration theory, optics, optoelectronics, solid-state detectors
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