Magnetooptical materials and device architectures for ultrafast light modulation
Ultra hızlı ışık modülasyonu için manyetooptik malzemeler ve cihaz mimarileri
- Tez No: 667885
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 181
Özet
Manyetooptik (MO) Faraday ve Kerr etkileri, ışığın manyetize bir madde ile etkileşimi halinde polarizasyon düzleminin dönmesine yol açar. Doğası gereği femtosaniye zaman ölçeklerine inebilen, yüksek hızlı mıknatıslanma ters çevrilme özelliği sayesindeMO etkileri manyetooptik uzaysal ışık modülatörlerinin (MOSLM)ışığın kalıcı, ultra hızlı ve yüksek çözünürlüklü uzaysal modülasyonunu mümkün kılar. Düşük güçlü mıknatıslanma anahtarlaması alanındaki son gelişmeler, MOSLM'lerde büyük atılımlar yapılmasını sağlamış olup, en son teknoloji ötesine geçen holografi, baş üstü ekranları, sanal ve artırılmış gerçeklik sistemleri, veri depolama, optik iletişim, LIDAR, ve yeni çıkan optik cihazların geliştirilmesinde önemli rol oynamaktadır. MO etkilerinin zayıf olması ve yüksek kaliteli MO malzeme üretimindeki zorluklar, MOSLM'lerin pratikliği ve endüstriyel gelişiminin önündeki ana engellerdir. Bu tezde MOSLM'ler ile ilgili zorluklar ele alınmış olup, pratik MO cihazlarını gerçekleştirmek için yeni çözümler sunulmuştur. MOSLM'lerin malzeme mühendisliği, çalışma sistemi ve cihaz mimarisi gibi farklı yönlerden ilerlemesi, bu araştırma alanındaki mevcut durumu belirlemek için tezde üzerinden geçirilmiştir. Literatürde bildirilen çeşitli MO malzemeleri için MO başarım ölçüsü, zamanda sonlu farklar yöntemi (FDTD) simülasyonları kullanılarak hesaplanır ve karşılaştırılır. Buna göre Bi1Y2Fe5O12 kompozisyonlu bizmut katkılı itriyum demir garnetleri (Bi:YIG), MOSLM'ler için üstün MO bileşeni olarak önerilmektedir. Bi:YIG ince filmlerinin farklı substratlar üzerinde, farklı büyüme parametreleri kullanılarak darbeli lazer biriktirme ile büyümesi, büyüme koşullarını optimize etmek için incelenmiştir. Bi:YIG filmlerinin yapısal ve optik karakterizasyonu, garnet substratlar üzerinde epitaksiyel büyümenin ve kuvars substratlar üzerinde poli-kristalin tek fazlı filmlerin büyümesinin başarısını ortaya koymaktadır. Malzeme araştırmalarına ek olarak, MO etkilerinin güçlendirilmesi için fotonik cihazlar tasarlanmıştır. Yüksek kontrastlı MOSLM'ler için çeşitli manyetofotonik kristal (MPC) yapıları araştırılmıştır. MPC konfigürasyonunun ve katman kalınlıklarının optimizasyonu ile, bir piksel içinde eşzamanlı olarak kırmızı, yeşil ve mavi (RGB) üç temel dalga boyunda Faraday rotasyonunu artırabilen üç kusurlu bir MPC gösterilmiştir. 20-55° dönme değerleri, 1,5 μm'den küçük bir toplam kalınlıkta, mikron altı garnet katmanları dahil olmak üzere elde edilirken, optik kayıp 20 dB'nin altında kaldığı gösterilmiştir. MO etkilerinin artırılmasına yönelik rezonans yaklaşımları, genellikle dar bir operasyon bandı ile sonuçlanır ve uygulamaları sınırlar. Bu çalışmada, Faraday etkisinin genişbant artırılması için bir manyetoplazmonik metayüzey tasarlanmıştır. Çalışılmış olan 600-1600 nm'lik dalgaboyu aralığında saf Bi:YIG filminde Faraday rotasyonu 0.02°'nin altında iken, önerilen metayüzeyde, geniş bir spektral aralıkta, maksimumu 6.5°'yi aşan, birkaç derece rotasyon elde edilebildiği gösterilmiştir. Geometri ve uyarma parametrelerini optimize ederek, bu metayüzeyin MO işlevi ve operasyon bandının daha da geliştirilebileceği ve toplam 15 nm kalınlık içinde 20°'den daha yüksek rotasyon elde edilebildiği gösterilmiştir. Son olarak, manyetoplazmonik metayüzey tasarımı için bir kılavuz sunulmuş olup, plazmonik metayüzeylerin algılama sistemlerinde uygulanması konuları incelenmiştir. Farklı metayüzey tasarımları modellenmiş, imal edilmiş ve yüzeyde güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (SERS) ile test edilip, Raman sinyalinin bin kattan fazla iyileştirilmesi deneysel olarak gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Magnetooptical (MO) Faraday and Kerr effects lead to rotation of the polarization plane of light in interaction with a magnetized matter. In combination with the intrinsic high speed of magnetization reversal which can go down to femtosecond time scales, MO effects enable magnetooptical spatial light modulators (MOSLMs), promising for nonvolatile, ultrafast, and high-resolution spatial modulation of light. The recent developments in low-power magnetization switching bring about major breakthroughs in MOSLMs benefiting beyond state-of-the-art holography, heads-up displays, virtual and augmented reality systems, data storage, optical communications, solid-state light detection and ranging (LIDAR), and emerging optical devices. The inherent weakness of the MO effects and difficulty in producing high-quality MO materials are the main obstacles on the way of the practicality and industrial development of the MOSLMs. This thesis addresses the challenges associated with MOSLMs and introduces novel solutions for realizing practical MO devices. The advancement of MOSLMs in different aspects including materials engineering, driving system, and device architecture is reviewed in the thesis to locate the present state in this research field. The MO figure of merit for various MO materials reported in the literature is calculated and compared using finite-difference time-domain (FDTD) simulations, suggesting bismuth-substituted yttrium iron garnets (Bi:YIG) with Bi1Y2Fe5O12 composition as the superior MO component for MOSLMs. Growth of Bi:YIG thin films on different substrates, by pulsed laser deposition using different growth parameters, is studied in order to optimize the growth conditions. The structural and optical characterization of the Bi:YIG films reveal the accomplishment of epitaxial growth on the garnet substrates and growth of poly-crystalline single-phase films on quartz substrates. In addition to the study of the materials prospect, photonic devices for the enhancement of MO effects are designed. Various magnetophotonic crystal (MPC) structures are investigated for high-contrast MOSLMs. By optimization of the MPC configuration and layer thicknesses, a three-defect MPC is demonstrated capable of simultaneous enhancement of Faraday rotation at three fundamental wavelengths of red, green, and blue (RGB) within a pixel. Rotation values of 20-55° are achieved in an overall thickness smaller than 1.5 μm including submicron garnet layers, whereas the optical loss is retained below 20 dB. The resonant approaches for enhancing the MO effects generally result in a narrow operation band and limit the applications. In this study, a magnetoplasmonic metasurface is designed for the broadband enhancement of the Faraday effect. While Faraday rotation in a bare Bi:YIG film is below 0.02° in the studied range of 600-1600 nm, the proposed metasurface yields few degrees of rotation in a broad spectral range, with a maximum exceeding 6.5°. It is shown that the MO response of the metasurface and the operation band can be further improved by optimizing the geometry and excitation parameters, leading to rotation values higher than 20° for a total thickness of 15 nm. Finally, the guidelines for designing a desired magnetoplasmonic metasurface are presented and the application of plasmonic metasurfaces in sensing systems is discussed. Different metasurface designs are modeled, fabricated, and tested for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and enhancement of the Raman signal by over three orders of magnitude is experimentally demonstrated.
Benzer Tezler
- FeGa ince filmlerinin ultrahızlı manyetizasyon dinamiklerinin incelenmesi
Investigating ultrafast magnetization dynamics of FeGa thin films
MERVE CANSU ÖZTEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİME GÜL YAĞLIOĞLU
- Functional nanoplasmonic devices and novel photonic materials
İşlevsel nanoplazmonik aygıtlar ve yeni fotonik malzemeler
ENES BATTAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY
- MEMS sensor platform for vital monitoring under mri and intraocular pressure measurement
Yaşamsal işaretlerin ve göz içi basıncın ölçülmesine yönelik MEMS basınç ölçer platformunun geliştirilmesi
PARVIZ ZOLFAGHARI
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Investigating magnetic properties of dot/antidot structures in magnetic thin films for microwave device applications
Manyetik ince filmlerdeki nokta/boşluk yapıların manyetik özelliklerinin mikrodalga cihaz uygulamaları için incelenmesi
ZEYNEP REYHAN ÖZTÜRK
Doktora
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET LEVENT KURNAZ
PROF. DR. FİKRET YILDIZ
- Monte Carlo study of compensation and critical temperatures in ferrimagnetic mixed Ising systems
Ferrimanyetik karma Ising sistemlerinde karşılama ve kritik sıcaklıkların Monte Carlo incelemesi
EBRU KIŞ ÇAM
Doktora
İngilizce
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMZA POLAT
DOÇ. DR. EKREM AYDINER