Search

V doktorski disertaciji smo se osredotočili na simulacije, načrtovanje in eksperimentalno demonstracijo fotonskih integriranih vezij (PIC) na osnovi silicija, ki vsebujejo in izkoriščajo izbrane nanofotonske strukture za izboljšanje zmoglivosti in funkcionalnosti integriranih fotonskih gradnikov. Posvetili smo se predvsem podvalovnodolžinskim nanostrukturam dielektričnih metamaterialov v vlogi obloge optičnih valovodov v PIC. Poleg standardne platforme silicija na izolatorju (SOI), ki vsebuje kristalni silicij, smo v raziskave vključili tudi hidrogenizirani amorfni silicij (a-Si:H) kot potencialni material za fotonsko integracijo. Demonstrirali smo testno a-Si:H vezje z vključenimi nanofotonskimi strukturami. V sklopu disertacije smo uporabili različne numerične modele, ki smo jih prilagodili za simulacije nanofotonskih struktur in gradnikov PIC. Razvili smo tudi merilni sistem za optično karakterizacijo PIC, ki omogoča stransko in navpično sklapljanje PIC-a z dvemi optičnimi vlakni. Dielektrične metamateriale smo raziskovali v vlogi obloge optičnih valovodov z namenom večanja gostote integracije PIC. Raziskali smo tudi vpliv lomnega količnika (različne materialne platforme za izdelavo PIC) na pojave metamaterialne obloge. Rezultati kvantitativne analize so pokazali, da je vpliv metamaterialne obloge na gostoto integracije lahko pozitiven le v platformah z visokim kontrastom lomnih količnikov (kot na primer Si ali InP membranska platforma). V nadaljevanju smo izvedli obširnejšo optimizacijo geometrije metamaterialne obloge za primer Si platforme z namenom zmanjšanja minimalno dopustne širine med jedri dveh optičnih valovodov, pri čemer smo omejili vrednost presluha na -30 dB pri dolžini 2 mm. Tako smo lahko eksplicitno kvantitativno ocenili povečano gostoto integracije gradnikov na PIC. Z vpeljavo metamaterialne obloge smo dosegli zmanjšanje minimalne dopustne reže med jedri dveh trakastih valovodov za 60 % v primerjavi s Si valovodi z običajno oblogo. Raziskali smo tudi valovnodolžinsko odvisnost in občutljivost na variacije dimenzij pri izdelavi optimiziranih struktur. Rezultati razkrivajo, da je potreben kompromis med največjo dosegljivo gostoto integracije in uporabnim valovnodolžinskim območjem. Optične lastnosti dielektričnih metamaterialov lahko koristno uporabimo tudi pri delitvi polarizacije v PIC. V disertaciji predlagamo koncept polarizacijskega razcepnika (PBS), ki izkorišča edinstvene lastnosti dielektričnih metamaterialnih oblog za dosego največjega dušenja (ER) in največje pasovne širine (BW). Kot izhodišče smo vzeli strukturo (PBS-1), ki je osnovana na smernem sklopniku z metamaterialno oblogo, ki smo ga združili z zavojem valovoda z metamaterialno oblogo na zunanji strani, v vlogi TE polarizatorja. Z namenom povečanja BW smo predlagani izboljšani koncept (PBS-2) - strukturo s kompaktnim dvojnim Mach-Zehnderjevim interferometrom v kombinaciji s TE polarizatorjem. Numerične simulacije so razkrile, da lahko s tako strukturo dosežemo izjemno visoko ER nad 35 dB in 263 nm široko BW z vstavitvenim slabljenjem (IL) 1 dB. Načrtani gradnik PBS-2 ima velikostni odtis 82 μm. Rezultati meritev izdelanega gradnika PBS-2 so razkrili, da je eksperimentalno doseženo ER > 30 dB v in BW vsaj 140 nm (omejeno območje nastavljivega laserja). Na področju a-Si:H materialov za fotonsko integracijo smo demonstrirali načrtovanje, izdelavo (v sodelovanju z zunanjimi partnerji) in karakterizacijo PIC s testnimi strukturami za sklopitev z optičnimi vlakni ter testnimi strukturami valovodov z metamaterialno oblogo. Izvedli smo analizo z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) za oceno kvalitete izdelave struktur z minimalnimi dimenzijami 60 nm. Rezultati analize so pokazali, da so bile strukture, kljub majhnim dimanzijam, po optimizaciji procesa z uporabo elektronskega snopa (e-beam) izdelane kvalitetno. Izmerjena vršna vrednost sklopne učinkovitosti sklopnika z uklonsko mrežico (s strukturami manjšimi od valovne dolžine svetlobe minimalne dimenzije 78 nm) je bila -7.25 dB. Rezultati meritev testnih struktur valovodov z metamaterialno oblogo eksperimentalno potrjujejo teoretično predvideno znižanje presluha v takih strukturah a-Si:H. V primeru metamaterialne obloge z dvemi rebri smo dosegli znižanje presluha za 15 dB v primerjavi z običajnimi valovodi. Na osnovi prikazanih rezultatov v doktorski disertaciji upamo in verjamemo, da naši rezultati prispevajo nova znanja k področju integrirane fotonike. Prikazane lastnosti dielektričnih metamaterialov se lahko koristno uporabijo, ko je zahtevana velika gostota integriracije optičnih valovodov. Verjamemo tudi, da je lahko demonstriran koncept in zmogljivost polarizacijskega razcepnika, ki izkorišča metamaterialno oblogo, uporabljen v aplikacijah, ki zahtevajo učinkovito deljenje polarizacije. Demonstracija uspešne sklopitve a-Si:H PIC z optičnimi vlakni predstavlja prvi korak k nadaljnim raziskavam a-Si:H materialov za PIC, ki jih načrtujemo v prihodnosti. Prikazani rezultati predstavljajo izhodiščno točko za raziskave vpliva parametrov depozicije a-Si:H plasti za kontrolo nad kristalno zgradbo in hidrogeniziranostjo a-Si:H plasti in njihovega vpliva na zmogljivostne parameter gradnikov PIC, kot so kvaliteta izdelave nanostruktur, valovodne izgube in nelinearne lastnosti. In this thesis, we focus on simulations, design and experimental demonstration of silicon-based photonic integrated circuits (PICs) utilizing nanophotonic structures to increase the performance and alter the functionality of integrated devices. Furthermore, we study hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) as a potential material for PICs and demonstrate a test a-Si:H PIC utilizing nanophotonic structures. Different numerical models were utilized and adapted to simulate specific nanophotonic structures and PIC components in the scope of this thesis. An experimental measurement set-up for optical characterization of PICs in horizontal and vertical fiber coupling configuration was developed as well. In this thesis all-dielectric metamaterials are the main nanophotonic structures under investigation. We study them in the role of the cladding of optical waveguides (WGs) to increase the integration density of PICs. The role of the refractive index (material platform) on the effects of metamaterial cladding is studied. The results of a quantitative analysis show that only material platforms with a high refractive index contrast (such as existing Si or membrane InP platform) can noticeably benefit from optimized metamaterial cladding in terms of integration density. Furthermore, we perform a comprehensive optimization of the geometry of metamaterial cladding in Si platform to achieve the lowest possible gap width between cores of two adjacent WGs, while keeping the cross-talk bellow the targeted limit of -30 dB at the length of 2 mm. By doing this we can explicitly show how much the integration density of a PIC can be increased. We demonstrate that a metamaterial cladding can, in best case, reduce the gap width by 60 % compared to Si WGs with normal cladding in case of core width Wcore = 450 nm. The wavelength dependence and sensitivity to fabrication variability of optimized structures are also studied, revealing a trade-off between the highest possible integration density and a usable wavelength range. The demonstrated properties of all-dielectric metamaterial cladding structures can also be utilized in polarization splitting. We propose a concept of integrated silicon-based polarization beam splitter (PBS) exploiting unique properties of all dielectric metamaterial cladding to achieve a high extinction ratio (ER) and wide bandwidth (BW) polarization splitting characteristics. We start from a structure (PBS-1) based on a directional coupler with metamaterial cladding combined with a bent waveguide with metamaterial cladding at the outer side in the role of a TE polarizer at the Thru port of the device. To increase BW we propose the improved concept (PBS-2) - a metamaterial compact dual Mach-Zehnder Interferometer structure in combination with the TE polarizer. Numerical simulations reveal that an exceptionally high ER over 35 dB can be achieved in a BW of 263 nm with insertion loss (IL) below 1 dB in case of PBS-2. The designed device has a footprint of 82 μm. We also fabricate the device via a commercially available fabrication service. Measurement results reveal that an ER > 30 dB is achievable in a BW of at least 140 nm (limited by the laser tuning range). In the field of a-Si:H materials for photonic integration we demonstrate the design, fabrication (in conjunction with external partners) and characterization of a PIC with test structures for light in/out coupling as well as some test structures of WGs with all-dielectric metamaterial cladding. A scanning electron microscopy (SEM) analysis was carried out to evaluate the fabrication of structures with the minimal feature size of 60 nm, revealing good results in terms of subwavelength structure development. The measured peak coupling efficiency of a single etch-step subwavelength grating coupler (exhibiting a minimal feature size of 78 nm) was -7.25 dB. The measurements of test structures of WGs with all-dielectric metamaterial cladding experimentally confirm the predicted decrease in cross-talk in such structures. Namely, a reduction in cross-talk by 15 dB was achieved for a metamaterial cladding test structure with two ribs. We hope and believe that the results presented in this thesis can contribute to the field of integrated photonics. The demonstrated qualities of the all-dielectric metamaterial cladding can be of use in case of applications requiring densely integrated WGs. Furthermore, we believe that the demonstrated design and performance of the PBS utilizing a metamaterial cladding is to be utilized in PICs for applications where high performance polarization splitting is required. The demonstration of successful light in/out coupling to the a-Si:H PIC represents the first step towards our future investigations a-Si:H materials in PICs. It presents a starting point for future study of the a-Si:H layer deposition parameters resulting in different levels of crystallinity and hydrogenization on various PIC performance metrics such as quality of fabrication, WG propagation loss and non-linearity.

Obnovljivi izvori energije postaju jedan od glavnih izvora energije u svijetu. Energija koju dobivamo iz Sunca je ogromna, no samo mali dio se uspješno iskorištava, ali intenzivno se radi na njenom što većem iskorištenju. Fotonaponski sustavi su sustavi s velikim potencijalom, koji su sve više u upotrebi. Visoka cijena još uvijek koči njihovu veliku ekspanziju, a zbog toga su jako ovisni o državi, odnosno poticajima koji se dobivaju za njihovu ugradnju. U radu su spomenute tri generacije fotonaponskih panela. Prva generacija je ona najpoznatija i najkorištenija, a to su fotonaponi od kristaličnog silicija. U drugu generaciju spadaju fotonaponi od tankog filma, dok treću čine one strukture koje su još na eksperimentalnoj bazi ili su u jako maloj mjeri dostupni na tržištu. Također radi što bolje efikasnosti u upotrebi se javljaju i tragači sunca, koji omogućavaju optimalan položaj panela u svako doba dana. Renewable energy sources are becoming a major source of energy in the world. The energy that we get from the sun is huge, but only a small part of it is successfully exploited, but there is intensive work going on, for a greater use of it. Photovoltaic systems are systems with great potential, which are increasingly in use. High prices are still hindering their great expansion, and are therefore very dependent on the state and incentives that are given for their installation. In the paper there are mentioned three generations of photovoltaics panels. The first generation is the one best known and most used, photovoltaics from crystalline silicon. The second generation includes thin film PV and the third generation are those structures that are still on an experimental basis or in very small extent available in the market. Also for better efficiency, there are sun-tracking systems that are enabling the optimum position of the panels at any time of the day.

magistrsko delo

Obnovljivi izvori energije polako postaju jedan od glavnih izvora energije u svijetu. Energija koju dobivamo sa Sunca je enormna, te se radi na njenom što većem iskorištenju. Fotonaponski sustavi su sustavi s velikim potencijalom, koji su sve više u upotrebi. Među njima se ističe jedna struktura, a to su ugradbeni fotonaponski sustavi. Osim što proizvode energiju, odnosno pretvaraju sunčevu, oni služe kao zamjena konvencionalnim građevinskim materijalima. Pretežito se ugrađuju na nove zgrade, služe kao građevni materijal, no mogu se ugraditi i na postojeće objekte. Oni se mogu koristiti na većini dijelova objekta, kao što su krovovi te sama ovojnica zgrade. Uz to što su proizvođači energije, oni doprinose i estetici samog objekta. U radu je dan pregled fotonaponskih sustava, njihove ugradnje na komercijalne objekte, uz primjere vezane za SAD, Europu i Japan. There is a growing consensus that distributed photovoltaic(PV) systems will be among those applications to first reach widespread commercialization in the generation of power on the utility grid. Chief among these distributed applications are PV power systems for individual buildings. Interest in the building integration of photovoltaics, where the PV modules actually become an integral part of the building, often serving as the exterior weathering skin, is growing world-wide. With reduced installation costs, improved aesthetics and all the benefits of distributed generation, building-integrated PV systems are a prime candidate for early market penetration. Product development is proceeding in three general areas: Integral roof modules; roofing tiles and shingles; and integral modules for vertical facades. This paper will cover residential and commercial applications with examples of the direct integration of PV elements into residential and commercial buildings using built examples from the US, Europe and Japan. At the end there is a comparison od embedded and integrated photovoltaics.

Deponirani su tanki filmovi silicija, silicijevog dioksida i silicijem bogatog oksida (SiOx) metodom LPVCD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Depozicije su se odvijale pod različitim uvjetima u okviru kojih se varirao sastav i parcijalni tlak radnih plinova i temperatura depozicije. Termičkim oporavkom SiOx slojeva na temperaturama od 800 do 1200 oC dobile su se različite nanočestice silicija. Navedene nanočestice karakterizirane su pomoću Ramanove, infracrvene i apsorpcijske spektroskopije i pretražne elektronske mikroskopije. Razvijen je i teorijski model za Ramanovo raspršenje na optičkim i akustičkim vibracijama nanočestičnog silicija. Thin silicon, silicon-dioxide and silicon-rich oxide (SiOx) films were produced using the LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method. The depositions were made under different conditions, where the composition and the partial pressures of the reactant gasses and the deposition temperature were varied. By thermal annealing of SiOx films under temperatures from 800 to 1200 oC nanoparticles of different sizes were formed. The nanoparticles were characterised using Raman, infrared and absorption spectroscopy and scanning electron microscopy. The theoretical model of Raman scattering on optical and acoustical vibrational modes of silicon nanoparticles was developed.

Rezultati istraživanja efikasnosti tanko-slojnih fotovoltaličnih ćelija amorfnog silicija ukazuju da do povećanja efikasnosti dolazi ugradnjom nano-kristalita unutar amorfnog sloja. Budući je električni otpor kristalinične faze znatno manji od amorfne faze poboljšavaju se električna svojstva, a što doprinosi efikasnosti. Međutim, prevelika koncentracija nano-kristalita smanjuje prosječnu širinu zabranjenog pojasa i time smanjuje efikasnost. Perkolaciona teorija nudi model naglog prijelaza električne vodljivost kod već djelomičnog «punjenja» amorfne faze nano-kristalitima uz očuvanje širine zabranjenog pojasa. Naš jednostavni računski model pokazuje da će se kod uniformne distribucije nano-kristalita veličine 2 nm, prijelaz električne vodljivosti događati kod koncentracije nano-kristalita od 32%, a što se vrlo dobro slaže s dobivenim eksperimentalnim rezultatima.

Promjene strukture amorfnog silicija istraživane su raspršenjem rentgenskih zraka pod malim kutom.

Amorfni silicij (a-Si) je predmet širokog opsega istraživanja već dugi niz godina zbog svojih važnih primjena u tehnologiji i zbog pogodnosti za istraživanje svojstava šire klase materijala koja ima važne tehnološke primjene. Proučavanje tehnikom EPR-a zbog svoje specifičnosti i visoke osjetljivosti daje značajan dodatni uvid u strukturna svojstva materijala u kojemu se mogu detektirati aktivni paramagnetski centri. U ovom istraživanju smo pokazali jasnu razliku u strukturnim karakteristikama između a-Si materijala proizvedenog implantacijom Si+ ionima u monokristalnu podlogu i a-Si materijala proizvedenog magnetronskim rasprašivanjem u atmosferi u radnog plina Ar. Pokazali smo da EPR spektroskopija vrlo dobro razlikuje strukturne karakteristike materijala nastalog u ovisnosti a tlaku radnog plina Ar. Rezultate EPR spektroskopije smo usporedili s rendgenskom analizom i pokazali specifićne komparativne prednosti EPR spektroskopije. Na isti način smo analizirali utjecaj temperature podloge pri depoziciji, i pokazali značajnu prednost ove tehnike u istraživanju strukturnih promjena u netretiranom materijalu kao i u materijalu odgrijavanom na povišenim temperaturama. Istražili smo nadalje utjecaj dodavanja vodika u radni plin pri depoziciji. Pokazali smo pritom da su karakteristike materijala a-Si:H formiranog magnetronskim rasprašivanjem znatno različite od ekvivalentnog materijala dobivenog CVD tehnikama i detaljno opisanog u literaturi. Najzad pokazali smo da u slitinama SiGe s velikom koncentracijom Ge ponašanje paramagnetskih defekata značajno odstupa od uobičajene slike u a-Si.

Karakteristike fotonaponskog (FN) modula u realnim uvjetima rada osim o tehnologiji proizvodnje uvelike ovisi o različitim klimatskim faktorima na mjestu primjene. Stoga podaci koje o modulima daju proizvođači, a koji su dobiveni testiranjima u standardnim uvjetima (ozračenje 1000 W/m2, temperatura modula 25°C, masa zraka AM 1, 5 i okomit upad Sunčeva zračenja na modul) ne omogućuju precizno predviđanje radnih svojstava i učinkovito projektiranje FN sustava. U ovom su radu predočeni i analizirani rezultati testiranja FN modula od amorfnog silicija u realnim uvjetima. Testiranje je vršeno tijekom kolovoza i rujna 2005. godine na Fakultetu elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje u Splitu i sastojalo se od istovremenog mjerenja Sunčeva zračenja, temperature modula i snimanja I-U karakteristika. Prikazani su petomjesečni rezultati mjerenja Sunčeva zračenja (od svibnja do rujna), kao i ukupno zračenje na horizontalnu površinu određeno pomoću multipiranometarskog niza za tri mjeseca (od svibnja do srpnja). Uočeno je da se primjenom jednostavnog izotropnog modela neba ukupno zračenje na horizontalnu plohu može izračunati sa srednjim kvadratnim odstupanjem iznosa oko 30 W/m2. Na temelju izmjerenih podataka određene su funkcije ovisnosti struje kratkog spoja i napona otvorenog kruga o ozračenju i temperaturi koristeći jednostavne linearne modele. Utvrđeno je da ozračenje puno jače utječe i na struju kratkog spoja i na napon otvorenog kruga od temperature. Zabilježeno je značajno smanjenje I-U krivulje tijekom poslijepodnevnih sati što je posljedica intenzivnijeg zračenja u crvenom dijelu spektra u tim dijelovima dana. Konačno, I-U krivulje su simulirane primjenom empirijskog i Swartzova modela i uspoređene s izmjerenima. Iako je Swartzov model pokazao bolje slaganje, njegovi se parametri moraju odrediti posebnim mjerenjima u kontroliranim uvjetima što ga čini nepraktičnim za testiranja u realnim uvjetima rada.

Još kasnih 70 ovoga stoljeća se uočilo da legure amorfnog silicija ne mogu egzistirati kao poluvodički materijal ukoliko ne sadrži dodatke koji zasićuju "slobodne valencije". Naime, budući da je struktura neuređena, koordinacijski broj je manji od 4 pa u materijalu postoje nespareni elektroni u kovalentnoj vezi, tzv "viseće veze" koji djeluju kao električki aktivni defekti i diskvalificiraju materijal kao poluvodič. Uvođenje vodika u materijal ima, osim ove osnovne funkcije, niz pratećih pojava. Jedna od njih je "elastičnost strukture" koja omogućava akomodaciju vrlo različitih dopirajućih atoma i relaksaciju raznih strukturnih defekata. Može se pokazati da koncentracija i način vezivanja vodika ima direktni utjecaj na uređenje srednjeg i kratkog dosega, što će biti ilustrirano rezultatima vibracione spektroskopije. Nadalje, vodik svojim kemijskim potencijalom mijenja ukupnu energijsku raspodjelu elektronskih stanja što između ostalog ima utjecaj na širinu energijskog procijepa. Tako postoji direktna korelacija između Urbach-ovog nagiba, veličine koja određuje raspodjelu energijskih stanja elektrona na rubu vodljive i valentne zone i širine energijskog procijepa. No vodik u legurama amorfnog silicija nije u potpunosti stabilan. Pod utjecajem svjetla i/ili povišene temperature dolazi do složene migracije vodikovih atoma u materijalu koja dovodi do njegove preraspodjele koja rezultira postepenim kvarenjem performansi materijala. Osim ovoga, poznavajući korelaciju načina vezivanja vodika i strukture, moguće je upotrijebiti vezu silicij-vodik kao sondu za stupanj strukturnog uređenja. Ovakva mogućnost će biti ilustrirana na procijeni volumnog udjela šupljina u materijalu te distribuciji šupljina po veličini korištenjem infracrvene spektroskopije, difrakcije x-zraka pod malim kutem i nuklearnih metoda.

Amorfni silicij je materijal od kojeg se dugi niz godina očekuje da postane osnovna sirovina za tanko-slojne solarne ćelije velike efikasnosti i male cijene. Zbog velikog koeficijenta apsorpcije, potrebna je vrlo mala količina materijala za relativno dobar učinak. Nadalje, činjenica da se radi o višeslojnoj strukturi ostavlja prostora za vrlo različite kombinacije aktivnih i pasivnih slojeva u formiranju optimalnog uređaja. Efikasnost ovakvih ćelija, neposredno nakon izrade, kreće se između 6 i 12%, no tokom izlaganja svjetlu dolazi do pada efikasnosti za 15-30% iz više razloga koji uključuju niz procesa vezanih za generaciju i rekombinaciju nosilaca naboja, aktivaciju dopanada, međudifuziju i dr. U radu će biti pokazani rezultati kompjuterske simulacije fizikalnih procesa koji određuju efikasnost fotonaponske konverzije solarne ćelije na bazi amorfnog silicija za nekoliko karakterističnih kombinacija slojeva u povijesnom nizu, od naj-jednostavnije p-i-n strukture do modernih, složenih struktura koje uključuju legure amorfnog silicija, difuzijske barijere i dr. Također, pokazat će se rezultati simulacije procesa presudnih za inicijalni pad efikasnosti u radnim uvjetima i diskutirati nivo njihovog kvalitativnog i kvantitativnog slaganja sa tipičnim eksperimentalnim rezultatima

Primjenom odgovarajućih modela analiziran je rad sunčanih ćelija od amorfnog silicija u određenom rasponu temperatura i zračenja.

S pomočjo modela lokaliziranih stanj, opisanega z vsoto dveh eksponentnih potekov, so izpeljani analitični izrazi za temno prevodnost nedopiranega in dopiranega amorfnega silicija. Izračunane vrednosti so primerjane z izmerjenimi karakteristikami temperaturne odvisnosti temne prevodnosti a-Si. Ujemanje izračunanih in izmerjenih rezultatov je zadovoljivo.

V diplomskem delu so podani izračuni električnih lastnosti posameznih tipov polprevodnikov (N, P, I) iz amorfnega silicija (a-Si), v katerih se koncentracija primesi krajevno spreminja in prehodih področij PN, PI in NI spojev. Električne lastnosti so: prostorski naboj, difuzijska napetost, električno polje, debeline prehodnih področij in kapacitivnost polprevodnikov s spremenljivo koncentracijo primesi. Rezultati v diplomskem delu so izvedeni iz enačb za tokovno gostoto večinskih ali manjšinskih nosilcev naboja in Poissonve enačbe. Na koncu je podana primerjava dobljenih lastnosti amorfnega silcija z lastnostmi monokristalnega silicija.