ΕΚΤΕΝΗΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΕΡΓΟΥ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΕΙ ΙΚΟΣ ΛΟΓΑΡΙΑΣΜΟΣ ΚΟΝ ΥΛΙΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΚΑΡΑΘΕΟ ΩΡΗ 2010 Κωδικός Έργου: Α. ΤΙΤΛΟΣ Β. ΣΤΟΧΟΣ ΕΚΤΕΝΗΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΕΡΓΟΥ ΦΩΤΟΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ΓΙΑ ΟΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ Υπολογιστική μελέτη και σχεδιασμός εξαρτημάτων για οπτικές επικοινωνίες όπως πηγές, οπτικοί διαμορφωτές και φωτοανιχνευτές τα οποία θα είναι μικρά σε μέγεθος και περισσότερο αποδοτικά από τα υπάρχοντα. Γ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ (Α+Β+Γ= 1 σελίδα) Χρησιμοποιώντας υπολογιστικές τεχνικές θα μελετήσουμε εξαρτήματα οπτικών επικοινωνιών όπως πηγές, οπτικούς διαμορφωτές, και φωτοανιχνευτές. Αυτά τα εξαρτήματα θα βασίζονται σε ηλεκτρομαγνητικά αντηχεία (cavities) τα οποία θα έχουν υψηλούς παράγοντες ποιότητας (quality factors, Q), όπως και μερικά από τα ήδη υπάρχοντα εξαρτήματα, και συγχρόνως θα εντοπίζουν το φως σε πολύ μικρές περιοχές δημιουργώντας έτσι πολύ μικρούς ενεργούς όγκους καταστάσεων (effective mode volumes, V eff ). Ο συνδυασμός πολύ υψηλών Q και πολύ χαμηλών V eff θα έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού αυθόρμητης εκπομπής και κατά συνέπεια αποδοτικότερες πηγές. Θα κάνει τα συγκεκριμένα εξαρτήματα περισσότερο ευαίσθητα σε αλλαγές του δείκτη διάθλασης στις περιοχές που έχουμε τη μέγιστη συγκέντρωση του φωτός, οδηγώντας σε καλύτερους οπτικούς διαμορφωτές. Τέλος, θα αυξήσει την απορρόφηση του φωτός επίσης στις περιοχές που έχουμε τη μέγιστη συγκέντρωσή του δημιουργώντας έτσι υπερ-ευαίσθητους φωτοανιχνευτές. Ένας επιπλέον παράγοντας αξιολόγησης των διαφόρων δομών, εκτός της αποδοτικότητας που αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, θα είναι και η ευκολία κατασκευής τους. Αυτό θα κάνει τα εξαρτήματα φθηνότερα αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα να έχουν πρακτικές εφαρμογές. 1

. ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ (μέχρι 10 σελίδες) 1. Σημερινή γνώση στο θέμα Είναι γνωστό ότι η υπολογιστική ισχύς των ηλεκτρονικών υπολογιστών αυξάνεται ραγδαία. Αυτό αποτυπώνεται στον νόμο του Moore ο οποίος από το 1965 είχε προβλέψει ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που μπορούν να τοποθετηθούν, χωρίς επιπλέον κόστος, σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα θα αυξάνεται εκθετικά. Μάλιστα, είχε προβλέψει ότι αυτός ο αριθμός θα διπλασιάζεται περίπου κάθε δυο χρόνια. Αυτός ο νόμος εξακολουθεί να τηρείται ως τις μέρες μας. Όμως, παρότι η ταχύτητα των ξεχωριστών λογικών κομματιών ενός υπολογιστή αυξάνεται ραγδαία δημιουργείται πρόβλημα στην επικοινωνία μεταξύ αυτών των κομματιών, γνωστό και ως communication bottleneck. Οι οπτικές επικοινωνίες μπορούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα με την αντικατάσταση των ηλεκτρικών συρμάτων από κυματοδηγούς που μπορούν να μεταδίδουν περισσότερη πληροφορία ταχύτερα. Η πορεία άλλωστε των επικοινωνιών γενικότερα δείχνει μια επικράτηση των οπτικών επικοινωνιών με την σταδιακή αντικατάσταση των συρμάτων χαλκού από οπτικές ίνες σε όλα τα επίπεδα εκτός του υπολογιστή. Θα πρέπει φυσικά να τονιστεί σε αυτό το σημείο ότι στον κλάδο των ηλεκτρικών επικοινωνιών γίνονται σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες για να μπορέσουν να ξεπεραστούν τα προβλήματα που δημιουργούνται από την αυξανόμενη πυκνότητα των τρανζίστορ στα chips με κυριότερη τα low-k διηλεκτρικά υλικά.[1] Είναι σημαντικό λοιπόν να έχουμε στο μυαλό μας ότι τα μελλοντικά συστήματα οπτικών επικοινωνιών θα πρέπει να είναι πολύ καλλίτερα από τα σημερινά συστήματα ηλεκτρικών επικοινωνιών αφού και αυτά θα έχουν παρουσιάσει αξιόλογές βελτιώσεις στο ενδιάμεσο διάστημα. Υπάρχουν τρία πεδία έρευνας για τη χρήση οπτικών επικοινωνιών σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Το πρώτο είναι για board-to-board επικοινωνίες στα οποία ο υπολογιστής αποτελείται από πολλά boards και η πληροφορία μεταφέρεται οπτικά από το ένα board στο άλλο. Αυτό είναι και το προχωρημένο πεδίο έρευνας, επειδή δεν περιέχει σημαντικές διαφοροποιήσεις σε σχέση με τα υπάρχοντα οπτικά δίκτυα εκτός υπολογιστή, και είναι πολύ πιθανό να το δούμε σε καινούργια προϊόντα μέσα στα επόμενα 2-3 χρόνια. [1,2] Σχήμα 1. Ένα διάγραμμα που δείχνει τα κομμάτια ενός συστήματος για chip-to-chip και intrachip οπτικές επικοινωνίες. [1] Το δεύτερο πεδίο έρευνας αφορά chip-to-chip επικοινωνίες για μεταφορά πληροφορίας από ένα chip σε ένα άλλο σε ένα συγκεκριμένο board. Και το τρίτο 2

πεδίο έρευνας αφορά intrachip επικοινωνίες για μεταφορά πληροφορίας μέσα σε ένα chip. Στα δυο αυτά πεδία γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια και στο σχήμα 1 φαίνεται το πώς θα ήταν ένα σύστημα οπτικών επικοινωνιών. Αποτελείται από κομμάτια όπως πηγές (laser ή led) για τη δημιουργία του φωτός, optical modulator για την εγγραφή της πληροφορίας στο κύμα (σε αυτό το κομμάτι θα γίνεται μετατροπή του ηλεκτρικού σήματος σε οπτικού δηλαδή 1 και 0 που ισοδυναμεί σε διάδοση και μη διάδοση), κυματοδηγό για τη μεταφορά της πληροφορίας από ένα σημείο σε ένα άλλο, και photodetector για την ανίχνευση του φωτός και την μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό. [1,2] Αυτά τα δυο πεδία έρευνας εμπεριέχουν πολλές δυσκολίες γιατί θα πρέπει να ενσωματώσουν τα ενεργά οπτικά κομμάτια που αναφέρθηκαν προηγουμένως (πηγές, modulators, photodetectors) στα σημερινά chips που κατασκευάζονται με silicon CMOS τεχνολογία. Όμως το πυρίτιο δεν είναι ιδανικό ενεργό οπτικό υλικό λόγω της ασθενούς ηλεκτρο-οπτικής συμπεριφοράς του (electro-optic response). [2] Έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές στις οποίες χρησιμοποιούνται άλλα υλικά με καλλίτερη ηλεκτρο-οπτική συμπεριφορά σε συνδυασμό με το πυρίτιο για βελτιωμένη απόδοση. [3-6] Αυτά τα υλικά μπορούν να είναι AlGaInAs [3], Ge [6] και πυρίτιο εμπλουτισμένο με έρμπιο [4]. Σε αυτό το πρόγραμμα θα εξεταστούν υπολογιστικά νέες διατάξεις για τα διάφορα κομμάτια ενός συστήματος οπτικών επικοινωνιών τα οποία θα χρησιμοποιούν καλλίτερα ηλεκτρο-οπτικά υλικά, όπως αυτά που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, και θα μπορούν να εντοπίζουν το φως σε περιοχές μικρότερες από το μήκος κύματος. Αυτό θα κάνει αυτές τις διατάξεις πιο αποδοτικές και μικρότερες σε μέγεθος. 2. Ανάπτυξη της μεθοδολογίας του προγράμματος Πρόσφατα, [7] μια υπολογιστική μελέτη ενός slot κυματοδηγού μέσα σε ένα φωτονικό κρύσταλλο έδειξε πολύ μικρά effective mode volumes μπορούν να δημιουργηθούν για ορισμένες συχνότητες συντονισμού. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν ασυνέχειες στο δείκτη διάθλασης μικρότερες από το μήκος κύματος, εντοπίζοντας έτσι το ηλεκτρικό πεδίο σε πολύ μικρές διαστάσεις (Σχήμα 2). Υπολόγισαν effective mode volumes (ενεργούς όγκους καταστάσεων) της τάξης των 10-2 (λ/2n) -3 σε τέτοια συστήματα. Αυτό αντιστοιχεί σε μια αύξηση του παράγοντα Purcell κατά δυο τάξεις μεγέθους σε σχέση με προηγούμενες cavities σε φωτονικούς κρυστάλλους. Να υπενθυμίσουμε εδώ ότι ο παράγοντας Purcell (F p ) είναι ο λόγος του ρυθμού αυθόρμητης εκπομπής του εκπομπού (emitter) ως προς τον αντίστοιχο ρυθμό του για τον εκπομπό στον ελεύθερο χώρο. Αυτό το λόγο θέλουμε να μεγιστοποιήσουμε για να έχουμε όσο το δυνατό ποιο αποτελεσματικές πηγές. Για ένα εκπομπό (emitter) μέσα σε μια κοιλότητα (cavity) τοποθετημένο στο σημείο όπου έχουμε το μέγιστο του ηλεκτρικού πεδίου και ο οποίος έχει μέγιστο εκπομπής στη ίδια συχνότητα με αυτή του συντονισμού της κοιλότητας, ο παράγοντας Purcell είναι: Γ 6Q Fp = = (1) 2 Γ π V 0 eff 3

Όπου Q είναι ο παράγοντας ποιότητας (quality factor) της κοιλότητας και V eff είναι ο ενεργός όγκος καταστάστεως (effective mode volume) και δίνεται από τον τύπο: r r r 2 3 ε ( ) E( ) d r r r r ε ( )max[ Ε( ) ( r ) 2n( ) 3 max Veff = 2 max ] λ (2) Όπου r max είναι η θέση του μεγίστου του μέτρου του ηλεκτρικού πεδίου Ε, ε είναι η διηλεκτρική σταθερά, και n ο δείκτης διάθλασης. Σχήμα 2. Αριστερά: Ο λόγος του effective mode volume του slot κυματοδηγού δια του slab κυματοδηγού για n=1.5, 2.5, 3.5 (πράσινο, κόκκινο, μπλε), όπου n είναι ο λόγος του υψηλού ως προς το χαμηλό δείκτη διάθλασης. To πάχος του slab είναι λ/n h. εξιά: Το τετράγωνο του ηλεκτρικού πεδίου στο slot κυματοδηγό στο μήκος κύματος συντονισμού 1431.1 nm. [7] Πολύ μικρά V eff, μικρότερα από 0.15λ 3, έχουν επίσης βρεθεί σε 3D φωτονικούς κρυστάλλους με σχισμή (slot) ως ατέλεια. Μικραίνοντας το πλάτος της σχισμής το V eff γίνεται ακόμη μικρότερο. Το Q που υπολογίστηκε σε αυτή την περίπτωση ήταν 600 αν και σε 3D φωτονικούς κρυστάλλους το Q μπορεί να αυξηθεί απεριόριστα αυξάνοντας το μέγεθός τους και στις τρείς διαστάσεις. Το ηλεκτρικό πεδίο αυξάνεται έως και 25 φορές μέσα στη slot ατέλεια. [8] Σε συνηθισμένους φωτονικούς κρυστάλλους με ατέλειες, το Veff είναι της τάξης του 1. Σχήμα 3. Αριστερά: Ένα σύστημα δυο μικρο-δίσκων πυριτίου. εξιά: Η απόλυτη τιμή της x συνιστώσας του ηλεκτρικού πεδίου στο μέσο του χάσματος μεταξύ των δυο δίσκων σαν συνάρτηση του μήκους κύματος. [9] Σε πρόσφατη δημοσίευση ο επιστημονικός υπεύθυνος πρότεινε ένα σύστημα από δίσκους πυριτίου διαμέτρου 2 μm και 200nm πάχους τα οποία βρίσκονται σε 4

πολύ κοντινή απόσταση (Σχήμα 3). [9] Ένα επίπεδο κύμα προσπίπτει σε αυτή τη δομή με k παράλληλο στο z και το ηλεκτρικό του πεδίο παράλληλο στο x άξονα. Το ηλεκτρικό πεδίο στο μέσο του χάσματος μεταξύ των δυο δίσκων σαν συνάρτηση του μήκους κύματος δίνεται στο Σχήμα 3. Το ηλεκτρικό πεδίο είναι κυρίως παράλληλο στο x άξονα και παρουσιάζει μερικά μέγιστα που αντιστοιχούν στους συντονισμούς του καθενός δίσκου (γνωστούς στη βιβλιογραφία και σαν whispering gallery modes) και διαδίδονται στο εσωτερικό του κάθε δίσκου. Ο πρώτος συντονισμός εμφανίζεται στο λ=2437nm και έχει 2% διαφορά με τον αντίστοιχο συντονισμό του ενός δίσκου κάτι που δείχνει ότι οι αλληλεπίδραση των εντοπισμένων καταστάσεων στον κάθε δίσκο είναι ασθενής. Το Q για αυτό το συντονισμό είναι 17 και έχουμε μια αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου στο χάσμα μεταξύ των δύο δίσκων που φτάνει τις 43 φορές σε σχέση με το προσπίπτων πεδίο. Το μήκος κύματος του συντονισμού αλλάζει ανάλογα με τις διαστάσεις των δίσκων. Σχήμα 4. Η απόλυτη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου στο xz και στο xy επίπεδο (αριστερά και δεξιά αντίστοιχα) στο πρώτο συντονισμό (2437 nm). Λογαριθμική κλίμακα χρησιμοποιείται με το κόκκινο χρώμα να αντιστοιχεί στη μέγιστη τιμή. [9] Το Σχήμα 4 δείχνει την απόλυτη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου για το πρώτο συντονισμό (2437nm). Μία εντοπισμένη κατάσταση δημιουργείται σε κάθε δίσκο με μέγιστη τιμή μέσα στους δίσκους περίπου 4 φορές μεγαλύτερη από το προσπίπτων ηλεκτρικό πεδίο. Υπάρχει ασθενής αλληλεπίδραση των εντοπισμένων καταστάσεων σε κάθε δίσκο και αυτό δημιουργεί ένα μέγιστο στο χάσμα μεταξύ των δίσκων με μέγιστη τιμή 43 φορές μεγαλύτερη από το προσπίπτων ηλεκτρικό πεδίο. Για σύγκριση, ο πρώτος συντονισμός για τον ένα μόνο δίσκο πυριτίου εμφανίζεται σε μήκος κύματος 2387nm με μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο στις άκρες του δίσκου 13 φορές μεγαλύτερο από το προσπίπτων ηλεκτρικό πεδίο. Το δεξιό μέρος του σχήματος 4 δείχνει το πεδίο στο xy επίπεδο από όπου φαίνεται ότι το πεδίο αυξάνεται σχεδόν ομοιόμορφα μέσα στο χάσμα κατά μήκος του y άξονα. Μικραίνοντας το χάσμα μεταξύ των δίσκων, το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο χάσμα αυξάνεται ακόμη περισσότερο. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 5 (μπλε κύκλοι) όπου για ένα σύστημα δύο δίσκων διαμέτρου 2μm και πάχους 200nm η αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στο χάσμα σε σύγκριση με το προσπίπτων ηλεκτρικό πεδίο φτάνει το 92 για χάσμα 1nm και μετά μικραίνει γρήγορα όταν οι δίσκοι ακουμπήσουν ο ένας τον άλλο. 5

Σχήμα 5. Αριστερά: Οι δυο διαταραγμένοι δίσκοι στο xz επίπεδο. εξιά: Το μέγιστο του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στο χάσμα μεταξύ των δυο δίσκων σαν συνάρτηση του πλάτους του χάσματος. Οι μπλε κύκλοι αντιστοιχούν στο σύστημα των δυο απλών δίσκων και οι κόκκινοι σταυροί στο σύστημα των δυο διαταραγμένων δίσκων. [9] Το αριστερό μέρος του σχήματος 5 δείχνει δυο διαταραγμένους δίσκους πυριτίου. Στους απλούς δίσκους (διαμέτρου 2μm και πάχους 200nm) έχουν προστεθεί δυο μικρότεροι δίσκοι πυριτίου πάχους 200nm με το κέντρο τους στις κοντινότερες άκρες των μεγάλων δίσκων. Η διάμετρος τους αλλάζει ανάλογα με την απόσταση μεταξύ τους (d 2 ), δηλαδή το μέγεθος του χάσματος, έτσι ώστε το d 1 να είναι πάντα 30nm. Όπως φαίνεται στη δεξιά μεριά του Σχήματος 5 (σταυροί), η αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στο χάσμα (σε σχέση πάντα με το προσπίπτων ηλεκτρικό πεδίο) φτάνει τις 238 φορές όταν το χάσμα (d 2 ) είναι 1nm. Θα πρέπει να τονίσουμε εδώ ότι αυτές οι τιμές είναι συγκρίσιμες με αυτές που λαμβάνουμε ανάμεσα σε μεταλλικά νανο-σωματίδια όταν αυτά βρίσκονται πολύ κοντά. [10] Όμως τα διηλεκτρικά υλικά, όπως το πυρίτιο, έχουν πολύ μικρότερη απορρόφηση του φωτός και για αυτό μπορούμε να έχουμε μεγάλα Q και χαμηλά V eff. Σχήμα 6. Η μεταβολή του V eff σαν συνάρτηση του χάσματος μεταξύ των δίσκων. Μπλε και πράσινες γραμμές αντιστοιχούν στο πρώτο και δεύτερο συντονισμό αντίστοιχα. Αρχικοί υπολογισμοί του V eff από την εξίσωση 2 δείχνουν ότι μπορεί να λάβει πολύ μικρές τιμές και συγκεκριμένα είναι 0.0274 για απόσταση 20nm μεταξύ των δίσκων (η μικρότερη απόσταση στην οποία υπολογίστηκε) και περιμένουμε ακόμη μικρότερες τιμές για πιο μικρές αποστάσεις. Αυτό επιβεβαιώνει ότι το σύστημα 6

των δυο δίσκων που προτείνουμε να μελετήσουμε έχει πολύ χαμηλά V eff και συγχρόνως πολύ μεγάλα Q. Για αυτό περιμένουμε ότι αυτές οι δομές θα δίνουν πολύ μεγάλους παράγοντες Purcell και θα είναι ιδανικές για πηγές και οπτικούς διαμορφωτές (optical modulators) στις οπτικές επικοινωνίες. Θα πρέπει να τονιστεί εδώ ότι το V eff του ενός δίσκου είναι μεγαλύτερο του 1. Θα ερευνηθούν λοιπόν πηγές βασισμένες σε συστήματα όπως οι δυο δίσκοι πυριτίου και οι φωτονικοί κρύσταλλοι με ατέλειες σε μορφή σχισμών (σχήμα 2 και αναφορά 8). Το πυρίτιο έχει ένα indirect χάσμα στην ηλεκτρονική του δομή που δεν του επιτρέπει την εκπομπή φωτός. Απαιτείται μεταβολή στο κυματάνισμα μέσω κρυσταλλικών ταλαντώσεων μαζί με τη ηλεκτρονιακή ενεργειακή μετάπτωση που συμβαίνει σε υλικά με direct ηλεκτρονικό χάσμα (όπως για παράδειγμα το GaAs). Έχουν λοιπόν προταθεί [11] laser πυριτίου βασισμένα στο stimulated Raman scattering τα οποία εκπέμπουν στα 1550nm. Συγκρινόμενα με το laser οπτικών ινών, το laser πυριτίου (βασιζόμενο στη σκέδαση Raman) είναι περισσότερο από 10000 φορές ποιο ισχυρό και μπορούσε να κατασκευαστεί σε διαστάσεις μικρότερες από 5 εκατοστά και όχι χιλιομέτρων όπως απαιτείται στην περίπτωση του laser οπτικών ινών. [11] Όμως ακόμη και αυτές οι διαστάσεις είναι υπερβολικά μεγάλες για εφαρμογές σε οπτικές επικοινωνίες όπου οι απαιτούμενες διαστάσεις είναι μερικά μικρόμετρα. Ένας άλλος τρόπος για να φτιαχτεί laser πυριτίου είναι ο συνδυασμός ενός οπτικά ενεργού υλικού (όπως ένας III-IV ημιαγωγός, π.χ. AlGaInAs που χρησιμοποιείται για laser στις τηλεπικοινωνίες και το InP) με ένα κυματοδηγό πυριτίου. [3] Σε αυτή τη μελέτη [3] η δομή είναι 860 μm σε μάκρος και παράγει 1.8 mw laser φωτός συνεχούς κύματος σε μήκος κύματος 1500nm και έχει κατώφλι ρεύματος (threshold) 65mA. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, έτσι και εδώ περιμένουμε ότι διατάξεις όπως αυτές των δυο δίσκων ή φωτονικών κρυστάλλων με σχισμές ως ατέλειες θα αυξήσουν την απόδοση των υβριδικών συστημάτων που περιγράφηκαν σε αυτή την παράγραφο και θα μπορούσαν να μειώσουν τις διαστάσεις τους. Ο εμπλουτισμός δομών πυριτίου με Erbium έχει επίσης προταθεί. Σε μια από αυτές τις μελέτες [4] ένας μικροδίσκος πυριτίου εμπλουτίστηκε με Erbium για να φτιαχτεί ένα microlaser με κατώφλι ρεύματος στα 43mW. Χρησιμοποιήθηκε επίπεδη τεχνολογία βασισμένη σε CMOS, συμβατή δηλαδή με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την κατασκευή των chip πυριτίου. Στην παρούσα έρευνα θα μελετηθούν συστήματα από δυο δίσκους πυριτίου σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους τα οποία θα έχουν εμποτισθεί με Erbium στην περιοχή που γειτονεύουν. Εκτός από το υψηλό Q που παρουσιάζεται και στον ένα δίσκο, εδώ θα έχουμε και πολύ χαμηλό V eff με επακόλουθο ακόμη υψηλότερες τιμές για τον παράγοντα Purcell. Επιπλέον, λόγο της υψηλής συγκέντρωσης του ηλεκτρικού πεδίου στις δομές που θα μελετηθούν εδώ, θα είναι πιθανόν οι διατάξεις αυτές να λειτουργούν αποτελεσματικά και με χαμηλότερο εφαρμόσιμο ρεύμα με τον εμπλουτισμό με Erbium μόνο μιας μικρής περιοχής τους. Επίσης αρχικοί υπολογισμοί διαγραμμάτων ακτινοβολίας δείχνουν ότι τουλάχιστον μια από τις προτεινόμενες διατάξεις παρουσιάζει μεγάλη κατευθυντικότητα. (Σχήμα 7) Συγκεκριμένα όταν ένα δίπολο τοποθετείτε στο μέσο του χάσματος μεταξύ των δυο δίσκων που φαίνονται στο Σχήμα 3 και ακτινοβολεί στο μήκος κύματος των 2437nm το μεγαλύτερο ποσοστό ακτινοβολίας είναι σε 7

ένα επίπεδο κάθετο στην ευθεία που συνδέει τα κέντρα των δυο δίσκων (Σχήμα 7). Αυτό θα αυξήσει το ποσοστό του φωτός που μπορεί να μεταδοθεί από το laser στους κυματοδηγούς ή τις οπτικές ίνες χωρίς επιπλέον διατάξεις για την εστίασή του. Σχετικά με τους οπτικούς διαμορφωτές έχουν προταθεί διατάξεις βασισμένες σε πυρίτιο και σε πυρίτιο γερμάνιο. [5,6] Αυτές οι διατάξεις βασίζονται στο φαινόμενο της διασποράς πλάσματος στο οποίο μια εφαρμόσιμη πυκνότητα ρεύματος δημιουργεί αλλαγές στο δείκτη διάθλασης του υλικού. Σε αυτούς τους διαμορφωτές απαιτείται η καλύτερη δυνατή αλληλοεπικάλυψη της οπτικής κατάστασης (mode) με την περιοχή όπου έχουμε την μεγαλύτερη συγκέντρωση των φορέων του ρεύματος. Έτσι λοιπόν οπτικοί διαμορφωτές φτιαγμένοι από συστήματα δυο δίσκων ή φωτονικούς κρυστάλλους με σχισμές ως ατέλειες που προτείνουμε να μελετηθούν, θα μπορέσουν να επιτύχουν αυτή την αλληλοεπικάλυψη λόγο της μεγάλης συγκέντρωσης του φωτός σε μια μικρή περιοχή, δημιουργώντας έτσι ποιο αποτελεσματικούς διαμορφωτές. Σχήμα 7. Το σχεδιάγραμμα ακτινοβολίας ενός δίπολου τοποθετημένου στο μέσο του χάσματος μεταξύ δυο δίσκων πυριτίου. Για τους υπολογισμούς θα χρησιμοποιηθούν τεχνικές όπως η finite difference time domain (FDTD) και η finite element (FE). Για τις πηγές, θα υπολογιστούν ο παράγοντας Purcell (εξίσωση 1) και τα διαγράμματα ακτινοβολίας σημειακών πηγών (έτσι ουσιαστικά προσεγγίζουμε τα οπτικώς ενεργά υλικά όπως το Erbium, InP) με στόχο τη μεγιστοποίηση του F p και τη δημιουργία όσο το δυνατόν ποιο στενών διαγραμμάτων ακτινοβολίας. Για τους οπτικούς διαμορφωτές, θα υπολογιστούν οι μεταβολές στο φάσμα συχνοτήτων των διαφόρων διατάξεων με την αλλαγή του δείκτη διάθλασης στην περιοχή όπου έχουμε το μεγαλύτερο εντοπισμό του φωτός. Για τους φωτοανιχνευτές θα μελετηθεί η απορρόφηση του φωτός με στόχο τη μεγιστοποίησή της. Και για τα τρία εξαρτήματα οπτικών επικοινωνιών θα μελετηθούν δομές παρόμοιες με αυτές που περιγράφηκαν (σχήματα 2, 3, 5) και οι οποίες έχουν μεν πολύ υψηλό Q (όπως άλλες κοιλότητες που έχουν προταθεί), αλλά επιπλέον έχουν και πολύ μικρά V eff. Και ενώ ένας σημαντικός παράγοντας σε αυτή τη 8

μελέτη θα είναι η μεγιστοποίηση των παραμέτρων που περιγράφηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, ένας επίσης πολύ σημαντικός παράγοντας θα είναι και η ευκολία κατασκευής τους. Για παράδειγμα δομές όπως αυτή στο σχήμα 3 όπου η απόσταση μεταξύ των δίσκων είναι μικρότερη από 30nm είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστούν. Θα εξεταστούν λοιπόν και δομές όπως αυτή που φαίνεται στο σχήμα 8, όπου οι δύο δίσκοι είναι τοποθετημένοι σε διαφορετικά επίπεδα και η s z απόσταση είναι της τάξης των μερικών νανομέτρων. Αυτές οι δομές είναι πολύ ποιο εύκολο να κατασκευαστούν. Αρχικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι και σε αυτές τις δομές το V eff μπορεί να γίνει πολύ μικρό. y s x z s z x Σχήμα 8. Η προβολή του συστήματος των δυο δίσκων στο xy επίπεδο (αριστερά) και η xz διατομή του ιδίου συστήματος (δεξιά) όπου φαίνεται ότι οι δύο δίσκοι είναι τοποθετημένοι σε διαφορετικά επίπεδα. 3. Σκοπιμότητα, σημασία και συμβολή του προγράμματος Συνοψίζοντας, προτείνουμε την υπολογιστική μελέτη εξαρτημάτων για συστήματα οπτικών επικοινωνιών τα οποία θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογή στη μεταφορά πληροφορίας σε τσιπάκια ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι διατάξεις που θα μελετηθούν (παρόμοιες με αυτές στα σχήματα 2, 3, 5, 8), θα έχουν πολύ υψηλά Q, κάτι που έχουν μερικά από τα υπάρχοντα μελετώμενα εξαρτήματα, και επιπλέον θα έχουν τη δυνατότητα να εντοπίζουν το φώς σε πολύ μικρούς όγκους οδηγώντας σε πολύ μικρά V eff. Σαν αποτέλεσμα, οι πηγές, οι διαμορφωτές και οι φωτοανιχνευτές που θα βασίζονται σε αυτά τα υλικά και τις διατάξεις θα έχουν πολύ καλλίτερη απόδοση αφού, όπως προκύπτει από την εξίσωση 1, ο παράγοντας Purcell είναι ανάλογος του Q και αντιστρόφως ανάλογος του V eff. Επίσης, το ότι έχουμε υψηλή συγκέντρωση του φωτός σε πολύ μικρούς όγκους, θα κάνει τις διάφορες διατάξεις περισσότερο ευαίσθητές και θα τις κάνει να λειτουργούν με λιγότερο ρεύμα άρα και ενέργεια. Θα δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην ευκολία κατασκευής τους και έτσι σε συνδυασμό με την καλύτερη απόδοσή τους, το μικρό τους μέγεθος και την χαμηλή ενεργειακή τους κατανάλωση θα έχουν σημαντικές πιθανότητες για μελλοντικές πρακτικές εφαρμογές στις chip to chip και στις intrachip οπτικές επικοινωνίες. Ο επιστημονικός υπεύθυνος έχει εργαστεί τα τελευταία οχτώ χρόνια σε εταιρείες και έχει πλούσια ερευνητική εμπειρία σε οπτικές επικοινωνίες όπως φαίνεται από το βιογραφικό του. Συγκεκριμένα, έχει 15 διπλώματα ευρεσιτεχνίας σχετικά με την προτεινόμενη έρευνα όπως, πηγές (light emitting diodes), οπτικούς διαμορφωτές και κυματοδηγούς. Θα πρέπει να τονιστεί εδώ ότι η συνηθισμένη πρακτική στις εταιρείες είναι η απόκτηση διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και όχι η δημοσίευση της ερευνητικής εργασίας όπως γίνεται στα Ακαδημαϊκά Ιδρύματα. Επίσης η σχετική δημοσιευμένη εργασία του σε πηγές (light emitting diodes) έχει λάβει 118 ετεροαναφορές τα τελευταία τέσσερα χρόνια. x 9

Η χρηματοδότηση της προτεινόμενης έρευνας θα βοηθήσει τον επιστημονικό υπεύθυνο (και ως εκ τούτου και το Πανεπιστήμιο Πάτρας) να συνεχίσει την αναγνωρισμένη επιστημονική του δραστηριότητα στις οπτικές επικοινωνίες. Θα οδηγήσει δε στην υποβολή επιπλέον σχετικών προτάσεων τόσο σε εθνικό όσο και σε ευρωπαϊκό επίπεδο. Θα ισχυροποιήσει τις συνεργασίες του επιστημονικού υπεύθυνου (και φυσικά του Πανεπιστημίου Πάτρας) με διεθνώς αναγνωρισμένες εταιρείες στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών με τις οποίες συνεργάστηκε στο παρελθόν. Τέλος τα αποτελέσματα της προτεινόμενης έρευνας πιθανόν να έχουν εφαρμογές σε άλλες διατάξεις. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι οι οπτικοί απομονωτές (optical isolators), όπου θέλουμε να έχουμε διάδοση του φωτός μόνο προς μια κατεύθυνση και όχι στην αντίθετη. Ένα άλλο παράδειγμα είναι οι αισθητήρες, όπου ο εντοπισμός του φωτός σε τόσο μικρούς όγκους θα μπορούσε να οδηγήσει σε υπερ-ευαίσθητους ανιχνευτές νανο-σωματιδίων (π.χ. βιολογικών μορίων). 4. Βιβλιογραφία 1. M. Haurylau, G. Chen, H. Chen, J. Zhang, N. A. Nelson, D. H. Albonesi, E. G. Friedman, and P. M. Fauchet, ``On-chip optical interconnect roadmap: Challenges and critical directions, IEEE J. Selected Topics in Quant. Electronics 12, 1699 (2006). 2. S. P. Anderson, A. R. Shroff, and P. M. Fauchet, ``Slow light with photonic crystals for on-chip optical interconnects, Advances in Optical Technologies ID293531 (2008). 3. Fang et al., ``Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser Optics Express 14, 9203 (2006). 4. T. J. Kippenberg, J. Kalkma, A. Polman, and K. J. Vahala, ``Demonstration of an erbium-doped microdisk laser on a silicon chip, Physical Review A 74, 051802 (2006). 5. C. A. Barrios, V. R. Almeida, R. Panepucci, and M. Lipson, Electrooptic modulation of silicon-on-insulator submicrometer-size waveguide devices, J. Lightw. Technol., vol. 21, no. 10, p. 2332, Oct. 2003. 6. D. Marries, E. Cassan, L. Vivien, D. Pascal, A. Koster, and S. Laval, Design of a modulation-doped SiGe/Si optical modulator integrated in a submicrometer silicon-on-insulator waveguide, Opt. Eng., vol. 4, no. 8, pp. 084 001 084 002, Aug. 2005. 7. J. T. Robinson, C. Manolatou, L. Chen, and M. Lipson, ``Ultrasmall Mode Volumes in Dielectric Optical Microcavities, Phys. Rev. Lett. 95, 143901 (2005). 8. M. M. Sigalas, R. Biswas, ``Slot defects in three dimensional photonic crystals, Phys. Rev. B 78 033101 (2008). 9. M. M. Sigalas, D. A. Fattal, R. S. Williams, S.Y. Wang, and R. G. Beausoleil, `` Electric field enhancement between two Si microdisks, Opt. Expr. 15, 14711 (2007). 10. J. Aizpurua, G. W. Bryant, L. J. Richter, and F. J. Garcia de Abajo, Optical properties of coupled metallic nanorods for field enhanced spectroscopy, Phys. Rev. B 71, 235420 (2005). 11. H. Rong, et. Al. `` A continuous wave Raman Silicon Laser, Nature 433, 725 (2005). 10

Ε. ΧΡΟΝΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ Τα πακέτα εργασίας της έρευνας, η οποία θα διαρκέσει συνολικά 3 χρόνια, θα είναι (Τ 0 είναι ο χρόνος έναρξης του προγράμματος): ΠΕ1: Μελέτη πηγών Χρονικό διάστημα: Από Τ 0 έως Τ 0 +1.5χρόνο Περιγραφή: Πρόσληψη, προετοιμασία και εξοικείωση του μεταπτυχιακού φοιτητή με τις υπολογιστικές τεχνικές και τους αντίστοιχους κώδικες. Υπολογισμός των Q, V eff, F p. Υπολογισμός διαγραμμάτων ακτινοβολίας. Παραδοτέα: Έκθεση προόδου, παρουσίαση της εργασίας σε επιστημονικό συνέδριο. ΠΕ2: Οπτικοί διαμορφωτές Χρονικό διάστημα: Από Τ 0 +1χρονο έως Τ 0 +2χρόνια Περιγραφή: Υπολογισμοί της μεταβολής του συντελεστή διάδοσης ή/και της συχνότητας συντονισμού σαν συνάρτηση της μεταβολής του δείκτη διάθλασης. Υπολογιστική μελέτη νέων δομών (βλέπε σχήμα 8) που θα είναι ευκολότερες να κατασκευαστούν. Παραδοτέα: Έκθεση προόδου, παρουσίαση της εργασίας σε επιστημονικό συνέδριο. ΠΕ3: Φωτοανιχνευτές Χρονικό διάστημα: Από Τ 0 +1.5χρόνο έως Τ 0 +3χρόνια Περιγραφή: Μετατροπή του υπάρχοντος FDTD κώδικα για την μελέτη υλικών με απορρόφηση και δείκτη διάθλασης που εξαρτάται από τη συχνότητα. Υπολογισμοί της απορρόφησης του φωτός από τις δομές που περιγράφηκαν στο μέρος της πρότασης. Υπολογιστική μελέτη με την χρήση της FE μεθόδου. Παραδοτέα: Έκθεση προόδου, παρουσίαση της εργασίας σε επιστημονικό συνέδριο, δημοσίευση σε επιστημονικό περιοδικό. ιδακτορική ιατριβή. ΣΤ. ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΫΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Θα διατεθούν 27060 ευρώ (το 82% της συνολικής δαπάνης) για την πληρωμή του μεταπτυχιακού φοιτητή. Τα υπόλοιπα 5940 ευρώ (το 18% της συνολικής δαπάνης) θα διατεθούν σε έξοδα μετακινήσεων, συμμετοχής και παραμονής σε συνέδρια με σκοπό την παρουσίαση των αποτελεσμάτων της έρευνας άλλα και την καλύτερη ενημέρωση του επιστημονικού υπεύθυνου και του μεταπτυχιακού φοιτητή σχετικά με τα τρέχοντα θέματα της έρευνάς τους. Υπολογίζεται ότι θα υπάρχουν 2 συμμετοχές το χρόνο σε συνέδρια (μία για τον μεταπτυχιακό φοιτητή και μία για τον επιστημονικό υπεύθυνο) με τα μέσα έξοδα συμμετοχής σε κάθε συνέδριο 990 ευρώ. 11

Ζ. ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑ ΑΣ ΚΑΙ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗ ΚΑΘΕ ΜΕΛΟΥΣ (Επισυνάπτονται πλήρη βιογραφικά) Η ερευνητική ομάδα αποτελείται από τον επιστημονικό υπεύθυνο ο οποίος θα έχει 20% συμμετοχή στην παρούσα έρευνα και έναν μεταπτυχιακό φοιτητή με 100% συμμετοχή στην παρούσα έρευνα και ο οποίος θα επιλεγεί μετά την τελική έγκριση του προγράμματος. Επισυνάπτεται πλήρες βιογραφικό του επιστημονικού υπεύθυνου. Η. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΤΕΛΕΥΤΑΙΑΣ ΤΡΙΕΤΙΑΣ Ο κ. Σιγάλας διορίστηκε πρόσφατα (13 Μαΐου 2009) στο Τμήμα Επιστήμης των Υλικών μετά από 17 χρόνια ερευνητικής εργασίας στις Η.Π.Α. και για αυτό δεν έχει κανένα ερευνητικό πρόγραμμα τα τελευταία τρία χρόνια. 12

Π Ρ Ο Υ Π Ο Λ Ο Γ Ι Σ Μ Ο Σ Α Π Α Ν Ω Ν 1. ΥΠΟΤΡΟΦΙΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΙ ΦΟΙΤΗΤΕΣ (82 %) ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ Μεταπτυχιακός φοιτητής ΜΗΝΕΣ ΜΕΣΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΠΑΝΗ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗΣ ΑΜΟΙΒΗ 36 751.67 27060 2. ΑΝΑΛΩΣΙΜΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΟΣΟ 0 3. ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΙΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Έξοδα μετακινήσεων για την παρουσίαση αποτελεσμάτων της έρευνας σε συνέδρια ΠΟΣΟ 5940 ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΠΑΝΗ ΕΡΓΟΥ 33000 13

Βιογραφικό Επιστημονικού Υπευθύνου Προσωπικά στοιχεία Επώνυμο Όνομα Θέση στο Ίδρυμα Τμήμα Email ΣΙΓΑΛΑΣ ΜΙΧΑΗΛ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ sigalas@upatras.gr Τηλέφωνο επικοινωνίας 30 2610 969944 Έτος Ίδρυμα Τίτλος (πτυχίο, διδακτορικό) 2005 UC Santa Cruz, CA, USA Certificate in Bioinformatics 1991 Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Κρήτης ιδακτορικό 1986 Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Κρήτης Πτυχίο Κύρια ερευνητική δραστηριότητα Υπολογιστική μελέτη φωτονικών υλικών. Οπτικές επικοινωνίες (κυματοδηγοί, φίλτρα, modulator, πηγές, isolators). Light emitted diodes. Αισθητήρες. Ηλιακές κυψελίδες. Φωτονικοί κρύσταλλοι. ιάδοση ελαστικών και ακουστικών κυμάτων σε σύνθετα υλικά. Φωνονικοί κρύσταλλοι. Υπολογιστική μελέτη ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των υλικών. 14

Επιστημονικές εργασίες τα τελευταία 7 χρόνια (σε διεθνή περιοδικά με κριτές) 1. Slot defect in three dimensional photonic crystal, M. M. Sigalas, R. Biswas, Phys. Rev. B 78, 033101 (2008). 2. Electric field enhancement between two Si microdisks, M. M. Sigalas, D. A. Fattal, R. S. Williams, S. Y. Wang, and R. G. Beausoleil, Opt. Expr. 15, 14711 (2007). 3. Classical vibrational modes in phononic lattices : Theory and experimet, M. Sigalas, M. S. Kushwaha, E. N. Economou, M. Kafesaki, I. E. Psarobas, W. Steurer, Zeitschrift fur Kristallographie 220, 765 (2005). 4. InGaN/GaN quantum well heterostructures light-emitting diodes employing photonic crystal structures, J. J. Wierer, M. R. Krames, J. E. Epler, N. F. Gardner, M. G. Craford, J. R. Wendt, J. A. Simmons, and M. M. Sigalas, Appl. Phys. Lett. 84, 3885 (2004). 5. Ultracompact biochemical sensor built with two-dimensional photonic crystal microcavity, E. Chow, A. Grot, L. W. Mirkarimi, M. Sigalas, and G. Girolami, Opt. Lett. 29, 1093, (2004). 6. Elliptical air hole waveguides in slab photonic crystals, M. M. Sigalas and E. Chow, J. Appl. Phys. 93, 10125, (2003). 7. Fabrication of photonic band gap crystal using microtransfer molded templates, W. Y. Leung, H. Kang, K. Constant, D. Cann, C. H. Kim, R Biswas, M. M. Sigalas, and K. M. Ho, J. Appl. Phys. 93, 5866 (2003). 8. Visible frequency thin film photonic crystals from colloidal crystals of nanocrystalline titania and polysterene microspheres, G. Subramania, K. Constant, R. Biswas, M. M. Sigalas, K. M. Ho, J. Am. Ceramic Soc. 85, 1383, (2002). 9. Microwave measurements of stub tuners in two-dimensional photonic crystal waveguides, M. M. Sigalas and C. A. Flory, Phys. Rev. B 65, 125209 (2002). 10. ``Three-dimensional photonic band gaps in modified simple cubic lattices, R. Biswas, M. M. Sigalas, K. M. Ho, S. Y. Lin, Physical Review B 65, 205121 (2002). 11. Elastic band gaps in a fcc lattice of mercury spheres in aluminum, I. E. Psarobas and M. M. Sigalas, Phys. Rev. B 66, 052302 (2002). Επιστημονικές εργασίες στο αντικείμενο της πρότασης τα τελευταία 10 χρόνια (σε διεθνή περιοδικά με κριτές, συμπεριλαμβανομένων σχετικών επίσης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, βιβλίων, βραβείων, κ.ά.) 15

Διπλώματα Ευρεσιτεχνίας: 1. M. M. Sigalas, A. Grot, L. W. Mirkarimi, C. Flory, Two dimensional photonic crystal slab waveguide (Agilent, 2003). 2. C. A. Flory, M. M. Sigalas, Stub tuned photonic crystal waveguide (Agilent, 2004). 3. M. M. Sigalas, Three dimensional photonic crystal waveguide apparatus (Agilent, 2004). 4. M. M. Sigalas, K. C. Chow, Waveguides in two dimensional slab photonic crystals with noncircular holes (Agilent, 2004). 5. M. M. Sigalas, Three dimensional photonic crystal add drop filter (Agilent, 2004). 6. J. A. Theil, M. M. Sigalas, Method and structure for stub tunable resonant cavity for photonic crystals (Agilent, 2004). 7. C. J. Wilson, M. M. Sigalas, C. Flory, Continuously tunable photonic crystal drop filter (Agilent, 2004). 8. C. A. Flory, M. M. Sigalas, Photonic crystal interferometric switch (Agilent, 2004). 9. M. M. Sigalas, Waveguide bends and splitters in slab photonic crystals with noncircular holes (Agilent, 2005). 10. M. R. Tan, S. W. Corzine, M. Sigalas, C. Lin, K. Djordjiev, Optical modulator based on a microdisk resonator (Agilent, 2005). 11. M. M. Sigalas, J. A. Theil, Method and structure for coupling light in and out of an inplane waveguide through the top and bottom surfaces of photonic crystals (Agilent, 2005). 12. J. J. Wierer, M. R. Krames, M. M. Sigalas, Photonic crystal light emitting device (Agilent and Lumileds, 2005). 13. M. Sigalas, A. Grot, L. Mirkarimi, Photonic crystal resonator apparatus with improved out of plane coupling (Agilent, 2006). 14. M. R. Krames, M. M. Sigalas, J. J. Wierer, LED including photonic crystal structure (Avago and Philips, 2007). 15. J. Wierer and M. Sigalas, Photonic crystal light emitting device with multiple lattices (Agilent and Philips, 2008). 16

Δημοσιεύσεις: 16. InGaN/GaN N G N quantum n um well heterostructures o u u light-emitting m diodes employing o photonic on crystal structures u u,, J. J. Wierer, M. R. Krames, J. E. Epler, N. F. Gardner, M. G. Craford, J. R. Wendt, J. A. Simmons, and M. M. Sigalas,, Appl. Phys. Lett. 84, 3885 (2004). 17. Slot o defect in n three h dimensional m n photonic on crystal,, M. M. Sigalas,, R. Biswas, Phys. Rev. B 78, 033101 (2008). 18. Electric field d enhancement n m n between w n two Si microdisks, m, M. M. Sigalas,, D. A. Fattal, R. S. Williams, S. Y. Wang, and R. G. Beausoleil, Opt. Expr. 15, 14711 (2007). Αριθμός ετεροαναφορών και σημαντικές διεθνείς συνεργασίες 3302 ετεροαναφορές Συνολικός αριθμός δημοσιεύσεων σε περιοδικά 102 δημοσιεύσεις σε περιοδικά. 23 διπλώματα ευρεσιτεχνίας (20 τα τελευταία 8 χρόνια που εργάστηκε σε εταιρείες) 17

MIHAIL SIGALAS Department of Materials Science Patra, Greece 2610-969944 sigalas@upatras.gr SUMMARY Successful experience in designing, modeling and inventing nanophotonic devices. Major background in electromagnetism, solid state physics, numerical modeling. Cofounder of the phononic crystal field and one of the major initial contributors in the photonic crystal field. Inventor of 23 patents. Author of 102 papers with more than 5000 citations. PROFESSIONAL EXPERIENCE Associate Professor, Department of Materials Science, University of Patras,2008-present Visiting Scientist, NCSR Demokritos, Athens, Greece 2007-2008 Consultant, 2006-2007 Consulting for Hewlett-Packard on modeling and design of photonic devices such as modulators and isolators for optical interconnects and field enhancement in nanometer size areas. Consultant, 2005-2006 Consulting for Lumileds\Philips on modeling of photonic crystal LEDs. Research Engineer, Labs, Agilent Technologies, Palo Alto, CA 2000-2005 Worked on modeling of photonic devices such as: photonic crystal waveguides, microring resonators, dielectric and metallic photonic crystal sensors, LEDs, surface enhanced Raman spectroscopy, and enhanced fluorescence of dye molecules. Developed the modeling and design capabilities of different nanophotonic projects. Wrote electromagnetic modeling software to design/simulate photonic crystal devices. Designed optimum performance and bandwidth photonic crystal waveguides with provided fabrication tolerances and critical dimensions. Led a project on the modeling and design of the first electrically driven photonic crystal LEDs with improved extraction efficiency. Initiated new projects such as the metallic photonic crystal sensors. Inventor of 12 patents in the areas of photonic crystal waveguides, LEDs, dielectric and metallic photonic crystal sensors and microring resonators. Associate Scientist, Ames Lab, Iowa State University 1992-2000 Worked on the calculation of transmission and reflection properties of periodic and/or disordered dielectric materials. Helped in the development of the first three dimensional photonic band gap materials in the microwave and near IR frequency regions. Hired as a Post-Doc and promoted to Assistant Scientist and then Associate Scientist. 18

Developed the finite difference time domain software for electromagnetic and elastic waves in periodic media, and the Transfer matrix software for photonic crystals. Designed the first near IR photonic crystal. Author and co-author of more than 80 published papers that are widely cited in the photonic crystal area even today. Visiting Scientist, Naval Research Lab, Washington DC 1992 Worked on the development of transferable total energy parametrizations of metals, and on first-principles total energy calculations for metals using the augmented plane wave method. EDUCATION PhD (1991) and BS (1986) in Physics, University of Crete, Greece. Various courses on computational methods such as finite difference time domain method, finite element method, and transmission line method (Applied Computational Electromagnetics Society; 1995-2002). Certificate in Bioinformatics (9 courses), UCSC-Extension (2005). SKILLS Expert in the Finite difference time domain method and well trained on the Finite element method (FEMLAB, HFSS, ANSYS). Expert in Fortran and trained in C++. Trained in Matlab. SUMMARY OF PUBLICATIONS AND PATENTS 101 publications with more than 3550 citations in the following areas: photonic crystals, sensors, LEDs, metallic nanoparticles, SERS, ab-initio and approximate total energy calculations of metals. 20 patents in the following areas: photonic crystals, sensors, microring resonators, LEDs, metallic nanoparticles for enhanced fluorescence of dye molecules, optical modulators, waveguides. 19

PUBLICATIONS 1. M. Sigalas, N. C. Bacalis, D. A. Papaconstantopoulos, M. J. Mehl, and A. C. Switendick, ``Total energy calculations of solid H, Li, Na, K, Rb, Cs,'' Physical Review B42, pp. 11637 (1990). Citations: 47 2. M. Sigalas, N. C. Bacalis, and D. A. Papaconstantopoulos, ``Total energy calculations of 3d, 4d, and 5d metals,'' Physical Review B45, pp. 5777 (1992). Citations: 70 3. M. Sigalas and E. N. Economou, ``Elastic and acoustic wave band structure,'' Journal of Sound and Vibrations 158, pp. 377 (1992). Citations: 103 4. M. Sigalas and E. N. Economou, ``Band structure of elastic waves in two dimensional systems,'' Solid State Communications 86, pp. 141 (1993). Citations: 125 5. M. Sigalas and D. A. Papaconstantopoulos, ``Transferable total energy parametrization for metals,''proceedings of Material Research Society Symposium, 291, pp. 27 (1993). 6. M. Sigalas and E. N. Economou, ``Spectral gaps for classical waves in periodic structures,'' in ``Photonic Band Gaps and Localization,'' editor: C. M. Soukoulis, pp. 317 (Plenum, New York, 1993). Citations: 10 7. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, E. N. Economou, C. T. Chan, and K. M. Ho, ``Photonic band gaps and defects in two dimensions: Studies of the transmission coefficient,'' Physical Review B48, pp. 14121 (1993). Citations: 119 8. E. N. Economou and M. Sigalas, ``Classical wave propagation in periodic structures: Cermet vs network topology,'' Physical Review B48, pp. 13434 (1993). Citations: 70 9. E. N. Economou and M. Sigalas, ``Stop band for elastic waves in periodic composite materials,'' Journal of Acoustical Society of America, 95, pp. 1734 (1994). Citations: 56 10. M. Sigalas and D. A. Papaconstantopoulos, ``Transferable total energy parametrization for metals: Applications to elastic constants determination,'' Physical Review B49, pp. 1574 (1994). Citations: 30 11. D. A. Papaconstantopoulos, M. J. Mehl, M. M. Sigalas, and M. A. Keegan, ``Towards calculations of the total energy of large systems,'' in the Proceedings NATO-ARW, ``Metallic Alloys: Experimental and theoretical perspectives,'' editors: J. S. Faulkner and R. G. Jordan, pp. 451 (Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1994). 12. M. M. Sigalas and E. N. Economou, ``Elastic waves in plates with periodically placed inclusions,'' Journal of Applied Physics 75, pp. 2845 (1994). Citations: 28 13. K. M. Ho, C. T. Chan, C. M. Soukoulis, R. Biswas, and M. Sigalas, ``Photonic Band gaps in three dimensions: New layer-by-layer periodic structures,'' Solid State Communications 89, pp.413 (1994). Citations: 247 20

14. M. M. Sigalas, E. N. Economou, and M. Kafesaki, ``Spectral gaps for electromagnetic and scalar waves: Possible explanation for certain differences,'' Physical Review B 50, pp. 3393 (1994). Citations: 27 15. E. Ozbay, E. Michel, G. Tuttle, R. Biswas, M. Sigalas, and K. M. Ho, ``Micromachined millimeter-wave photonic bandgap crystals,'' Applied Physics Letters 64, pp. 2059 (1994). Citations: 124 16. M.J. Mehl, D.A. Papaconstantopoulos, R.E. Cohen, and M.M. Sigalas, ``First Principles Tight Binding Total Energy Calculations for Metals'', in Alloy Modeling and Design, G.M. Stocks and P.E.A. Turchi, editors (The Minerals, Metals and Materials Society, Warrendale, Pennsylvania) pp. 25-32 (1994). 17. M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and K. M. Ho, ``Electromagnetic wave propagation through dispersive and absorptive photonic band gap materials,'' Physical Review B49, pp. 11080 (1994). Citations: 73 18. M. M. Sigalas, C. T. Chan, K. M. Ho, and C. M. Soukoulis, ``Transmission and reflection properties of periodic dispersive materials,'' in the Proceedings of the SPIE, OA/LASE 94, 2117, pp. 23 (1994). 19. M. M. Sigalas and D. A. Papaconstantopoulos, ``Calculations of the total energy, electron phonon interaction and Stoner parameter for metals,'' Physical Review B50, pp. 7255 (1994). Citations: 22 20. D. R. Smith, S. Schultz, N. Kroll, M. Sigalas, K. M. Ho, and C. M. Soukoulis, ``Experimental and theoretical results for a two dimensional metal photonic band gap cavity,'' Applied Physics Letters 65, pp. 645 (1994). Citations: 93 21. C. T. Chan, S. Datta, Q. L. Yu, M. M. Sigalas, K. M. Ho, and C. M. Soukoulis, ``New structures and algorithms for Photonic Band Gaps,'' Physica A211, pp. 411 (1994). Citations: 8 22. M. M. Sigalas and C. M. Soukoulis, ``Elastic wave propagation through disordered and/or absorptive layered systems,'' Physical Review B51, pp. 13961 (1995). Citations: 54 24. M. M. Sigalas, C.-T. Chan, K. M. Ho and C. M. Soukoulis, ``Metallic Photonic Band Gap Materials,'' Physical Review B52, pp. 11744 (1995). Citations: 117 25. M. Kafesaki, M. M. Sigalas, and E. N. Economou, ``Elastic Wave Band Gaps in 3D Periodic Polymer Matrix Composites, ''Solid State Communications 96, pp. 285 (1995). Citations: 41 26. E. Ozbay, G. Tuttle, J. S. McCalmont, M. Sigalas, R. Biswas, C. M. Soukoulis and K. M. Ho, ``Laser-Micromachined Millimeter-Wave Photonic Band Gap Cavity Structures,'' Applied Physics Letters 67, pp. 1969 (1995). Citations: 28 27. M. M. Sigalas, and E. N. Economou, ``Comment on Acoustic Band Structure of Periodic Elastic Composites,'' Physical Review Letters 75, pp. 3580 (1995). 21

28. M. M. Sigalas, C.-T. Chan, and C. M. Soukoulis, ``Propagation of Electromagnetic Waves in Two-Dimensional systems,'' in Proccedings of the IMA Volumes in Mathematics and its Applications, Vol. 96, ``Wave Propagation in Complex Media,'' editor: G. Papanicolaou, pp. 225 (1997). 29. M. Kafesaki,E. N. Economou, and M. M. Sigalas, ``Elastic Waves in Periodic Composite Materials,'' in ``Photonic Band Gap Materials,'' editor: C. M. Soukoulis, pp. 143 (Plenum, New York, 1996). 30. M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C.-T. Chan, and K.-M. Ho, ``Photonic Band Gap Structures: Studies of the Transmission Coefficient,'' in ``Photonic Band Gap Materials,'' editor: C. M. Soukoulis, pp. 173 (Plenum, New York, 1996). 31. R. Biswas, C. T. Chan, M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, K.-M. Ho, ``Photonic Band Gap Materials,'' in ``Photonic Band Gap Materials,'' editor: C. M. Soukoulis, pp. 23 (Plenum, New York, 1996). 32. J. S. McCalmont, M. Sigalas, G. Tuttle, K. M. Ho, and C. M. Soukoulis, ``A Layer-by- Layer Metallic Photonic Band Gap Structure,'' Applied Physics Letters 68, pp. 2759 (1996). Citations: 37 33. M. M. Sigalas, J. S. McCalmont, K. M. Ho, and G. Tuttle, ``Directional Filters: Theory and Experiment,'' Applied Physics Letters 68, pp. 3525 (1996). Citations: 8 34. M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C.-T. Chan, and D. Turner, ``Localization of Electromagnetic Waves in Two-Dimensional Disordered Systems,'' Physical Review B53, pp. 8340 (1996). Citations: 60 35. M. M. Sigalas, R. Biswas, C. T. Chan, K. M. Ho, and C. M. Soukoulis, ``Theoretical Studies of Photonic Band Gap Materials,'' 12th Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics, pp. 436, Monterey, CA, 1996. 36. M. M. Sigalas, R. Biswas, and K.-M. Ho, ``Theoretical Study of Dipole Antennas on Photonic Band Gap Materials,'' Microwave and Optical Technology Letters 13, pp. 205 (1996). Citations: 18 37. E. Ozbay, B. Temelkuran, M. Sigalas, G. Tuttle, C. M. Soukoulis, and K. M. Ho, ``Defect Structures in Metallic Photonic Crystals,'' Applied Physics Letters 69, pp. 3797 (1996). Citations: 50 38. M. M. Sigalas, E. N. Economou, ``Attenuation of Multiple-Scattered Sound,'' Europhysics Letters 36, pp. 241 (1996). Citations: 62 39. M. M. Sigalas, ``Elastic Wave Band Gaps and Defect States in 2-D Composites,'' Journal of Acoustical Society of America 101, pp. 1256 (1997). Citations: 39 40. M. I. Katsnelson, M. Sigalas, A. V. Trefilov, K. Yu. Khromov, ``Thermal Expansion and Equation of States of Ir and Rh,'' Philosophical Magazine B75, pp. 407 (1997). Citations: 3 41. W. Y. Leung, R. Biswas, Shi-Di Cheng, M. M. Sigalas, S. McCalmont, G. Tuttle, 22

and K. M. Ho, ``Slot Antennas on Photonic Band Gap Crystals,'' IEEE Transactions on Antennas and Propagation 45, pp. 1569 (1997). Citations: 9 42. M. M. Sigalas, R. Biswas, Q. Li, D. Crouch, W. Leung, R. Jacobs-Woodbury, B. Lough, S. Nielsen, S. McCalmont, G. Tuttle, and K.-M. Ho, ``Dipole Antennas on Photonic Band Gap Crystals-Experiment and Simulations,'' Microwave and Optical Technology Letters 15, pp. 153 (1997). Citations: 40 43. M. M. Sigalas, R. Biswas, K.-M. Ho, W. Leung, G. Tuttle, and D. Crouch, ``Applications of Photonic Band Gap Materials,'' 13th Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics, pp. 412, Monterey, CA, 1997. 44. M. M. Sigalas, C.M. Soukoulis, R. Biswas, and K.-M. Ho, ``Effect of the magnetic permeability on photonic band gaps,'' Physical review B56, pp. 959 (1997). Citations: 40 45. S. Gupta, G. Tuttle, M. Sigalas, and K.-M. Ho, ``Infrared filters using metallic photonic band gaps on flexible substrates,'' Applied Physics Letters 71, pp. 2412 (1997). Citations: 35 46. G. Feiertag, W. Ehrfeld, H. Freimuth, H. Kolle, H. Lehr, M. Schmidt, M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, G. Kiriakidis, T. Pedersen, J. Kuhl, W. Koenig, ``Fabrication of Photonic Crystals by Deep X-Ray Lithography,'' Applied Physics Letters 71, pp. 1441 (1997). Citations: 45 47. M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, R. Biswas, and K. M. Ho, ``Theoretical investigation of defects in photonic crystals in the presence of dielectric losses,'' Physical Review B57, pp. 3815 (1998). Citations: 18 48. M. M. Sigalas, R. Biswas, K. M. Ho, C. M. Soukoulis, and D. D. Crouch, ``Waveguides in photonic band gap materials,'' 14th Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics, pp. 144 (Monterey, CA, 1998). 49. R. Biswas, M. M. Sigalas, G. Subramania, and K.- M. Ho ``Photonic band gaps in colloidal systems,'' Physical Review B57, pp. 3701 (1998). Citations: 69 50. B. Temelkuran, E. Ozbay, M. Sigalas, G. Tuttle, C. M. Soukoulis, and K. M. Ho, ``Reflection properties of metallic photonic crystals,'' Applied Physics A66, pp. 363 (1998). Citations: 9 51. W. Y. Leung, G. Tuttle, M. M. Sigalas, R. Biswas, K.- M. Ho, and C. M. Soukoulis, ``Optimizing the Q value in three dimensional metallic photonic band gap crystals,'' Journal of Applied Physics, 84, pp. 4091 (1998). Citations: 7 52. S. Y. Lin, J. Fleming, R. Biswas, M. M. Sigalas, K. M. Ho, B. K. Smith, D. L. Hetherington, W. Zubrzycki, S. R. Kurtz, and Jim Bur, ``A Three Dimensional Photonic Crystal in the Infrared Wavelengths,'' Nature, 394, pp. 251 (1998). Citations: 382 53. E. Lidorikis, M. M. Sigalas, E. N. Economou, and C. M. Soukoulis, ``Tight-Binding Parametrization for Photonic Band Gap Materials,'' Physical Review Letters, 81, pp. 1405 (1998). Citations: 70 23

54. M. M. Sigalas, R. Biswas, K. M. Ho, and C. M. Soukoulis, ``Theoretical investigation of off-plane propagation of electromagnetic waves in two dimensional photonic crystals,'' Physical Review B 58, pp. 6791 (1998). Citations: 9 55. M. M. Sigalas, J. H. Rose, D. A. Papaconstantopoulos, and H. B. Shore, ``Scaling Lengths of elemental metals,'' Physical Review B 58, pp. 13438 (1998). 56. M. M. Sigalas, ``Defect States of Acoustic Waves in a two-dimensional lattice of solid cylinders,'' Journal of Applied Physics 84, pp. 3026 (1998). Citations: 32 57. R. Biswas, M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, and K. M. Ho, ``Photonic band structure,'' in Topics in Computational Materials Science, C. Y. Fong, Ed. (River Edge, NJ, World Scientific, 1998). 58. C. M. Soukoulis, X. Wang, Q. Li, and M. M. Sigalas, ``What is the right form of the probability distribution of the conductance at the mobility edge?'' Physical Review Letters, 82, pp. 668 (1999). Citations: 24 59. M. M. Sigalas, R. Biswas, K.- M. Ho, W. Leung, G. Tuttle, and D. D. Crouch, ``The effect of photonic crystals on dipole antennas,'' Electromagnetics 19, pp. 291 (1999). 60. M. M. Sigalas, K.- M. Ho, R. Biswas, C. M. Soukoulis, and G. Tuttle, ``Photonic Crystals,'' Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, 16, pp. 345 (1999). 61. M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, ``The effect of disorder on photonic band gaps,'' Phys. Rev. B 59, pp. 12767 (1999). Citations: 30 62. G. Subramania, K. Constant, R. Biswas, M. M. Sigalas, and K. M. Ho, ``Optical photonic crystals fabricated from colloidal systems,'' Appl. Phys. Lett. 74, pp. 3933 (1999). Citations: 115 63. M. M. Sigalas, R. Biswas, K. M. Ho, C. M. Soukoulis, and D. D. Crouch ``Waveguides in three dimensional metallic photonic band gap materials,'' Phys. Rev. B 60, pp. 4426 (1999). Citations: 20 64. N. Katsarakis, E. Chatzitheodoridis, G. Kiriakidis, M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, W. Y. Leung, and G. Tuttle, ``Laser machined layer by layer metallic photonic band gap structures,'' Appl. Phys. Lett. 74, pp. 3263 (1999). Citations: 6 65. S. Y. Lin, J. G. Fleming, M. M. Sigalas, R. Biswas, K. M. Ho, ``Photonic band-gap microcavities in three dimensions,'' Phys. Rev. B59, pp. R15579 (1999). Citations: 17 66. M. Kafesaki, E. N. Economou, M. M. Sigalas, ``Parallel computing in the acoustic and elastic wave propagation in periodic media.'' In the "Developments in Computational Mechanics with High Performance Computing", edited by B.H.V. Topping, pp.155-159 (Civil-Comp Press Ltd, Edinburgh, 1999). 67. G. Subramania, K. Constant, R. Biswas, M. M. Sigalas, and K. M. Ho, ``Optical photonic crystals synthesized from colloidal systems of polystyrene spheres and nanpcrystalline titania,'' Journal of Lightwave Technology 17, pp. 1970 (1999). Citations: 21 24

68. I. El-Khady, M. M. Sigalas, R. Biswas, and K. M. Ho, ``Dielectric waveguides in twodimensional Photonic bandgap materials,'' Journal of Lightwave Technology 17, pp. 2042 (1999). Citations: 14 69. M. M. Sigalas, R. Biswas, K.- M. Ho, C. M. Soukoulis, D. Turner, B. Vasiliu, S. C. Kothari, and S. Lin, ``Waveguide bends in three dimensional layer by layer photonic bandgap materials,'' Microwave and Optical Technology Letters 23, pp. 56 (1999). Citations: 20 70. B. Temelkuran, M. Bayindir, E. Ozbay, R. Biswas, M. M. Sigalas, G. Tuttle, and K. M. Ho, ``Photonic crystal-based resonant antenna with a very high directivity,'' Journal of Applied Physics 87, pp. 603 (2000). Citations: 33 71. R. Biswas, M. M. Sigalas, G. Subramania, C. M. Soukoulis, and K.-M. Ho, ``Photonic band gaps of porous solids,'' Phys. Rev. B 61, pp. 4549 (2000). Citations: 27 72. M. Sigalas and N. Garcia, ``Theorerical study of three dimensional elastic band gaps with the finite difference time domain method,'' Journal of Applied Physics 87, pp. 3122 (March 15, 2000). Citations: 44 73. M. Sigalas and N. Garcia, ``The importance of the coupling between longitudinal and transverse components for the creation of acoustic band gaps: The aluminum in mercury case,'' Applied Physics Letters 76, pp. 2307 (Apr. 17, 2000). Citations: 18 74. D. Garcia-Pablos, M. Sigalas, F. R. Montero de Espinosa, M. Torres, M. Kafesaki, and N. Garcia, ``Theory and experiments on elastic band gaps,'' Phys. Rev. Letters 84, pp. 4349 (May 8, 2000). Citations: 63 75. E. Lidorikis, M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, ``Gap deformation and classical wave localization in disordered two-dimensional photonic-band-gap materials,'' Phys. Rev. B 61, pp. 13458 (May 15, 2000). Citations: 24 76. M. Kafesaki, M. M. Sigalas, and N. Garcia, ``Frequency modulation in the transmitivity of wave guides in elastic wave band gap materials,'' Phys. Rev. Letters 85, pp. 4044 (Nov. 6, 2000). Citations: 43 77. I. El-Kady, M. M. Sigalas, R. Biswas, K. M. Ho, C. M. Soukoulis, ``Metallic photonic crystals at optical wavelengths,'' Physical Review B62, pp. 15299 (Dec. 15, 2000). Citations: 26 78. B. Temelkuran, M. Bayindir, E. Ozbay, J. P. Kavanaugh, M. M. Sigalas, ans G. Tuttle, ``Quasi-metallic silicon micromachined photonic crystals,'' Appl. Phys. Lett. 78, pp. 264 (Jan. 15, 2001). Citations: 14 79. A. A. Zakhidov, R. H. Baughman, I. I. Khayrullin, I. Udod, M. Kozlov, N. Eradat, V. Z. Vardeny, M. Sigalas, and R. Biswas, ``Three dimensionally periodic conductive nanostructures: Network vs. cermet topologies for metallic PBG,'' Synthetic Metals 116, pp. 419-426 (2001). Citations: 8 25