Geri Dön

Distributed meandering resonator add-drop filters in silicon photonic integrated circuits design, fabrication and analysis

Silisyum tümleşik fotonik devrelerde dağıtılmış kıvrımlı çınlaç ekleme-düşürme süzgeçleri tasarım, üretim ile inceleme

PDF İndir

  1. Tez No: 905054
  2. Yazar: SUAT KURT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPER KİRAZ, PROF. DR. ALİ SERPENGÜZEL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 165

Özet

Kıvrımlı döngü aynalarına (MLM'ler) dayalı ekleme-bırakma filtreleri (ADF) ve MLM'lere dayalı çınlaçlar, standart yakın kızılötesi (yakın-IR) telekomünikasyon bandında çalışmak üzere silikon bütünleşik fotonik devre (Si-PIC) teknolojisi kullanılarak tasarlanmış, üretilmiş ve incelenmiştir. Optik dalga kılavuzları, yönlü bağlaştırıcılar, MLM'ler, kıvrımlı çınlaçlar (MR'ler), asimetrik kıvrımlı çınlaçlar (AMR'ler) ve simetrik ve asimetrik yönlü bağlaştırıcılara sahip simetrik kıvrımlı çınlaçlar (SMR'ler), istenen yakın-IR telekomünikasyon bandını taramak için yönlü bağlaştırıcı uzunluğunun bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Enine elektrik (TE) kutuplanmış tek kipli şerit dalga kılavuzlarını üretmek için silikon üzeri yalıtkan (SOI) yapılar kullanılmıştır. Yapıların tasarımı, fotonik tasarım yazılımı kullanılarak yapılan sayısal incelemelere dayanmaktadır ve yapıların ortaya çıkan geometrisi, elektron- ışın yazım yöntemi ile üretilmiştir. Silisyum fotonik yapıların üretiminden sonra, bu yapıları incelemek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntüleme yapılmıştır. Yüzey ızgaraları, bu fotonik yapıları tek kipli optik fiberlerle bağlaştırmak için kullanılır. Cihaz iletiminin izgesel ölçümü için kullanılan ışık kaynağı, 1500-1580 nm dalga boyu aralığında çalışan ayarlanabilir bir lazerdir. Logaritmik (dB) ölçekteki iletim sinyalleri, yakın kızılötesi bandda çalışan ışık algılayıcılar kullanılarak ölçülür. Veriler, yönetim ve veri toplama bilgisayarı tarafından toplanır. Deneysel olarak ölçülen iletim izgeleri incelenir. Sonuçları daha okunabilir hale getirmek için izgeler renk kodlu olarak verilmektedir: 1,2,3 numaralı kapılar çıktı olarak kullanılır ve sırasıyla yeşil, mavi ve kırmızı olarak renklendirilir. Yansıma ve iletim yoğunlukları logaritmik (dB) ölçekte çizilir. Serbest izgesel aralık (FSR), nitelik katsayısı (Q faktörü), kip bölünmesi, bağlaştırma kaybı (IL), sönüm oranı (ER) ve eğim oranı (SR) deneysel olarak viii ölçülen izgelerden türetilmiştir. İzgesel tepkiyi anlamak için önce sonuç izgeleri incelenmiş, bu izgelerin hepsinde yapıların giriş ve çıkışlarının optik fiberlere girip çıkmak için yüzey ızgaralarına bağlanması gerektiğinden, ölçümlerin yüzey ızgaraları tarafından kiplendiği görülmüştür. Öncelikle tasarımlarımızda kullanılan temel unsurlardan biri olan yönlü bağlaştırıcıların dalga boyu bağımlılığını incelenmiş, daha sonra yönlü bir bağlaştırıcı içeren MLM izgesi incelenmiştir. Yönlü bağlaştırıcı ve MLM yapılarının incelenmesinden sonra ekleme bırakma süzgeçli (ADF), MLM, DC-MR, DC-SMR, DC-RMR, SC-MR ve DC-AMR gibi daha karmaşık yapıların izgesel sonuçları değerlendirilmiştir. MLM'ler için ayarlanabilir bir aynanın genel tepkisi gözlemlenmiş, DC-MR yapısında ise, bağlaştırıcı katsayılarına göre dağıtılan güce sahip bir Fabry-Pérot çınlacı davranışı görülmüştür. DC-RMR, çınlama ile güçlendirilmiş Mach-Zehnder girişimölçeri davranışını gösterirken, SC-MR'lerde olağan Fabry-Pérot davranışı gözlemlenmiştir. DC-AMR'ler, elektromanyetik irkitilmiş saydamlık (EIT) izgesel tepkilerinin benzeri olan bağlaşmış çınlaç irkitilmiş saydamlık (CRIT) gibi olağan izgeleri göstermiştir. DC-SMR'ler ise kip bölünmüş Fano çınlaç izgesel davranışını göstermiştir. Başarım ölçütleri her tasarım için elde edilen en iyi sonuç olarak verilmiştir. Yapıların kendisi neredeyse hiç ekleme kaybına sahip değildir ve oluşan kayıp neredeyse doğrudan, tüm yapılar için, yüzey ızgara bağdaştırıcılarından -içe veya dışa doğru- gelir. SC-MR, 19000'lik en iyi Q-katsayısı ile 1.6 nm'lik bir FSR'ye, 23 dB'lik bir sönüm oranına ve 163 dB/nm'lik bir eğim oranına sahiptir. SC-MR, 12000'lik en iyi Q-katsayısıyla, 1.1 nm'lik bir FSR'ye, 30 dB'lik bir sönüm oranına ve 307 dB/nm'lik bir eğim oranına sahiptir. DC-SMR, 10000'lik en iyi Q-katsayısıyla, 2.05 nm'lik bir FSR'ye, 1.1 nm'lik bir kip bölünmesine, 27 dB'lik bir sönüm oranına ve 450 dB/nm'lik bir eğim oranına sahiptir. DC-AMR, 40000'lik en iyi Q-katsayısı, 0.1 nm'lik kip bölünmesi, 33 dB'lik sönüm oranı ve 872 dB/nm'lik eğim oranı ile 1.83 nm'lik bir FSR'ye sahiptir. DC-RMR, 8000'lik en iyi Q-katsayısı, 1.1 nm'lik kip bölünmesi, 29 dB'lik sönüm oranı ve 183 dB/nm'lik eğim oranı ile 3.6 nm'lik bir FSR'ye sahiptir. Tüm tasarımlarımızda, bağdaştırıcılar arasına belirli uzunlukta bir dalga kılavuzu eklenmiştir; bu dalga kılavuzunun uzunluğu artırılarak gidiş-dönüş optik yol uzunluğu artırılırsa, bu cihazlar 1550 nm'de 0.2 nm'lik bir FSR'ye sahip olması gereken yoğun dalga ix boyu bölmeli çoğullama (DWDM) uygulamaları için bile kullanılabilir. Bu sonuçlar önerilen cihazların, ADF-MLM, ADF çınlaçların WDM uygulamaları için iyi adaylar olduğunu göstermektedir, ancak optik iletişim, hesaplama ve algılama alanında yeni tümleşik fotonik bileşen olarak kullanılabilmeleri için bu yapılar daha fazla değişikliğe ihtiyaç duymaktadır.

Özet (Çeviri)

Add-drop filters (ADF) based on meandering loop mirrors (MLMs) and resonators based on MLMs are designed, fabricated, and analyzed using silicon integrated photonics circuit (Si-PIC) technology for operation in the standard near-infrared (near-IR) telecommunication band. Optical waveguides, directional couplers, MLMs, meandering resonators (MRs), antisymmetric meandering resonators (AMRs), and symmetric meandering resonators (SMRs) with symmetric and antisymmetric directional couplers are utilized as a function of the directional coupler length to scan the desired near-IR telecommunication band. A silicon on insulator (SOI) platform is used to realize strip waveguides in transverse electric (TE) mode polarized single mode configuration. The structures' design is based on numerical simulations using a photonics design kit and resulting geometry of the structures were incorporated into the photonics layout for fabrication by e-beam lithography. After the writing of the silicon strip waveguide, and before oxide deposition, the photonic structures were imaged with scanning electron microscopy (SEM) to physically characterize the fabricated devices. Surface gratings are used to couple in and out of these photonic structures with single mode optical fibers. The excitation source for the spectral measurement of the device transmission is a tunable laser operating in the 1500 – 1580 nm wavelength range. The transmission signals in logarithmic (dB) scale are detected in the same experimental region using calibrated near-IR photodetectors. The data is acquired by a control and data acquisition computer. The experimentally measured transmission spectra are analyzed. To make the results more reader friendly, the spectra are color coded: port number 1,2,3 are utilized as outputs and colored as green, blue, and red, respectively. The reflection and transmission intensities are v plotted in logarithmic (dB) scale. The free spectral range (FSR), quality factor (Q-factor), mode split, insertion loss (IL), extinction ratio (ER), and slope rate (SR) are deduced from experimentally measured spectra. To understand the actual spectral response, we first analyzed the spectra. Since the input and outputs of the devices had to be connected to the grating couplers, to couple in and out from the optical fibers, the measurement responses are always modulated by the grating coupler responses. First, we analyzed the wavelength dependence of a DC, one of the basic elements used in our designs. Then we look at the MLM spectral response, which incorporates a directional coupler. After developing the understanding of directional coupler and the MLM, we moved to the analysis of the spectral responses of more complex structures with ADF, MLM, DC- MR, DC-SMR, DC-RMR, SC-MR, and DC-AMR. The general response of a tunable mirror is observed for the MLMs. DC-MR shows the behavior of a Fabry-Pérot resonator with power distributed according to the coupling constants. DC-RMR shows the behavior of RE-MZI. SC-MRs show the typical Fabry-Pérot response. The DC-AMRs show the typical spectra like the coupled resonator induced transparency (CRIT), the analogue of the electromagnetically induced transparency (EIT) spectral responses. Whereas the DC-SMRs show the mode split Fano resonance spectral responses. The figures of merits (FOMs) are given as the best result achieved for each design. The devices themselves have almost no insertion loss and the loss mechanism almost directly comes from the surface grating couplers -in and out- for all structures. SC-MR has an FSR of 1.6 nm with a best Q-factor of 19000, has an extinction ratio of 23 dB and a slope rate of 163 dB/nm. SC-MR has an FSR of 1.1 nm with a best Q-factor of 12000, has an extinction ratio of 30 dB and a slope rate of 307 dB/nm. DC-SMR has an FSR of 2.05 nm with a best Q-factor of 10000, a mode split of 1.1 nm, has an extinction ratio of 27 dB and a slope rate of 450 dB/nm. DC-AMR has an FSR of 1.83 nm with a best Q-factor of 40000, a mode split of 0.1 nm, has an extinction ratio of 33 dB and a slope rate of 872 dB/nm. DC-RMR has an FSR of 3.6 nm with a best Q-factor of 8000, a mode split of 1.1 nm, has an extinction ratio of 29 dB and a slope rate of 183 dB/nm. In all of our designs we introduced a subsection of a waveguide with a specific length, if the vi round-trip optical path length is increased by increasing the length of the subsection, these devices can even be used for dense wavelength division multiplexing (DWDM) applications, which should have a spacing of 0.2 nm at 1550 nm. These results show that proposed devices, ADF-MLM, ADF resonators are good candidates for WDM applications, but still further modifications are required to be used as novel integrated photonic elements for optical communication, computation, and sensing.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    825087

    Integrated silicon photonic meandering resonator add drop filters

    Tümleşik silisyum fotonik kıvrımlı çınlaç ekleme düşürme süzgeçleri

    SYED SULTAN SHAH BUKHARI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHAMMET İRŞADİ AKSUN

    PROF. DR. ALİ SERPENGÜZEL

  2. Tez No

    594995

    Integrated photonic studies of silicon meandering distributed feedback structures: A model system for biological ligands

    Silisyum kıvrılan dağıtılmış geribildirimli yapıların tümleşik fotonik incelemeri: Biyolojik ligandlar için örnek bir düzen

    MUHAMMAD REHAN CHAUDHRY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. ALİ SERPENGÜZEL

  3. Tez No

    246296

    Network centric warfare communications with wireless sensor networks and data fusion

    Ağ destekli harp için telsiz duyarga desteği ve taktik veri birlestirme

    TOLGA ÖNEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

    PROF. CEM ERSOY

  4. Tez No

    83729

    Distributed bookmark sharing primitives

    Dağıtık bookmark paylaşım temelleri

    KÜRŞAT İNCE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Bilgisayar Yazılımı Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. DAVİD DAVENPORT

  5. Tez No

    83742

    Distributed scheduling

    Dağıtık çizelgeleme

    AYŞEGÜL TOPTAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İHSAN SABUNCUOĞLU

Geri Dön