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Tipo: Dissertação
Título: Modelamento de guia de onda ultracompacto de baixa perda baseado em cristal fotônico com configuração em espiral e serpentina
Título(s) alternativo(s): Ultra-compact low-loss waveguide modeling based on photonic crystal with spiral and serpentine configuration
Autor(es): Renan Matheus Soares da Silva
primer Tutor: Jhonattan Córdoba Ramírez
primer miembro del tribunal : Andrea Chiuchiarelli
Segundo miembro del tribunal: Gilliard Nardel Malheiros Silveira
Resumen: O modelamento de guias de onda que requerem longo comprimento de interação é comumente demandado no campo da fotônica para diferentes aplicações. Este requisito pode exigir a diminuição das dimensões do dispositivo, que depende do processo de compactação do guia de onda em função de seu comprimento. Para isso, é usual a implementação de curvaturas no guia de onda. Em cristal fotônico (CF), alta perda na saída é comum quando curvaturas são implementadas no guia de onda. Este fenômeno é devido à reflexão indesejada, espalhamento e retropropagação. Assim, é incomum o desenvolvimento de guias de onda com longo comprimento em cristal fotônico devido à dificuldade de implementação das curvaturas no canal. O objetivo deste trabalho é o projeto de guias de ondas ultracompactos de baixa perda (< 1%) com comprimento de aproximadamente 1 𝑐𝑚, implementados em cristal fotônico. O estudo é composto por cristal fotônico formado por silício no substrato e cavidades de ar dispostas em rede triangular, com propagação da luz no comprimento de onda igual 1550 𝑛𝑚. A geração das estruturas através do Gap de Banda Fotônica (Photonic Band Gap – PBG) se deu pelo método de Expansão de Onda Plana (Plane Wave Expansion – PWM), a largura de corte do guia de onda pelo Automodo de Diferenças Finitas (Finite-Difference Eigenmode – FDE) e os cálculos da transmissão pelo método de Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (Finite-Difference Time-Domain – FDTD). Inicialmente é proposto a geração das estruturas de cristal fotônico, respeitando parâmetros, como comprimento de onda de trabalho, materiais, distribuição das cavidades, largura de corte do guia de onda e as PBG calculadas. Para essas estruturas, calcula-se o perfil de transmissão de um guia de onda reto e posteriormente, com curvaturas implementadas. Com base nestes perfis, inicia-se o processo de modelamento do dispositivo. Primeiramente, através de supercavidades nas curvaturas para aumentar a transmissão média do guia de onda. Posteriormente, é apresentado o estudo da distância entre guias de onda paralelos, de modo a evitar perdas por acoplamento óptico. Dois métodos são apresentados para redução da área de ocupação do guia de onda através da configuração em espiral e serpentina com base nos resultados de modelamento. Uma forma de redução da largura do guia de ondas também será proposta. Simulações finais provam a possibilidade de projetar guias de onda com aproximadamente 1 𝑐𝑚 de comprimento e baixa perda (<1%) em cristal fotônico, considerando os requisitos construtivos. Por fim, através dos métodos de compactação, foram modelados os guias de onda ultracompactos em configuração de espiral e serpentina para obtenção dos cristais fotônicos com dimensões de ~210𝑥184 (μ𝑚) e ~255𝑥188 (μ𝑚), respectivamente. Este trabalho contribui diretamente para novas pesquisas que envolvam aplicações que requerem dispositivos formados por guia de onda de comprimento longo e baixa perda implementado em cristal fotônico, necessidade de acoplar dois dispositivos em chip utilizando guias de onda com curvatura e aplicações diversas, como amplificadores paramétricos, componentes utilizando multiplexação de comprimento de onda densa, regeneradores ópticos e construção de linhas de atraso de tempo real.
Abstract: The modeling of waveguides that require long interaction length is commonly demanded in the field of photonics for different applications. This requirement may require a reduction in the dimensions of the device, which depends on the waveguide compaction process depending on its length. To achieve this, it is common to implement curvatures in the waveguide. In photonic crystal (CF), high output loss is common when curvatures are implemented in the waveguide. This phenomenon is due to unwanted reflection, scattering and backpropagation. Therefore, the development of long waveguides in photonic crystals is uncommon due to the difficulty in implementing the curvatures in the channel. The objective of this work is the design of ultra- compact low-loss waveguides (<1%) with a length of approximately 1 cm, implemented in photonic crystal. The study is composed of a photonic crystal formed by silicon on the substrate and air cavities arranged in a triangular lattice, with light propagation at a wavelength of 1550 nm. The structures were generated through the Photonic Band Gap (PBG) using the Plane Wave Expansion (PWM) method, the cut-off of the waveguide using the Finite Difference Automode (Finite- Difference Eigenmode – FDE) and transmission calculations using the Finite- Difference Time-Domain (FDTD) method. Initially, the generation of photonic crystal structures is proposed, respecting parameters such as working wavelength, materials, cavities distribution, waveguide cut-off and calculated PBG. For these structures, the transmission profile of a straight waveguide is calculated and subsequently, with curvatures implemented. Based on these profiles, the device modeling process begins. Firstly, through supercavities in the curvatures to increase the average transmission of the waveguide. Subsequently, the study of the distance between parallel waveguides is presented, in order to avoid coupling losses. Two methods are presented for reducing the waveguide footprint through spiral and serpentine configuration based on the modeling results. A way of reducing the waveguide width will also be proposed. Final simulations prove the possibility of designing waveguides with approximately 1 cm in length and low loss (<1%) in photonic crystal, considering the construction requirements. Finally, using compression methods, ultra-compact waveguides were modeled in a spiral and serpentine configuration to obtain photonic crystals with dimensions of ~210x184 (μm) and ~255x188 (μm), respectively. This work directly contributes to new research involving applications that require devices formed by a long-length low-loss waveguide implemented in a photonic crystal, the need to couple two devices on a chip using waveguides with curvature and various applications, such as parametric amplifiers, components using dense wavelength multiplexing, optical regenerators and construction of real-time delay lines.
Asunto: Engenharia elétrica
Telecomunicações - Inovações tecnológicas
Guias de ondas
Fibras óticas
Cristalografia ótica
Fotônicos
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Institución: UFMG
Departamento: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Curso: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Tipo de acceso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/61140
Fecha del documento: 29-sep-2023
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