• MISCELÂNEA:
• Lista #05: entrega até antes da Aula de 23 ABR 2018.• Projeto-Exame:
• Entregar Resumo (título e objetivo) de uma página até 13 MAI 2018.• Entregar Proposta (título, objetivo, descrição, metodologia e referências) de
2 a 4 páginas até 27 MAI 2018.
• RESUMO:• Mecanismos de Perdas em Guias de Ondas• Dispositivos Ópticos Integrados• Acoplador Direcional
TE-289Dispositivos e Sensores Fotônicos Integrados
Aula 06 – 09 ABR 2018
• TE-289 - 2017:
• Gabriel Cenato:
• ESTUDO DA APLICAÇÃO DE DISPOSITIVOS DE INTERFERÊNCIA MULTIMODAL (MMI) COMO FILTROS PASSA-FAIXAS PARA COMPRIMENTOS DE ONDA ESPECÍFICOS EM FOTÔNICA EM SILÍCIO
• Romildo:• Emprego de cavidades ressonantes em anel como filtros ópticos em
sistemas fotônicos de conversão PM-AM (modulação de fase para modulação de amplitude)
Projeto-ExameExemplos
Mecanismos de Perdas em Guias de Ondas• Absorção Material• Espalhamentos: imperfeições, matéria quantizada, vibrações, etc.• Transições ao longo da propagação• Acoplamentos transversais• Guias Curvilíneos:
• Perdas em Guia Slab Simétrico I(z) I0 e - z
FONTE: Optical Filter Design and Analysis, C. K. Madsen And J. H. Zhao, John Wiley & Sons, Inc., 1999
“Improved Bend Loss Formula Verified for Optical Fiber by Simulation and Experiment”, IEEE J. Quantum Electronics, v. 43, n. 10, pp.899-909 (2007).
Optical Power Loss Coefficient (2): P(z) = P0 e–2 z
Normalized Propagation Constant (bbent)
Fórmula simplificada – Marcuse (1976)
Perdas em Guias Curvilíneos – Fibra Óptica
Vlasov, Y. A. & McNab, S. J. Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends, Optics Express 12, 1622-1631 (2004).
FONTE: Optical Filter Design and Analysis, C. K. Madsen And J. H. Zhao, Wiley, 1999
Perdas em GuiasCurvilíneos
Si
SiO2
Si
SiO2
Si
SiO2
nSi = 3,48nSiO2= 1,46
= (ncore-nclad) ⁄ncore
R = 0,5 m
Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 6, Wiley (2007)
Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 9, Wiley (2002)
H. Subbaraman et al., “Recent advances in silicon-based passive and active optical interconnects”, Optics Express, v.1, n.1, pp.2487-2511 (2015).
H. Subbaraman et al., “Recent advances in silicon-based passive and active optical interconnects”, Optics Express, v.1, n.1, pp.2487-2511 (2015).
H. Subbaraman et al., “Recent advances in silicon-based passive and active optical interconnects”, Optics Express, v.1, n.1, pp.2487-2511 (2015).
H. Subbaraman et al., “Recent advances in silicon-based passive and active optical interconnects”, Optics Express, v.1, n.1, pp.2487-2511 (2015).
Interferência MultiModal (MMI)
Optical Filter Design and Analysis, C. K. Madsen And J. H. Zhao, John Wiley & Sons, Inc., 1999L. D. Tzuang et al., “Non-reciprocal phase shift induced by an effective magnetic flux for light”, Nature Photonics, v.8, n.9, pp.701-705 (2014).H. Subbaraman et al., “Recent advances in silicon-based passive and active optical interconnects”, Optics Express, v.1, n.1, pp.2487-2511 (2015).
Q. Deng, Lu Liu, X. Li, and Z. Zhou, “Strip-slot waveguide mode converter based on symmetric multimode interference”, Optics Letters, v. 39,n.19, pp.5665-5668 (2014).
http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n6/full/nphoton.2015.69.htmlhttp://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=algoritmo-reverso-projeta-processadores-luz&id=010110150608&ebol=sim#.VeiQvZdBl79
Inverse design and demonstration of a compact and broadband on-chip wavelength demultiplexer
http://phys.org/news/2012-11-metamaterials-optics-microchip.html
http://lightwave.ee.columbia.edu/?s=research&p=past_projectshttp://techglimpse.com/ibms-silicon-integrated-nanophotonics-icon-light-pulses-move-data-blazing-speeds/https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr201302fa7.html
http://spie.org/x104683.xml
http://nanophotonics.labs.masdar.ac.ae/research.htm
http://uuu.t.u-tokyo.ac.jp/eng/http://www.intel.com/content/www/us/en/research/intel-labs-silicon-photonics-research.html
http://www.eecs.berkeley.edu/Research/Projects/Data/107125.html
http://www.aimphotonics.com/
American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics)
Silicon Photonics
2016
http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group_subpage.php?id=2763
Silicon Photonics
• Silicon advantages for (Nano)photonic applications:
• Compatibility with processes used in microelectronics (CMOS)
• Transparent in the wavelength range (near infrared) used in telecommunications: 0 = 1.28 ~ 1.65 m
• High refractive index contrast (air or silica): compact structures
• (In)sensitivity to (non)ionizing radiation
Conduction Band
Rpump
relax
relax
AUG
RAD
SRH
surfλpump < 1.1 m
Valence Band
Electrical and Optical Properties of Silicon
λRAD ~ 1.1 μm
relax = 100 fs SRH = 1 ~ 1000 μs RAD = RAD.NFC msAUG = AUG.NFC
2
surf << 10 μs (passivated SOI)
Nonlinear Optical Coefficients:TPA = 8 x 10-12 m/W n2 = 4.5 x 10-18 m2/WRaman = 3.7 x 10-10m/W
Heat
En
erg
y
Crystal Momentum
Silicon Photonics III - Systems and Applications, L. Pavesi & D. Lockwood (Springer-Verlag, 2016)
Silicon Photonics Platform
J. Bowers, Heterogeneous Silicon III-V Photonic Integrated Circuits, Tutorial at OFC 2015 (http://ieeexplore.ieee.org/document/7121893/)
Silicon Photonics
Silicon Photonics
D. Thomson et al., Roadmap on silicon photonics, J. Opt. 18 (2016) 073003 (2016)
Photonics Spectra
March 2016, p. 36.
Silicon Photonics
http://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/silicon-photonics/silicon-photonics-overview.htmlhttp://www.lightwaveonline.com/articles/2016/08/intel-shipping-silicon-photonics-optical-transceivers.htmlhttp://optics.org/news/7/8/30
Intel shipping silicon photonics (100-Gbps) optical transceivers (Aug. 18, 2016)
http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group_subpage.php?id=2763
www.cpqd.com.br/noticias/ministro-ricardo-berzoini-inaugura-instalacoes-industriais-da-brphotonics/?utm_campaign=fatos_325&utm_medium=email&utm_source=RD+Station
http://www.telesintese.com.br/brphotonics-fecha-as-portas-belga-skylane-optics-estuda-aquisicao-dos-ativos/
http://brphotonics.com
Grupo de Nanofotônica em Silício (ITA & IEAv)
Ring Resonator
Nanobeam Cavity
12 m
20 m
Grupo de Nanofotônica em Silício (ITA & IEAv)
Nanofotônica em Silício – Dispositivos Disponíveis
Dispositivos Fotônicos IntegradosCTI – Roberto Panepucci (fabricados no IMEC)
IMEC 1 CTI.gds (Linha de comando)
Laboratório de Plasmas e Processos (IEFF-ITA)
Curso “EAD” em Silicon PhotonicsEBL Fabrication (UBCx)
https://edge.edx.org/courses/UBCx/Photonics101/P1/abouthttps://youtu.be/5xjlrzFEfmw
Janderson (2018)
Curso “EAD” em Silicon PhotonicsEBL Fabrication (UBCx)
https://edge.edx.org/courses/UBCx/Photonics101/P1/about; https://youtu.be/5xjlrzFEfmw
Janderson (2018)
Coffee Break
Acoplador Direcional
https://br.comsol.com/wave-optics-module
Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 6, Wiley (2007)
Acoplador Direcional (Directional Coupler)
Fonte: ELECTRO-OPTICS HANDBOOK, 2nd Edition, Capítulo 26, McGraw-Hill (2000); ouOptical Integrated Circuits, Hiroshi Nishihara et al., Capítulo 2, McGraw-Hill (1987).
Acopladores Direcionais Básicos
Análise de Acopladores DirecionaisAbordagem Supermodal vs Teoria de Modos Acoplados
W. P. Huang, “Coupled-mode theory for optical waveguides: an overview”, JOSA A, v.11, n.3, pp. 963-983 (1994)
B. E. Little and W. P. Huang, “Coupled-Mode Theory for Optical Waveguides”, PIER-10, pp. 217-270 (1995)
K. Yasumoto, “Coupled-mode formulation of parallel dielectric waveguides”, Opt. Letters Vol. 18, n. 7, pp. 503-504 (1993).
W. P. Huang and J. Mu, “Complex coupled-mode theory for optical waveguides”, Opt. Express, v. 17, n. 21, pp. 19134-19152 (2009).
C. E. Nobriga et al., “Supermode dispersion and waveguide-to-slot mode transition in arrays of silicon-on-insulator waveguides”, Opt. Leters, v. 35, n. 23 (2010).
Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 9, Wiley (2002)
2 s >> 1 A A’; B B’; e C C’
cos
Abordagem Supermodal: Acoplador Direcional Simétrico – Slab TM
+
47
Acoplador DirecionalSimétrico Slab (Modo TM)
Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 9, Wiley (2002)
SimetriaPar
SimetriaÍmpar
TM0 & TM1 TM2 & TM3
Zeros das LHS’s = soluções guiadas
48
Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 9, Wiley (2002)
zE
zEzEzI
zE
zEzEzI
EI
zejEeeeE
eE
eE
zE
zeEeeeE
eE
eE
zE
oeoe
oeoe
oezjzjzjzj
zjzj
oezjzjzjzj
zjzj
oeoeoeoe
oe
oeoeoeoe
oe
cos122
sin
cos122
cos
2sin
222
2cos
222
2
022
0
2
BB
2
022
0
2
AA2
20
222000B
20
222000A
Comprimento de Acoplamento (L LA)
Comprimento de Batimento: LB = 2.L
IA
IB
I
z
Abordagem Supermodal: Acoplador Direcional Simétrico – Slab TM
Teoria de Modos Acoplados(Optical Integrated Circuits, Nishihara et. al., Capítulo 3, pp. 46-61)(Fundamentals of Optoelectronics, Pollock, Capítulo 10, 271-294)
Acoplador Direcional(Abordagem por Teoria de
Modos Acoplados)
Método que descreve o comportamento de um guia de ondas sujeito aperturbações, em termos dos modos do guia de ondas não-perturbado.
Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 6, Wiley (2007)
1 2 1= 2
Teoria de Modos Acoplados(Optical Integrated Circuits, Nishihara et. al., Capítulo 3, pp. 46-61)(Fundamentals of Optoelectronics, Pollock, Capítulo 10, 271-294)
Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 6, Wiley (2007)
Teoria de Modos Acoplados(Optical Integrated Circuits, Nishihara et. al., Capítulo 3, pp. 46-61)(Fundamentals of Optoelectronics, Pollock, Capítulo 10, 271-294)
0
1
2
2
2
0000
t
EE
EEEPEED
y
y
matmatmat
2
2
2
2
2
t
P
t
EE
PED
perty
y
pert
Meio semperturbação
Meio Perturbado
Princípio perturbacional da Teoria de Modos Acoplados
Lançamento no semi-guia esquerdo(igualdade de supermodos par/ímpar).Guia sem perturbação.
Lançamento do supermodo par.Guia com perturbação.
Lançamento do supermodo ímpar.Guia com perturbação.
Lançamento no semi-guia esquerdo(igualdade de supermodos par/ímpar).Guia com perturbação.
Lançamento no semi-guia direito(igualdade de supermodos par/ímpar).Guia com perturbação.
Perturbações em Acopladores Direcionais
Simulações realizadas no BeamPROP (RSoft).
Disponível no ITA (LabGE) e no IEAv (EFO-EFA).
ParadoxoModos Acoplados
vsSupermodos
M. Mrejen et al., “Adiabatic elimination-based coupling control in densely packed subwavelength waveguides”, DOI: 10.1038/ncomms8565
Perturbações em Acopladores Direcionais
Avisos Finais
• Lista de Exercícios #05:
• Entrega até antes da Aula de 23 ABR 2018
• Lista de Exercícios #06:
• Disponível até 20 ABR 2018
• Entrega até 07 MAI 2018 às 23:59
• 1ª Prova Bimestral:
• Disponível até 30 ABR 2018
• Entrega até 22 MAI 2018 às 23:59
• Projeto-Exame:
• Entregar Resumo (título e objetivo) de uma página até 13 MAI 2018.
• Entregar Proposta (título, objetivo, descrição, metodologia e referências) de 2a 4 páginas até 27 MAI 2018.
• Próxima Aula (23 ABR 2018):
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