Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Eficiência de acoplamento entre fibras de cristal fotônico e circuitos integrados fotônicos
Autor(es): MEDEIROS, Marciano de Lima
Primeiro Orientador: SPADOTI, Danilo Henrique
metadata.dc.contributor.advisor-co1: MEJÍA, Felipe Beltrán
Resumo: Interesse de pesquisa: Nesta dissertação, o problema do acoplamento entre nanoguias de silício e o "mundo exterior", ou seja, uma fibra óptica, foi investigado numericamente por meio do método FDTD. O processo de inserção de luz da fibra para um nanoguia é chamado de acoplamento óptico. O problema de acoplamento surge da incompatibilidade dimensional entre o convencional núcleo de fibra óptica e a seção transversal dos nanoguias integrados. Atualmente, este é um dos problemas mais importantes enfrentados pelos pesquisadores na área de nanofotônica de silício. Embora a fabricação de dispositivos fotônicos de silício tenha alcançado alta qualidade devido à compatibilidade com os processos de fabricação CMOS, a transição na interface entre a fibra e o nanoguia é governada por consideráveis perdas de inserção devido ao problema de acoplamento. Portanto, a solução deste problema é de grande importância para a aplicação dos circuitos integrados fotônicos de silício nas comunicações ópticas. Objetivos: O objetivo deste trabalho é abordar o problema de interface de acoplamento entre fibras ópticas e nanoguias de silício, utilizando fibras de cristal fotônico em vez de fibras ópticas convencionais. Para tal, são utilizadas redes de Bragg uniformes como técnica de acoplamento, e a eficiência de acoplamento à fibra de cristal fotónico é investigada através de simulações numéricas, considerando o ângulo de acoplamento, parâmetros de grade, bem como os parâmetros físicos da fibra, nomeadamente o diâmetro dos furos de ar. Portanto, este trabalho foca no estudo, modelagem e otimização da técnica de acoplamento usando grades de Bragg para obter um acoplamento eficiente entre fibras de cristal fotônico e nanoguias de silício. Resultados obtidos: Os resultados das simulações mostram que um acoplamento eficiênte pode ser obtido entre fibras de cristal fotônico e nanoguias SOI. A eficiência de acoplamento foi investigada com base em dois tipos de acopladores de Bragg uniformes. O primeiro é um acoplador de grade simples gravado na superfície de um nanoguia integrado na plataforma SOI. O segundo é um acoplador de grade de Bragg com um refletor metálico inferior. Neste último, um refletor de ouro foi adicionado para maximizar a reflexão na interface óxido/substrato da plataforma SOI e reutilizar a energia irradiada para o substrato. As simulações de eficiência com o acoplador padrão demonstram uma eficiência máxima de acoplamento de 32.6%, em um ângulo de acoplamento de 10◦. Enquanto isso, uma eficiência máxima de acoplamento de 70.3% é demonstrada quando o refletor é adicionado. Além disso, determinou-se também uma interessante dependência da eficiência de acoplamento em função do diâmetro dos furos de ar das fibras de cristal fotônico, de modo que este parâmetro deve ser escolhido adequadamente para otimizar a eficiência de acoplamento.
Abstract: Research interest: In this dissertation, the coupling problem between silicon nanoguides and the "outside world,"namely an optical fiber, was numerically investigated using the FDTD method. The process of guiding light from the fiber into a nanoguide is referred to as optical coupling, and the coupling problem arises from the dimensional incompatibility between the conventional optical fiber core and the cross-sectional area of the integrated nanoguides. Currently, this is one of the most significant challenges faced by researchers in the field of silicon nanophotonics. Although the manufacturing of silicon photonic devices has achieved high quality due to compatibility with CMOS fabrication processes, the transition at the interface between the fiber and the nanoguide is characterized by considerable insertion losses due to the coupling problem. Thus, solving this problem holds great importance for the application of silicon photonic integrated circuits in optical communications.. Objectives: The objective of this work is to address the coupling interface problem between optical fibers and silicon nanoguides, using photonic crystal fibers instead of conventional optical fibers. For this purpose, uniform Bragg gratings are employed as a coupling technique, and the coupling efficiency to the photonic crystal fiber is investigated through numerical simulations, considering the coupling angle, lattice parameters, as well as the physical parameters of the fiber, specifically the air hole diameter. Therefore, this study focuses on the examination, modeling, and optimization of the coupling technique using Bragg gratings to achieve efficient coupling between photonic crystal fibers and silicon nanoguides. Results obtained: The simulations results show that efficient coupling can be achieved between photonic crystal fibers and SOI waveguides. The coupling efficiency was investigated based on two types of uniform Bragg couplers. The first one is a simple grating coupler etched on the surface of a nanoguide integrated in the SOI platform. The second one is a Bragg grating coupler with a bottom metallic reflector. In the latter, a gold reflector was added to maximize the reflection at the oxide/substrate interface of the SOI platform and reuse the radiated energy to the substrate. Efficiency simulations with the standard coupler demonstrate a maximum coupling efficiency of 32.6% at a coupling angle of 10◦. Meanwhile, a maximum coupling efficiency of 70.3% is demonstrated when the reflector is added. Furthermore, an interesting dependence of the coupling efficiency on the air hole diameter of the photonic crystal fibers has also been determined, indicating that this parameter should be appropriately chosen to optimize the coupling efficiency.
Palavras-chave: Nanofotônica de silício
Anoguias SOI
Grades de Bragg
Fibras de cristal fotônico
Eficiência de acoplamento
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3892
Data do documento: 19-Abr-2023
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