search query: @keyword fotoniikka / total: 6
reference: 3 / 6
« previous | next »
Author:Kivijärvi, Ville
Title:Numerical optimization of grating couplers in nanophotonic waveguides
Diffraktioon perustuvien hilakytkinten numeerinen optimointi nanofotonisissa aaltojohdoissa
Publication type:Master's thesis
Publication year:2014
Pages:ix + 86      Language:   eng
Department/School:Sähkötekniikan korkeakoulu
Main subject:Optinen teknologia   (S3011)
Supervisor:Tittonen, Ilkka
Instructor:Erdmanis, Mikhail
Electronic version URL: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201404181708
OEVS:
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Instructions

Reading digital theses in the closed network of the Aalto University Harald Herlin Learning Centre

In the closed network of Learning Centre you can read digital and digitized theses not available in the open network.

The Learning Centre contact details and opening hours: https://learningcentre.aalto.fi/en/harald-herlin-learning-centre/

You can read theses on the Learning Centre customer computers, which are available on all floors.

Logging on to the customer computers

  • Aalto University staff members log on to the customer computer using the Aalto username and password.
  • Other customers log on using a shared username and password.

Opening a thesis

  • On the desktop of the customer computers, you will find an icon titled:

    Aalto Thesis Database

  • Click on the icon to search for and open the thesis you are looking for from Aaltodoc database. You can find the thesis file by clicking the link on the OEV or OEVS field.

Reading the thesis

  • You can either print the thesis or read it on the customer computer screen.
  • You cannot save the thesis file on a flash drive or email it.
  • You cannot copy text or images from the file.
  • You cannot edit the file.

Printing the thesis

  • You can print the thesis for your personal study or research use.
  • Aalto University students and staff members may print black-and-white prints on the PrintingPoint devices when using the computer with personal Aalto username and password. Color printing is possible using the printer u90203-psc3, which is located near the customer service. Color printing is subject to a charge to Aalto University students and staff members.
  • Other customers can use the printer u90203-psc3. All printing is subject to a charge to non-University members.
Location:P1 Ark Aalto  1031   | Archive
Keywords:coupling efficiency
photonics
simulation
SOI
FEM
waveguide
optical fiber
diffraction grating
Gaussian beam
mode
kytkentähyötysuhde
fotoniikka
simulaatio
aaltojohto
valokuitu
diffraktiohila
Gaussinen säde
aaltomuoto
Abstract (eng):Use of optical frequencies in information technology can provide increased bandwidth and reduced energy consumption compared to modern applications.
In silicon photonics, optical signals are processed in circuits that are mainly based on silicon and silica structures.
Silicon photonic applications can be utilized, for example, in sensors and in telecommunication networks.
The indirect bandgap of silicon prevents the construction of a laser type power source on a silicon substrate.
Hence, power in silicon photonics has to be produced outside the chip.
This demands a device, which can couple signal power to silicon.
One example of such a device is a diffraction grating.
Gratings can be flexibly placed on the chip and they can couple to multiple power sources simultaneously.
When a grating coupler is utilized, one crucial parameter that defines its performance is the coupling efficiency.
This figure denotes the fraction of source power, which can be transmitted to the chip.
Many studies have been performed to maximize this fraction.
Coupling efficiency depends on the grating geometry, which can be optimized by altering the grating parameters, such as period or groove depth.
In this work, such optimization was performed by simulating the grating structure while varying the geometric dimensions.
Numerical simulation is necessary because finite sized gratings cannot be modelled analytically for arbitary shapes.
The simulations were performed on finite element method (FEM) using the COMSOL Multiphysics software.
An advantage of the FEM is fast calculation, essential when computing large scale parametric sweeps required by the optimization procedure.
The main objective of this study was to compare the initial and optimized frequency responses as they define the coupling efficiency and the operation bandwidth.
The comparison revealed an improved coupling at the resonance wavelength for certain geometries found by the sweeps.
The achieved frequency responses around this maximum are in agreement with grating theory and previous studies made on the topic.
Abstract (fin):Optisten taajuuksien käyttö tietotekniikassa voi mahdollistaa nykyistä suuremmat kaistanleveydet ja pienemmän energian kulutuksen.
Piifotoniikka pyrkii ohjaamaan ja manipuloimaan näitä taajuuksia piialustalla.
Piifotoniikalla on sovelluksia esimerkiksi sensoritekniikassa ja tietoverkoissa.
Epäsuora energia-aukko estää tehon tuottamisen suoraan piialustalla, jolloin optinen teho täytyy tuoda piihin ulkoisesta lähteestä.
Tämä edellyttää kytkennän rakentamista teholähteen ja sirun välille.
Kytkentä voidaan toteuttaa esimerkiksi diffraktiohilan avulla.
Diffraktiohilan etuja ovat joustava sijoitus piirilevylle ja samanaikainen kytkeytyminen useisiin signaalilähteisiin.
Hilan aallonpituusriippuvuus vaikuttaa kytkentään, joka on tehokas ainoastaan hilalle ominaisella resonanssitaajuudella.
Kytkentähyötysuhde riippuu diffraktiohilan geometriasta, kuten sen koosta, jaksollisuudesta ja hilaelementtien muodoista.
Hyötysuhteen maksimointi voidaankin toteuttaa hilan geometriaa optimoimalla.
Tämä työ käsittelee kytkentähyötysuhteen parantamista geometrian avulla.
Optimointi perustuu numeeriseen mallinnukseen FEM-menetelmällä (Finite Element Method).
FEM-menetelmän käyttö on perusteltua, koska äärellisen kokoisten hilarakenteiden analyyttinen mallintaminen on vaikeaa mielivaltaisille geometrioille.
Riittävän suuri parametrisilmukka pystyy käymään useimmat geometriat läpi, jolloin erilaisten vaihtoehtojen joukosta löydetään optimaalinen geometria.
Tällainen laskenta hyötyy FEM-menetelmän eduista, joihin kuuluu lyhyt laskenta-aika.
Tämän työn laskennassa hyödynnettiin COMSOL Multiphysics ohjelmistoa, koska kyseinen ohjelmisto mahdollistaa parametrisilmukoiden automatisoinnin.
Optimoinnin jälkeen saavutettuja taajuusvasteita verrattiin alkuperäiseen taajuusvasteeseen.
Näin voitiin varmistua siitä, että saavutettu aallonpituusriippuvuus vastaa teoriaa parantuneella maksimihyötysuhteella.
Taajuusvasteella on voimakas maksimi resonanssiaallonpituudella, mikä havaittiin kaikilla optimoiduilla geometrioilla.
ED:2014-04-20
INSSI record number: 48913
+ add basket
« previous | next »
INSSI