Návrh, modelování a optimalizace pasivních optických prvků

Abstract

Cílem disertacní práce byl návrh, simulace a optimalizace pasivních optických rozbocovacu typu 1xN Y s vysokým poctem kanálu (N = 16). Dvema hlavními oblasti výzkumu jsou návrh, simulace a optimalizace techto rozbocovacu podle aplikace: a) materiálu s nízkým kontrastem indexu lomu, b) materiálu s vysokým kontrastem indexu lomu. Rozbocovace s nizkým kontrastem indexu lomu nachází uplatnení v telekomunikacích; rozbocovace s vysokým kontrastem se používají hlavne pro aplikace ve fotonických integrovaných obvodech. Pro rozbocovace typu Y s nízkým kontrastem byl navržen a simulován standardní 1x32 rozbocovac pomocí komercne dostupného programového nástroje OptiBPM. Na základe výsledku simulace byly analyzovány optické vlastnosti standardního prístupu k návrhu techto clánku. Konstrukce typu Y se vyznacuje vysokou nerovnomernosti, vložnými ztrátami a pomerne velkými rozmery konstrukce. Hluboká studie simulovaných výsledku ukázala, že konstrukce takových optických rozbocovacu silne závisí na použité strukture vlnovodu. Optimalizací se výrazne zlepšily delící vlastnosti navrženého rozbocovace s delícím pomerem 1 x 32. Na základe techto výsledku byl navržen rozbocovac s nízkou ztrátou a konstrukcí s 1x64 kanály. Délka optimalizovaného 1x64 rozbocovace typu Y byla snížena na témer tretinu své puvodní hodnoty a navíc se zlepšila rovnomernost výstupu. Krome vyhodnocení použitých standardních tvaru rozbocovacu typu Y, byl optimalizován nový tvar geometrie rozbocovace. Použitím tohoto tvaru se výrazne snížil rozptyl svetla. Problémem použití tohoto nového tvaru bylo, že zahrnuje jísté nepresností. Dalším úkolem této disertacní práce bylo proto odstranit nedostatky rešení a aplikovat tento tvar na rozbocovace typu Y s vysokým delícím pomerem. Pro aplikace navržených optických rozbocovacu v telekomunikacích jsem zkoumala vliv ruzných optických rozbocovacu v prístupových sítích jako jsou napríklad GPON a XG-PON od ITU-T se službami typu tripple-play (tj. prenos dat, hlasu a video). Dosažené parametry pasivních optických prvku byly zacleneny do simulací vybraných pasivní optických sítí. V prípade vysokého kontrastu indexu lomu byl navržen a optimalizován rozbocovac na bázi na bázi nitridu kremicitého, s 1x8 Y kanály a se strukturou žebrového vlnovodu (shallow-rib).

In this doctoral thesis the design, simulation and optimization of high splitting ratio 1xN Y-branch passive optical splitters (N=16) were performed. Two main research areas are the design, simulation and optimization of high splitting ratio splitters based on: a) low index contrast and b) high-index-contrast material platforms. Low index contrast splitters have main applications in telecommunication and high index contrast splitters are mainly used for the applications in photonics integration circuits. For the low index contrast Y-branch splitters a standard 1x32 Y-branch splitter was designed and simulated by the commercially available software tool, OptiBPM. Based on the simulation results, the optical properties of the standard Y-branch approach were analyzed. This design features high non-uniformity, insertion loss and large size of the designed structure. Deep study of the simulated results shown that the design of such optical splitters depends strongly on the used waveguide structure. Optimizing this structure, the splitting properties of the designed 1x32 Y-branch splitter were strongly improved. Based on these results the low loss, high uniformity 1x64 Y-branch splitter was designed. In this case, the length of “low loss length optimized” 1x64 Y-branch splitter was reduced to nearly one to third of its original value and additionally non-uniformity was also improved. Beside the evaluation of the used standard Y-branch shapes, a new shape of the Y-branch splitter was optimized. Using this shape the scattering of light was strongly reduced. The problem of using this new shape was that it contains of some inaccuracies. Therefore the next task of this PhD thesis was to eliminate these shortcomings and to make this shape applicable for high splitting ratio Y-branch splitters.