Trojrozměrné vektorové modelování fotonických vlnovodných mikrorezonátorů

Rok: 2004

Prof. Ing. Jiří Čtyroký, DrSc.; Mgr. Ladislav Prkna; Ing. Milan Hubálek

Optické vlnovodné mikrorezonátory jsou velmi perspektivní stavební prvky budoucích integrovaně-optických systémů s velkou hustotou integrace, které umožňují provádět s optickými signály různé operace jako je spektrální filtrace, modulace optického signálu, vydělování jednotlivých optických spektrálních kanálů z celkového optického datového toku přenášeného optickým vláknovým vlnovodem a pod. Tyto operace mají významné potenciální aplikace v metropolitních a přístupových optických sítích. Základní funkci mikrorezonátoru vysvětluje levý obrázek. Kruhový mikrorezonátor tvořený např. žebrovým optickým vlnovodem je navázán evanescentní vazbou (optickým tunelováním) na přímé vlnovody. Na vstup optického obvodu je zaveden optický signál. O tom, ze kterého z portů signál vystoupí, rozhoduje jeho vlnová délka. Pokud je mikrorezonátor mimo rezonanci, signál je mikrorezonátorem jen slabě ovlivněn a vystupuje z průchozího portu, zatímco v rezonanci signál vystupuje z vydělovacího portu. Poněvadž rezonanční vlnovou délku mikrorezonátoru je možno měnit využitím elektrooptického nebo termooptického jevu, případně nelineárně-optického (Kerrova) jevu, může mikrorezonátor sloužit i jako laditelný filtr, modulátor nebo optický logický prvek. Aby ztráty vyzařováním z mikrorezonátoru byly malé i při jeho malých rozměrech (průměr mikrorezonátorů se pohybuje od několika mikrometrů do několika stovek mikrometrů), vlnovodné struktury musí mít dostatečně velký kontrast indexu lomu. K návrhu takových struktur je nezbytné mít k dispozici spolehlivou trojrozměrnou vektorovou metodu pro numerické modelování rozložení optického záření.

Vyvinuli jsme novou semianalytickou metodu, která umožňuje přesný a efektivní výpočet vektorového rozložení elektromagnetického pole v kruhových mikrorezonátorech na standardním osobním počítači. Pravý obrázek ukazuje rozložení vertikální složky intenzity elektrického pole základního vidu diskového mikrorezonátoru. Z obrázku je zřejmá nespojitost složky pole na vodorovných rozhraních a slabé vyzařování do podložky směrem vpravo dolů.

Metoda byla vyvinuta v rámci evropského projektu 5. rámcového programu IST-2000-28018 „NAIS“. V kombinaci s metodou vázaných vidů vyvinutou na partnerském pracovišti univerzity v Twente v Nizozemsku tvoří efektivní původní nástroj pro modelování a návrh integrovaných optických struktur s mikrorezonátory.

1. J. Čtyroký, L. Prkna, and M. Hubálek, “Guided-Wave Optical Microresonators: Calculation of Eigenmodes,” Microresonators as building blocks for VLSI photonics: International School of Quantum Electronics, 39th Course, Erice, Italy, 2003, Proc. AIP, pp. 72-90, 2004.
2. L. Prkna, J. Čtyroký, and M. Hubálek, “Ring Microresonator as a Photonic Structure with Complex Eigenfrequency,” Opt. Quantum Electron., vol. 36, pp. 259-269, 2004.
3. L. Prkna, M. Hubálek, and J. Čtyroký, "Vectorial eigenmode solver for bent waveguides based on mode matching," IEEE Phot. Technol. Lett., vol. 16, pp. 2057-2059, 2004.
4. L. Prkna, “Rotationally symmetric resonant devices in integrated optics,” PhD thesis, Charles University in Prague, 2004.
5. L. Prkna, M. Hubálek, and J. Čtyroký, “Field Modelling of Circular Microresonators by Film Mode Matching,” IEEE J. Sel. Topics in Quantum Electron., vol. 11, No. 1, 2005, v tisku.