Diffraktioon perustuvien hilakytkinten numeerinen optimointi nanofotonisissa aaltojohdoissa

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Erdmanis, Mikhail
dc.contributor.author Kivijärvi, Ville
dc.date.accessioned 2014-04-17T11:26:14Z
dc.date.available 2014-04-17T11:26:14Z
dc.date.issued 2014-03-31
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/12905
dc.description.abstract 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. fi
dc.description.abstract 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. en
dc.format.extent 86+9
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Diffraktioon perustuvien hilakytkinten numeerinen optimointi nanofotonisissa aaltojohdoissa fi
dc.title Numerical optimization of grating couplers in nanophotonic waveguides en
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.subject.keyword coupling efficiency en
dc.subject.keyword photonics en
dc.subject.keyword simulation en
dc.subject.keyword SOI en
dc.subject.keyword FEM en
dc.subject.keyword waveguide en
dc.subject.keyword optical fiber en
dc.subject.keyword diffraction grating en
dc.subject.keyword Gaussian beam en
dc.subject.keyword mode en
dc.subject.keyword kytkentähyötysuhde fi
dc.subject.keyword fotoniikka fi
dc.subject.keyword simulaatio fi
dc.subject.keyword aaltojohto fi
dc.subject.keyword valokuitu fi
dc.subject.keyword diffraktiohila fi
dc.subject.keyword Gaussinen säde fi
dc.subject.keyword aaltomuoto fi
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201404181708
dc.programme.major Optinen teknologia fi
dc.programme.mcode S3011 fi
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.contributor.supervisor Tittonen, Ilkka
dc.programme EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka fi
dc.location P1 fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account