Titelaufnahme

Titel
Numerical analysis of optical multi-core waveguides / von Jörg Reitterer
Verfasser / Verfasserin Reitterer, Jörg
Begutachter / BegutachterinLeeb, Walter ; Schmid, Gerhard
Erschienen2010
UmfangXIII, 94 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)BeamLab / Matlab / Multi-Kern / Wellenleiter / Analyse / rechnerisch / opto-elektronisch / Leiterplatte / PCB
Schlagwörter (EN)BeamLab / Matlab / multi-core / waveguide / analysis / numerical / opto-electronic / printed circuit board / PCB
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-38226 Persistent Identifier (URN)
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Numerical analysis of optical multi-core waveguides [11.36 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht in optischen Wellenleitern, welche in opto-elektronischen Leiterplatten zum Einsatz kommen. In diesen Leiterplatten werden optische Multi-Kern Wellenleiter verwendet um die Fehljustierungstoleranz von Laser zu Wellenleiter, sowie von Wellenleiter zu Photodiode, zu erhöhen. Die einzelnen Kerne haben ein annähernd gaußförmiges Brechungsindexprofil. In dieser Arbeit werden diverse Charakteristiken dieser Wellenleiter untersucht. Der wichtigste Parameter der Untersuchungen ist der sogenannte Durchsatz, welcher als Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung definiert ist.

Aufgrund der Komplexität der Multi-Kern Wellenleiterstrukturen müssen numerische Berechnungsmethoden verwendet werden. Der Großteil dieser Arbeit ist der Entwicklung einer Computer Software gewidmet, welche es ermöglicht, die Ausbreitung von Licht in beliebigen Wellenleiterstrukturen zu simulieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Software BeamLab entwickelt, welche eine Beam Propagation Method, ein Modul zur Berechnung der Eigenmoden von Wellenleitern, sowie die neue Eigenmode Decomposition Method in der Programmiersprache Matlab implementiert.

Mit Hilfe von Simulationen wird der Durchsatz bei unterschiedlichen lateralen und angularen Fehlpositionierungen des Lasers ermittelt.

Weiters wird der Durchsatz diverser Lasermoden berechnet. Es wird gezeigt, dass der durchschnittliche Durchsatz eines Multi-Kern Wellenleiters bei stochastischer Modellierung der lateraler Fehlpositionierung des Lasers zwischen 20% und 30% beträgt. Dies ist lediglich 10% bis 15% mehr als der durchschnittliche Durchsatz eines Einzel-Kern Wellenleiters. Eine angulare Fehlpositionierung des Lasers kann den Durchsatz ebenfalls signifikant verringern. Der Winkel zwischen der Achse des Wellenleiters und dem emittierten Laserstrahl sollte nicht größer als 5 sein.

Multi-Kern Strukturen, welche nicht invariant in Ausbreitungsrichtung sind, werden ebenfalls untersucht. Derartige Strukturen sind z.B.

gebogene Wellenleiter, Splitter, Mach-Zehnder Interferometer, Einzel-Kern Wellenleiter mit Multi-Kern Taper, sowie Wellenleiter, welche sich gegenseitig kreuzen. Simulationen haben gezeigt, dass der maximal zulässige Biegewinkel von Multi-Kern Wellenleitern 5 beträgt.

Das Übersprechen zwischen Multi-Kernwellenleitern, welche sich gegenseitig kreuzen, ist vernachlässigbar. Splitter, Mach-Zehnder Interferometer sowie Einzel-Kern Wellenleiter mit Multi-Kern Taper sind aufgrund der hohen Anzahl an Eigenmoden der Multi-Kern Wellenleiter schwierig zu implementieren.

Weiters wird der Einfluss einer Deformierung, welche entsteht wenn Druck auf den Multi-Kern Wellenleiter ausgeübt wird, auf den Durchsatz untersucht. Die Deformierung führt zu erhöhten Verlusten, welche den Durchsatz und somit den Photostrom verringern.

Die Simulationsergebnisse legen die Vermutung nahe, dass die in dieser Arbeit untersuchten Multi-Kern Wellenleiter Potenzial für Optimierungen aufweisen. Durch Modifikation von Parametern wie Brechungsindexunterschied zwischen Wellenleiterkern und -mantel sowie Anzahl und räumliche Platzierung der individuellen Kerne, ließe sich der Durchsatz erhöhen.

Zusammenfassung (Englisch)

This diploma thesis investigates light propagation in optical waveguides which are used in opto-electronic printed circuit boards. In the boards under investigation, optical multi-core waveguides are used in order to increase the laser-to-waveguide and waveguide-to-photodiode misalignment tolerance. The individual cores have an approximately Gaussian refractive index profile due to the manufacturing process. In this work different characteristics of such multi-core waveguides are investigated. The main parameter of interest is the so-called throughput, which is defined as the ratio of waveguide output power to input power.

Due to the complexity of the multi-core waveguide structures, numerical analysis methods have to be used. The major part of this thesis was to develop a computer program which is capable of simulating light propagation in arbitrary waveguide structures. A software suite called BeamLab has been developed, which implements a Beam Propagation Method, a waveguide eigenmode solver, as well as the novel Eigenmode Decomposition Method using the high-level programming language Matlab.

The throughput of different lateral and angular laser misalignments, as well as the throughput of different laser modes is computed. Simulations have shown that the average throughput of a multi-core waveguide with a stochastically modelled lateral laser misalignment is between 20% and 30%, which is only 10% to 15% larger than the average throughput of a single-core waveguide. Angular laser misalignments can also significantly reduce the throughput. The angle between the waveguide axis and the emitted laser beam should not be larger than 5.

Multi-core structures, which are not invariant with respect to the propagation direction, are also investigated in this work. Such structures include bent waveguides, splitters, Mach-Zehnder interferometers, tapered waveguides, as well as waveguides crossing each other. Simulations have shown that bent waveguides should not have a bend angle larger than 5 and that the crosstalk between multi-core waveguides crossing each other is negligible. Splitters, Mach-Zehnder interferometers, and tapered multi-core waveguides are difficult to implement using multi-core waveguides due to the large number of waveguide eigenmodes.

It has also been shown that the throughput of multi-core waveguides can be influenced by applying pressure onto the waveguide. The pressure applied causes a deformation which induces additional losses and hence, reduces the photocurrent.

There certainly is potential for optimization of the multi-core waveguides investigated in this work. By adjusting parameters like the refractive index difference between waveguide core and cladding or number and spatial placement of the cores, the throughput could be increased.

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