AN M×N MULTIMODE INTERFERENCE COUPLER BASED ON NONLINEAR MODAL PROPAGATION ANALYSIS METHOD AS AN ULTRA-COMPACT ALL-OPTICAL POWER SPLITTER, SWITCH AND LOGIG GATES

 

AN M×N MULTIMODE INTERFERENCE COUPLER BASED ON NONLINEAR MODAL PROPAGATION ANALYSIS METHOD AS AN ULTRA-COMPACT ALL-OPTICAL POWER SPLITTER, SWITCH AND LOGIG GATES

 ABSTRACT

This thesis is devoted to the investigation of a nonlinear modal propagation analysis method as a novel potential method for evaluating a multimode interference coupler, with the aim of achieving high efficiency. This method is introduced in this study for the first time. An excited nonlinear effect in the multimode region is observable and can be estimated based on this theoretical method; thus, this effect is better comprehended in comparison with shown effects elsewhere. An investigation of modal propagation in a nonlinear regime demonstrates the appearance of self-phase modulation, cross-phase modulation, wave-mixing and energy exchange between guided modes. Furthermore, a conversion of the modal profile from sinusoidal to Gaussian in the propagation direction is one of the significant effect that is observed with this theory. A comparison between crystalline polydiacetylene and silicone-on-insulator validates the capability of crystalline polydiacetylene.

However, silicon-on-insulator is a high contrast material that can confine modes in highly ultra-compact dimensions. To achieve NMPA and to overcome previous limitations, NMPA is implemented in a silicon-on-insulator MMI to demonstrate self-focusing as the most significant effect. The NMPA method can be applied to all-optical devices of any type. In this work, a nonlinear ultra-compact power splitter with high efficiency is proposed based on NMPA for the first time. This power splitter has 11 uniform output channels over 104 μm of MMI length; we optimized this splitter’s base insertion loss and uniformity as critical parameters and then performed simulations based on the intensity distribution. The results show acceptable uniformity, a high output number and ultra-compact dimensions.

Furthermore, the proposed device demonstrates the ability of our method for studying modal expansion, in contrast to previous methods, which are not suitable for studying modal expansion. We propose an ultra-compact all-optical switch based on the NMPA method. The desired length was obtained after an analysis of various lengths, and the SPG and insertion loss were evaluated to achieve an optimum switch. Simulations showed that the obtained switch is much more compact and more efficient in comparison with previously reported switches in the nonlinear regime. The nonlinear modal propagation analysis also enabled us to introduce an MMI coupler that can operate as any type of logic gate with control from one side input. An ultra-compact 3×3 multimode interference (MMI) coupler designed using the nonlinear modal propagation method (NMPA) is proposed as a conventional single structure to attain the functionality of any logic gate operation. This novel design has potential applications in all-optical logic gates for Boolean logic signal processing devices. We optimize the logic gate operation via the output width, where the contrast ratio between the ON and OFF states determines the efficiency of the all-optical gates.

 

 

 

PENGGANDING INTERFERENS MULTIMOD M×N BERASASKAN KAEDAH ANALISIS PERAMBATAN MODAL TAKLINEAR SEBAGAI PEMISAH KUASA, SUIS DAN GET LOGIK OPTIK-PENUH ULTRAPADAT

 

ABSTRAK

  

Tesis ini memperkenalkan kaedah analisis perambatan mod tak linear (NMPA) sebagai suatu kaedah baru yang berpotensi dalam mengkaji pengganding interferens multimod, bertujuan untuk mencapai kecekapan yang lebih tinggi. Kaedah ini pertama kali diperkenalkan dalam kajian ini. Kesan ujaan tak-linear dalam ruang multimod boleh dicerap dan dianggar berdasarkan kaedah teori, supaya ia lebih komprehensif berbanding dengan kesan yang ditunjukkan di ruang yang lain. Penelitian perambatan mod dalam ruang tak-linear menunjukkan kehadiran modulasi fasakendiri, modulasi fasa silang, campuran gelombang dan pertukaran tenaga di antara mod terpandu. Selanjutnya, pertukaran profil mod daripada sinusoid kepada Gaussian dalam arah propagasi adalah satu daripada kesan penting, yang dicerap dalam kajian teori ini. Perbandingan di antara habluran polidiasetilen dan silikon di atas penebat mengesahkan keupayaan habluran polidiasetilen. 

Namun demikian, silicon di atas penebat adalah bahan yang amat nyata, yang boleh mengurung mod dalam dimensi ultrapadat yang amat tinggi. Bagi membuktikan keupayaan NMPA dan mengatasi masaalah batasan sebelum ini, NMPA dilaksanakan dalam silikon di atas penebat, (interferens multimod) MMI yang terfokus kendiri merupakan kesan yang amat ketara. Kaedah NMPA boleh digunakan kepada semua peranti optik pelbagai jenis. Dalam kajian ini, pemisah kuasa ultrapadat taklinear dengan kecekapan yang tinggi berasaskan NMPA dicadangkan buat kali pertama. Pemisah kuasa ini mempunyai 11 saluran output yang seragam pada kepanjangan MMI 104 μm, pemisah ini dioptimumkan berasaskan kehilangan sisipan dan keseragaman sebagai parameter kritikal, yang disimulasikan berdasarkan taburan keamatan. Keputusan menunjukkan keseragaman yang boleh diterima, nombor output yang tinggi, dan dimensi yang ultrapadat.

 Selanjutnya, peranti yang dicadangkan ini membuktikan keupayaan kaedah ini untuk mengkaji pengembangan mod berbanding kaedah sebelumnya yang tidak sesuai dalam mengkaji pengembangan mod. Suatu suis optik-penuh ultrapadat berdasarkan kaedah NMPA dicadangkan. Panjang yang diperlukan diperoleh selepas analisis kepada panjang yang pelbagai, SPG, dan sisipan kehilangan yang dinilai untuk mencapai panjang suis yang optimum. Hasil simulasi menunjukkan suis yang diperolehi itu sangat padat dan lebih cekap berbanding dengan suis yang dilaporkan sebelum ini bagi kawasan tak-linear. Analisis perambatan mod tak-linear juga boleh digunakan untuk memperkenal pengganding interferens (MMI) yang boleh beroperasi sebagai sebarang jenis get logik melalui kawalan pada suatu sisi input. Pengganding (MMI) ultrapadat 3 × 3 direka bentuk menggunakan NMPA dicadangkan sebagai struktur tunggal biasa untuk memenuhi kebolehfungsian operasi sebarang get logik. Reka bentuk baru ini berpotensi diaplikasikan dalam semua get logik optikal untuk logik Boolean peranti pemprosesan isyarat. Sudah pasti bahawa operasi get logik melalui lebar output, yang nisbah kontras di antara keadaan ON dan OFF menentukan kecekapan semua get optik.