Modelling of Pulse Propagation in Nonlinear Photonic Structures
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
V současnosti jsme svědky stále zvyšujících se nároku na rychlost přenosu a zpracování signálu a kapacitu pamet’ových zařízení. Proto se pozornost výzkumných pracovníku zaměřuje k plně optickým zařízením, která by mohla splnit zmíněné požadavky. Jednou z intenzívně zkoumaných možností je využití mikroprstencových optických rezonátoru. Při výzkumu je nutné využít numerických metod, které simulují šíření optického záření v dané struktuře. K tomuto účelu existuje celá rada metod, které se liší v efektivitě výpočtu, použitých aproximacích, i možnostech použití. Cílem této práce bylo vyvinout dvě jednoduché a praktické numerické metody pro modelování šíření pulzního záření v nelineárních vlnovodných strukturách. Přítom bylo požadováno, aby, na rozdíl od obecně známé a často využívané metody konečných diferencí v časové oblasti (FD-TD), bylo možné metody snadno aplikovat při studiu nelineárních struktur založených na mikroprstencových rezonátorech. Proto vyvinuté metody používají některé aproximace, zejména aproximaci pomalu proměnné obálky. Výhodou metod je vysoká rychlost a skromné požadavky na výpočetní zdroje. Obě metody vycházejí ze zkutečnosti, že naprostá většina nelineárních struktur založených na mikroprstencových rezonátorech se skládá ze dvou základních prvku: obyčejných vlnovodu a vlnovodných vazebních clenu. První metoda řeší vázané parciální diferenciální rovnice, které popisují šíření obálky pulzu ve struktuře. Přitom je použito tzv. „up-wind“ schéma vhodné pro parciální diferenciální rovnice popisující šíření vln. Druhá metoda vychází z první; rozdíl je v popisu vazby mezi dvěma vlnovody. Pokud se v první metodě uvažuje realistická vazba rozložená na určité délce, pak druhá metoda je založena na představě vazby nacházející se v jednom místě. Díky tomu je možné integrovat příslušné rovnice a dosáhnout výrazného urychlení výpočtu. Kvazianalytický charakter druhé metody umožňuje dále snadnou klasifikaci různých typu ustálených řešení. Vzhledem k těmto vlastnostem byla druhá metoda využita k výzkumu samovolné generace optických pulzu ve strukturách skládajících se z vázaných prstencových rezonátoru. Obě metody, které byly vyvinuty během této práce, představují rychlé a fyzikálně názorné alternativy k metodě FD-TD, a tak lze očekávat, že mohou hrát důležitou roli při výzkumu nelineárních vlnovodných struktur.
The demand for more effective data-storage and faster signal processing is growing with every day. That is why the attention of the scientists is focused on the all-optical devices, which can improve the above mentioned requirements. Microring optical resonators are among the state of art devices, that are under consideration. There is a variety of numerical techniques to simulate processes occurring while the optical signal propagates in the microring resonator structure. They differ in its calculation effectivity, used approximations and possibilities of application. The aim of this work was to develop two simple and practical numerical methods for simulation of pulse propagation in nonlinear waveguide structures. It was also demanded, that opposed to the commonly known and frequently used finite-difference time-domain (FD-TD) method, the newly developed techniques could be easily applicable for the study of nonlinear structures based on microring resonators. That is why developed methods use some approximations, namely the slowly varying envelope approximation. The methods advantage is high speed and low requirements of computational resources. Both techniques are based on observation that waveguide structures that use microring optical resonators can be considered as composed of single waveguides and waveguide couplers. The first numerical technique solves coupled partial differential equations, which describe pulse envelope propagation in the structure. This method uses the “up-wind” scheme, which is suitable for the partial differential equations that describe the wave propagation. The second developed technique is derived from the first one. The difference between methods is in the treatment of the coupling between two waveguides. If in the first method the coupling is considered as the real one, distributed on the given length, in the second method the coupling is considered to be concentrated in one point. Due to this approximation it is possible to integrate the appropriate equations and achieve significant increase of calculation speed. Quasianalytical character of the second method enables also easy identification of different types of steady-state solutions. Due to these properties the second method was used to study spontaneous generation of optical pulses in the structures, consisting of coupled ring resonators. Both methods, which were developed during this work, represent fast and physically illustrative alternatives to the FD-TD, so it can be expected that these methods can play an important role during the research of nonlinear waveguide structures.
The demand for more effective data-storage and faster signal processing is growing with every day. That is why the attention of the scientists is focused on the all-optical devices, which can improve the above mentioned requirements. Microring optical resonators are among the state of art devices, that are under consideration. There is a variety of numerical techniques to simulate processes occurring while the optical signal propagates in the microring resonator structure. They differ in its calculation effectivity, used approximations and possibilities of application. The aim of this work was to develop two simple and practical numerical methods for simulation of pulse propagation in nonlinear waveguide structures. It was also demanded, that opposed to the commonly known and frequently used finite-difference time-domain (FD-TD) method, the newly developed techniques could be easily applicable for the study of nonlinear structures based on microring resonators. That is why developed methods use some approximations, namely the slowly varying envelope approximation. The methods advantage is high speed and low requirements of computational resources. Both techniques are based on observation that waveguide structures that use microring optical resonators can be considered as composed of single waveguides and waveguide couplers. The first numerical technique solves coupled partial differential equations, which describe pulse envelope propagation in the structure. This method uses the “up-wind” scheme, which is suitable for the partial differential equations that describe the wave propagation. The second developed technique is derived from the first one. The difference between methods is in the treatment of the coupling between two waveguides. If in the first method the coupling is considered as the real one, distributed on the given length, in the second method the coupling is considered to be concentrated in one point. Due to this approximation it is possible to integrate the appropriate equations and achieve significant increase of calculation speed. Quasianalytical character of the second method enables also easy identification of different types of steady-state solutions. Due to these properties the second method was used to study spontaneous generation of optical pulses in the structures, consisting of coupled ring resonators. Both methods, which were developed during this work, represent fast and physically illustrative alternatives to the FD-TD, so it can be expected that these methods can play an important role during the research of nonlinear waveguide structures.
Description
Keywords
optické vlnovody, numerické modelování, integrovaná optika, prstencové rezonátory, vázané rezonanční struktury, teorie vázaných modu, nelineární optika, kerrovská nelinearita, bistabilita, samopulzace, chaos, optical waveguides, numerical modeling, integrated optics, ring resonators, coupled resonant structures, coupled mode theory, nonlinear optics, Kerr nonlinearity, bistability, self-pulsing, chaos
Citation
STERKHOVA, A. Modelling of Pulse Propagation in Nonlinear Photonic Structures [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2014.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. Ing. Jiří Švejcar, CSc. (předseda)
doc. Ing. Ivan Richter, Dr. (člen)
Mgr. Ota Samek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
Ing. Jan Ježek, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2014-04-04
Defence
Práce přináší nové poznatky a je přínosná jak pro vlastní pochopení studovaných jevů, tak i pro možné praktické aplikace. Výsledky připravují k rozvoji daného oboru na mezinárodní úrovni. Byly publikovány a již se dočkají citací ze zahraničí.
Teze je nutné doplnit českým shrnutím.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení