Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

Аннотации (05.2021) : МОДУЛЯТОР МАХА–ЦЕНДЕРА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ДИСПЕРСИЮ В ПЛАЗМЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СУЖЕННОМ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ

МОДУЛЯТОР МАХА–ЦЕНДЕРА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ДИСПЕРСИЮ В ПЛАЗМЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СУЖЕННОМ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ

 

© 2021 г. Yuchen Hu, Heming Chen, Tong Xiang

Запрос на высокоскоростные интегрированные коммуникационные системы велик, поэтому создание широкополосных и обладающих малыми потерями электрооптических модуляторов является необходимостью. Предложен модулятор на основе интерферометра Маха–Цендера, использующего фотонный кристалл. Для подавления потерь на отражение на углах сконструирован и оптимизирован изогнутый фотонно-кристаллический волновод. Параметры модулятора определены с использованием трехмерного метода конечных разностей во временнóй области. Численное моделирование показало, что вносимые потери и коэффициент подавления на рабочей длине волны 1550 нм составляют соответственно 0,22 и 15,2 дБ. Полоса пропускания по уровню 3 дБ может достигать 72 ГГц. Имея преимущество малого размера (47,8ґ11,6ґ0,22 мкм), разработанный модулятор может быть использован в оптических интегральных системах.

Ключевые слова: фотонные кристаллы, модуляторы, многомодовая интерференционная связь, оптика

 

Mach–Zehnder modulator based on tapered waveguide and carrier plasma dispersion in photonic crystal

© 2021    Y. C. Hu, student; H. M. Chen, Prof; T. Xiang, postgraduate student

Department of Opto-Electronics, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing, China

E-mail: chhm@njupt.edu.cn

УДК 535;681.7

Submitted 03.10.2020

DOI:10.17586/1023-5086-2021-88-05-23-35

Electro-optic modulators with wide bandwidth and low loss are necessary as the demand for high-speed integrated communication systems increases. We propose a Mach–Zehnder modulator based on photonic crystal. A tapered structure based on photonic crystal is introduced to suppress the cascading loss between the nanowire waveguide and photonic crystal waveguide at input and output. We designed and optimized a photonic crystal bent waveguide to reduce the reflection loss at each corner. The parameters of the Mach–Zehnder modulator are calculated using the three-dimensional finite-difference time-domain method. The numerical results show that the insertion loss and extinction ratio at the operating wavelength of 1550 nm are 0.22 and 15.2 dB respectively. The 3 dB bandwidth can reach up to 72 GHz. This Mach–Zehnder modulator has the advantages of low loss and small size (47.8ґ11.6ґ0.22 µm), which can be applied in photonic integrated systems.

Keywords: photonic crystal, modulator, multimode interference coupling, optics.

OCIS codes: 130.3120, 130.5296, 130.4110

 

REFERENCES

1.    Reed G.T., Mashanovich G., Gardes F.Y., et al. Silicon optical modulators // Nat. Photonics. 2010. V. 4. P. 518–526.

2.   Bahrami H., Sepehrian H., Park C.S., et al. Time-domain large-signal modeling of traveling-wave modulators on SOI // J. Lightwave Technol. 2016. V. 34. P. 2812–2823.

3.   Qi N., Xiao X., Hu S., et al. Co-design and demonstration of a 25-Gb/s silicon-photonic Mach–Zehnder modulator with a CMOS-based high-swing driver // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2016. V. 22. P. 131–140.

4.   Zhou Y.Y., Zhou L.J., Zhu H.K., et al. Modeling and optimization of a single-drive push-pull silicon Mach–Zehnder modulator // Photonics Res. 2016. V. 4. P. 153–161.

5.   Sato H., Miura H., Qiu F., et al. Low driving voltage 5. Mach–Zehnder interference modulator constructed from an electro-optic polymer on ultra-thin silicon with a broadband operation // Opt. Exp. 2017. V. 25. P. 768–775.

6.   Hinakura Y., Terada Y., Tamura T., et al. Wide spectral characteristics of Si photonic crystal Mach–Zehnder modulator fabricated by complementary metal-oxide-semiconductor process // Photonics Res. 2016. V. 3. P. 17.

7.    Nguyen H.C., Yazawa N., Hashimoto S., et al. Sub-100 µm photonic crystal Si optical modulators: Spectral, athermal, and high-speed performance // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2013. V. 19. P. 127–137.

8.   Notomi M., Yamada K., Shinya A., et al. Extremely large group-velocity dispersion of line-defect waveguides in photonic crystal slabs // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 253902.

9.   Terada Y., Ito H., Nguyen H.C., et al. Theoretical and experimental investigation of low-voltage and low-loss 25-Gbps Si photonic crystal slow light Mach–Zehnder modulators with interleaved p/n junction // Front Phys. 2014. V. 2. P. 61.

10. Terada Y., Kondo K., Abe R., et al. Full C-band Si photonic crystal waveguide modulator // Opt. Lett. 2017. V. 42. P. 5110–5112.

11.  Terada Y., Tatebe T., Hinakura Y., et al. Si photonic crystal slow-light modulators with periodic p-n junctions // J. Lightwave Technol. 2017. V. 35. P. 1684–1692.

12.  Baba T., Nguyen H.C., Yazawa N., et al. Slow-light Mach–Zehnder modulators based on Si photonic crystals // Sci. Technol. Adv. Mater. 2014. V. 15. P. 024602.

13.  Stárek R., Miková M., Straka I., et al. Experimental realization of SWAP operation on hyper-encoded qubits // Opt. Exp. 2018. V. 26. P. 8443–8452.

14.  Lalanne P., Talneau A. Modal conversion with artificial materials for photonic-crystal waveguides // Opt. Exp. 2002. V. 10. P. 354–359.

15.  Khoo E.H., Liu A.Q., Zhang X.M., et al. Exact step-coupling theory for mode-coupling behavior in geometrical variation photonic crystal waveguides // Phys. Rev. B. 2009. V. 80 P. 035101.

16.  Talneau A., Agio M., Soukoulis C.M., et al. High-bandwidth transmission of an efficient photonic-crystal mode converter // Opt. Lett. 2004. V. 29. P. 1745–1747.

17.  Hu Y.C., Chen H.M., Zhou T.H. Mach–Zehnder modulator based on photonic crystal and nanowire waveguide // J. Infrared Millimeter Waves. 2019. V. 38. P. 499–507.

18. Tucker R.S., Ku P.C., Chang-Hasnain C.J. Slow-light optical buffers: Capabilities and fundamental limitations // J. Lightwave Technol. 2005. V. 23. P. 4046–4066.

19.  Khurgin J.B. Optical buffers based on slow light in electromagnetically induced transparent media and coupled resonator structures: Comparative analysis // JOSA B. 2005. V. 22. P. 1062–1074.

20. Miller D.A.B. Fundamental limit to linear one-dimensional slow light structures // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99. P. 203903.

21.  Soref R.A., Bennett B.R. Electrooptical effects in silicon // IEEE J. Quantum Electron. 1987. V. 23. P. 123–129.

22. Yu T.B., Jiang X.Q., Yang J.Y., et al. Self-imaging effect of TM modes in photonic crystal multimode waveguides only exhibiting band gaps for TE modes // Phys. Lett. A. 2007. V. 369. P. 167–171.

23. Qi B., Ping Y., Li Y., et al. Ultracompact electrooptic silicon modulator with horizontal photonic crystal slotted slab // IEEE Photonics Technol. Lett. 2010. V. 22. P. 724–726.

24. Lavrinenko A., Borel P., et al. Comprehensive FDTD modelling of photonic crystal waveguide components // Opt. Exp. 2004. V. 12(2). P. 234–48.

25. Sorace-Agaskar C., Leu J., Watts M.R., et al. Electro-optical co-simulation for integrated CMOS photonic circuits with VerilogA // Opt. Exp. 2015. V. 23(21). P. 27180.

26. Peter E., Thomas A., Dhawan A., et al. Active microring based tunable optical power splitters // Opt. Commun. 2016. V. 359. P. 311–315.

27. Hendrickson J., Soref R., Sweet J., et al. Ultrasensitive silicon photonic-crystal nanobeam electro-optical modulator: Design and simulation // Opt. Exp. 2014. V. 22(3). P. 3271.

28. Mcguire D., Liu A. Modeling active silicon photonics components // Integrated Photonics Research. Silicon & Nanophotonics. 2013. OSA Technical Digest (online). P. IM2B.2.

29. Arjmand A., Mcguire D. Complete optoelectronic simulation of patterned silicon solar cells // Internat. Conf. Numerical Simulation of Optoelectronic Devices. IEEE, 2014.

30. Hendrickson J.R., Richard S., Ricky G. Improved 2ґ2 Mach–Zehnder switching using coupled-resonator photonic-crystal nanobeams // Opt. Lett. 2018. V. 43(2). P. 287.

31.  Sarra B., Ameur Z. Improved sensitivity of 2D photonic crystal Mach–Zehnder interferometer-based pressure sensor // Plasmonics. 2018. V. 13(3). DOI: 10.1007/s11468-017-0525-1.

32. Nikoufard M., Amadeh S. InP-based photonic crystal electro-optic modulator // Optik – Internat. J. Light and Electron Optics. 2015. V. 126(19). P. 2219–2222.

33. Rao S., Casalino M., Coppola G., et al. Design of amorphous silicon photonic crystal-based M–Z modulator operating at 1.55 µm // Internat. Conf. Photonics. IEEE, 2016.

34. Jain S., Rajput S., Kaushik V., et al. High speed optical modulator based on silicon slotted-rib waveguide // Opt. Commun. 2019. V. 434. P. 49–53.

35.      Hinakura Y., Terada Y., Arai H., et al. Electro-optic phase matching in a Si photonic crystal slow light modulator using meander-line electrodes // Opt. Exp. 2018. V. 26(9). P. 11538.

 

Полный текст