Lichtausbreitung in einstellbaren Mikroringresonatoren

Light propagation in tunable microring resonators

  • Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Lichtausbreitung in einstellbaren Mikroringresonatoren. Mikroringresonatoren sind Mikrostrukturen mit mindestens einer geschlossenen Wellenleiterstruktur und einem geraden Wellenleiter (Buswellenleiter). Auf Grund des Resonatoraufbaus besitzen Ringresonatoren die Eigenschaft Licht entsprechend der Wellenlänge zu filtern. Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines einstellbaren optischen Mikroringresonators in Vernier-Anordnung. Die Vernier-Anordnung zeichnet sich durch einen seriellen Aufbau von mindestens zwei Ringen mit einer geringen Radiusdifferenz aus. Der daraus resultierende Vernier-Effekt verursacht eine Vergrößerung des Abstandes der einzelnen Peaks im Resonanz-spektrum. Dieser Effekt kann im Fall eines einstellbaren Mikroringresonators für die Vergrößerung des Einstellbereiches genutzt werden. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen Mikroringresonator mit elektro-optischen Kern kann eine feldabhängige Variation des Brechungsindex erreicht werden. Somit ist eine Veränderung der Resonanzfrequenz des Ringes, Frequenzabstimmung, realisierbar. In dieser Arbeit besteht der Wellenleiterkern aus einem thermotropen Flüssigkristall. Simulationen der Designparametern wie Ringradien und Koppelbereichbreiten konnten mittels Transfermatrixmethode und Finite-Elemente-Methode (FEM) für Mikroringresonatoren in Vernier-Anordnung durchgeführt werden. Die Resultate zeigten, dass Mikroringresonatoren mit zwei bis vier Ringen optimale Filtereigenschaften besitzen. Die Herstellung des optischen Bauteils erfolgt mit Standardprozessen der Siliziumtechnologie. In dieser Arbeit wurden die Lithographiemasken unter Berücksichtigung der simulierten Designparameter entworfen. Die Lithographiemasken beinhalten zusätzliche Strukturen die relevant für ein optimiertes Montagekonzept von flüssigkristallbefüllten Wellenleiter sind. Eine Verschiebung der Resonanzfrequenz, auf Grund der Änderung des Brechungsindexes des Wellenleitermaterials, konnte experimental an Einringresonatoren nachgewiesen werden. Als oberer Wellenleitermantel wurden unterschiedlichen Flüssigkeiten eingesetzt.
  • This research deals with light propagation in tunable microring resonators. Microring resonators are microstructures with at least one closed waveguide structure and one straight waveguide. Because of their resonator-like design, ring resonators have the property to filter light at their resonance frequency. The goal of this work is the theoretical study of tunable optical microring resonators in a Vernier arrangement. A Vernier arrangement represents a serial connection of at least two rings with a small ring radius difference. The Vernier effect causes an increase in the distance between the individual peaks in the resonance spectrum (free spectral range FSR). In the particular case of tunable microring resonators, this effect can be used to increase the tuning range. By applying an electrical field on a microring resonator with an electro-optical core a field-dependent variation of the refractive index could be achieved. Thus a variation of the resonance frequency of the ring, i.e. frequency tuning, can be realized. In this work the core is made of a thermotropic liquid crystal. Simulations of the design parameters such as ring radii and coupling coefficients were carried out by means of the transfer matrix method and finite elements method (FEM) for micro ring resonators in Vernier arrangement. The results showed that microring resonators with two up to four rings have optimal filtering characteristic. The device manufacturing is carried out using standard silicon technology processes. In this work the lithography masks for microring resonators were designed taking into consideration the simulated design parameters. Additionally, the lithography masks also included structures relevant for an optimized assembly of liquid-filled waveguide. A shift in the resonance frequency due to a change in the refractive index of the waveguide material could first be proved experimentally on single microring resonators with various liquids as upper cladding.

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Metadaten
Author:Anja Martin
Advisor:Peter HartmannGND, Florenta CostacheGND
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Name:Fraunhofer Institut für Potonische Mikrosysteme
Maria-Reiche-Str. 2 01109 Dresden Telefon: +49 351 88 23-0 Fax: +49 351 88 23-266, 01109 Dresden
Date of Publication (online):2018/02/22
Year of first Publication:2016
Publishing Institution:Westsächsische Hochschule Zwickau
Date of final exam:2016/02/01
Tag:Mikroringresonatoren
GND Keyword:Integrierte Optik; Mikrooptik
Page Number:84 Seiten, 61 Abb., 10 Tab., 36 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik
Release Date:2018/02/22