[論文レビュー] Design of the photonic crystal demultiplexers for ultra-short optical pulses using the gap-maps analysis

Igor A. Sukhoivanov, Igor V. Guryev+5 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2007

Photonic Crystals and Applications参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、完全なフォトニックバンドギャップギャップマップ解析を用いて、超短パルスに最適化されたフォトニッククリスタルデマルチプレクサの新規設計手法を提案する。ギャップマップの可視化を活用することで、効率的な波長分割多重を実現するためのデバイスパラメータの正確な選定が可能となり、1.31 μmおよび1.55 μmにおける50 fsパルスの分離を、高いスペクトル的・時間的忠実性を維持して実現した。

ABSTRACT

In the work, the new method for the design of the wavelength division multiplexer on the basis of 2D photonic crystal integrated circuit for the ultra-short pulses channel separation is proposed and investigated. The method is based on the analysis of full photonic bandgap maps that allows defining the ultra-short pulse demultiplexer parameters selection. For the method approbation, there was synthesized the device in which the wideband filters are used for the channel separation. As it was expected, the device effectively separates 50 fs pulse channels with 1.31 and 1.55 microns wavelengths. The obtained spectral characteristics and pulse pattern responses validate the efficiency of the proposed method and the applicability of such devices to the integrated photonic information processing circuits.

研究の動機と目的

• 超短パルスに最適化されたフォトニッククリスタルベースの波長分割多重器の体系的設計手法の開発を目的とする。
• 超高速光通信システムにおけるチャネル分離時にスペクトル的および時間的整合性を維持するという課題に対処することを目的とする。
• 包括的なフォトニックバンドギャップ解析を用いて、デマルチプレクサ部品のパラメータを正確に選定可能にする。
• 広帯域フィルタを統合した機能的デバイスの設計とシミュレーションを通じて、この手法の妥当性を検証することを目的とする。
• この手法が統合フォトリック情報処理回路への応用可能性を示すこと

提案手法

• 本手法は、2次元フォトニッククリスタル構造の分散および透過特性を分析するために、完全なフォトニックバンドギャップマップ（ギャップマップ）を用いる。
• ギャップマップを用いて、特定の波長に対して広帯域のストップバンドと低クロストークを実現するための最適な幾何学的および材料的パラメータを同定する。
• 設計プロセスでは、1.31 μmおよび1.55 μmのパルスチャネルの効率的分離を可能にするために、広帯域フィルタをフォトニッククリスタル回路に統合する。
• デバイスは、超短パルス励起下でのスペクトル応答および時間的パルス形状の保持を評価するためにシミュレーションされる。
• ギャップマップ分析を根拠としたパラメータ最適化により、透過効率を最大化し、パルスの広がりを最小限に抑える。
• 本手法は、超高速光信号処理に求められる厳密な要件を満たすために、構造的配置の体系的探索を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニックバンドギャップマップは、超短パルス用フォトニッククリスタルデマルチプレクサの設計を効果的に導くためにどのように活用できるか？
• RQ2 2次元フォトニッククリスタルにおけるどの構造的パラメータが、1.31 μmおよび1.55 μmにおける50 fsパルスの効率的分離を可能にするか？
• RQ3 従来の手法と比較して、ギャップマップ解析はデマルチプレクサ設計の予測可能性および精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 フォトニッククリスタル回路に統合された広帯域フィルタは、超短パルスの時間的忠実性を維持できるか？
• RQ5 設計されたデマルチプレクサの性能は、スペクトル選択性およびパルス形状保持性の観点でどの程度か？

主な発見

• ギャップマップに基づく設計手法により、超短パルスに最適化されたパラメータを有するフォトニッククリスタルデマルチプレクサの合成に成功した。
• 実装されたデバイスは、1.31 μmおよび1.55 μmの波長における50 fs光パルスの分離を、歪みを最小限に抑えて効果的に行った。
• スペクトル応答解析により、2つのチャネル波長間の高い選択性と低クロストークが確認された。
• パルスパターン応答測定により、出力パルスの時間的整合性が検証され、広がりや歪みが最小限に抑えられていることが確認された。
• 本手法は、より大規模なフォトリック情報処理回路への統合に対しても、強固でスケーラブルであることが示された。
• 結果から、ギャップマップを用いた高機能フォトニッククリスタル素子の設計が、超高速光学分野において実現可能かつ効率的であることが確認された。