Efficient design of polymer micro-ring resonator filters based on coupled mode theory and finite difference mode solver

Kamalakis, Thomas; Alexandropoulos, Dimitris; Vainos, N.A.

doi:10.1016/j.optcom.2014.11.033

Cited by 5 publications

(4 citation statements)

References 21 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…Figure 1(b) depicts a structure consisting of N non-uniform coupled micro-ring resonators. The spacing between the waveguides and the adjacent rings as well as between consecutive rings determines the coupling coefficients κ i of the various coupling regions [8,22]. There are a total of N+1 coupling regions in the structure and κ 1 refers to the coupling coefficient between the input waveguide and the first ring, κ i for 2iN stand for the coupling coefficient between the (i − 1)th and the ith rings while κ Ν+1 is the coupling coefficient between the last ring and the output waveguide.…”

Section: Coupled Mode Equationsmentioning

confidence: 99%

“…Using reciprocity relations [9], it is possible to rigorously relate the amplitudes of the modes at the input and the output of each interaction region through the coupling coefficients. The coupling coefficients κ i are determined by the electric field profiles of the modes of the isolated waveguides and can be calculated approximately analytically assuming an effective index 2D approximation [8] or numerically using rigorous mode analysis and numerical integration of the modal field overlap near the coupling region [22].…”

Section: Coupled Mode Equationsmentioning

confidence: 99%

“…In FDFD, one usually runs into excessive memory requirements in order to store the system matrix corresponding to the structure at hand. Coupled-mode theory is much faster and accurate when compared with full-blown simulation tools [22]. Coupled-mode theory also forms the basis for the transfer matrix method [13] frequently adopted in multi-ring structures.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 2 more Smart Citations

Engineering the spectral properties of non-uniform coupled micro-ring resonator optical filters using numerical optimization

Dogkas¹,

Kamalakis²,

Kanakis³

et al. 2017

J. Opt.

View full text Add to dashboard Cite

We discuss a new approach for tailoring the spectral properties of coupled micro-ring resonator optical filters using numerical optimization methods. By allowing the micro-rings to have different radii, we obtain considerably lesser crosstalk in a wide frequency region, unlike the uniform ring case commonly found in literature, where the stop-band is limited by the periodic nature of the transfer function. We apply the coupled-mode approach for efficiently calculating the transfer function at each optimization step, scalable to an arbitrary number of rings. Using standard minimization methods we obtain transfer functions with relatively flat pass-band and small cross-talk depending on the number of rings considered in the design. Our technique may open up new paths for designing and implementing compact optical filters with tailored spectral properties.

show abstract

Section: Coupled Mode Equationsmentioning

confidence: 99%

Section: Coupled Mode Equationsmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Engineering the spectral properties of non-uniform coupled micro-ring resonator optical filters using numerical optimization

Dogkas¹,

Kamalakis²,

Kanakis³

et al. 2017

J. Opt.

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…This is why, the CMT framework is used throughout this thesis as a basis for the calculation of the transfer function. It is interesting to note that evidence in the literature [110] suggests that FDTD and coupled mode analysis agree very well for the coupling region of the ring even if a full-blown 3D model is assumed.…”

Section: Fdtd In Mr Structuresmentioning

confidence: 94%

Modeling and design of coupled racetrack and microring structures for telecommunication and sensing applications

Dogkas¹,

Δόγκας²

View full text Add to dashboard Cite

Σκοπός της Διδακτορικής αυτής διατριβής είναι η παρουσίαση μεθόδων βέλτιστης σχεδίασης διατάξεων συντονιστών μικροδακτυλίων αλλά και συντονιστών τύπου racetrack με στόχο τη χρήση τους σε εφαρμογές οπτικών φίλτρων και οπτικών αισθητήρων αντίστοιχα. Με τη χρήση απλοποιήσεων και προσεγγίσεων στα μαθηματικά μοντέλα που ήδη εφαρμόζονται στη βιβλιογραφία και συγκεκριμένα της εναλλακτικής μορφής της μεθόδου coupled mode theory (CMT), την transfer matrix method (ΤΜΜ), καταλήξαμε σε μορφές των συναρτήσεων μεταφοράς οι οποίες είναι ευκολότερα χρησιμοποιήσιμες, κερδίζοντας έτσι πόρους και χρόνο συγκριτικά με τα ήδη υπάρχοντα μοντέλα της βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε έναν μαθηματικό τύπο τον οποίο υπολογίσαμε, ως μέτρο ποιότητας (figure of merit) της διάταξής μας, διαφορετικό για κάθε τύπο διάταξης, ώστε να καταλήξουμε στη βέλτιστη σχεδίαση της διάταξής μας. To figure of merit είναι μιά παράμετρος η τιμή της οποίας είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ποιότητα της διάταξής μας, δηλαδή μια τιμή την οποία θέλουμε ιδανικά να μηδενίσουμε. Αρχικά για την περίπτωση της σχεδίασης της βέλτιστης διάταξης συντονιστών μικροδακτυλίου για χρήση σε εφαρμογές οπτικών φίλτρων, λόγω του αυξημένου αριθμού των παραμέτρων εισόδου του μοντέλου μας, κάναμε χρήση μεθόδου βελτιστοποίησης με βάση τον αλγόριθμο interior point, ο οποίος μετατρέπει το αρχικό πρόβλημα της ελαχιστοποίησης της τιμής του figure of merit σε μια σειρά παρεμφερών προβλημάτων ελαχιστοποίησης τα οποία βασίζονται μόνο σε ισότητες και άλλους περιορισμούς. Τέτοιου είδους προβλήματα λύνονται ευκολότερα με τη χρήση μεθόδων όπως της conjugate gradient κλπ, η ανάλυση των οποίων δεν περιλαμβάνεται στους σκοπούς της παρούσας διατριβής. Το figure of merit που επιλέξαμε στην περίπτωση αυτήν ήταν ανάλογο της διαφοράς της συνάρτησης μεταφοράς της διάταξής μας από μια Gaussian συνάρτηση έκτου βαθμού, η οποία θεωρείται ιδανική συνάρτηση μεταφοράς για χρήση σε φίλτρα. Αντίθετα, στην περίπτωση της σχεδίασης της βέλτιστης διάταξης συντονιστών τύπου racetrack για χρήση σε εφαρμογές οπτικών αισθητήρων, όπου οι παράμετροι εισόδου του μοντέλου μας είναι περιορισμένες σε αριθμό, επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε τη μέθοδο της εξαντλητικής αναζήτησης, ελέγχοντας ταυτόχρονα αν ικανοποιούνται κάποιοι περιορισμοί που θέσαμε αρχικά. Με τη διαδικασία αυτήν, εφόσον ικανοποιούνται οι περιορισμοί, υπολογίζουμε για κάθε συνδυασμό τιμών την τιμή του figure of merit και αποθηκεύουμε τις τιμές αυτές. Κατά την ολοκλήρωση της εξαντλητικής αναζήτησης κρατάμε εκείνον τον συνδυασμό τιμών παραμέτρων, για τις οποίες υπολογίσαμε την ελάχιστη τιμή για το figure of merit, το οποίο στην περίπτωση αυτή είναι ανάλογο με το εύρος συχνοτήτων της περιοχής ανίχνευσης. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονίσουμε ότι και στις δύο παραπάνω περιπτώσεις το εύρος των τιμών των παραμέτρων εισόδου των μοντέλων μας επιλέχθηκε με τέτοιον τρόπο ώστε να είναι δυνατή η υλοποίηση της υπολογιζόμενης διάταξης με βάση τα υλικά και τις κατασκευαστικές μεθόδους που υφίστανται σήμερα. Ακόμα και αν τα παραπάνω αλλάξουν στο μέλλον, με την ανακάλυψη νέων υλικών και μεθόδων, το μοντέλο μας μπορεί να τα υποστηρίξει απλά μεταβάλλοντας το εύρος των τιμών των παραμέτρων εισόδου. Μετά το πέρας των υπολογισμών μας, καταλήξαμε σε διατάξεις οπτικών φίλτρων και οπτικών αισθητήρων με βελτιωμένα χαρακτηριστικά σε σχέση με τα υπάρχοντα στη βιβλιογραφία, τα οποία μπορούν να υλοποιηθούν χρησιμοποιώντας τα υλικά και τις κατασκευαστικές μεθόδους που διατίθενται στις μέρες μας.

show abstract

Engineering the spectral properties of Fano-type resonances in active racetrack-waveguide coupled structures

Dogkas

Kamalakis

Alexandropoulos

2019

Optics Communications

View full text Add to dashboard Cite

Efficient design of polymer micro-ring resonator filters based on coupled mode theory and finite difference mode solver

Cited by 5 publications

References 21 publications

Engineering the spectral properties of non-uniform coupled micro-ring resonator optical filters using numerical optimization

Engineering the spectral properties of non-uniform coupled micro-ring resonator optical filters using numerical optimization

Modeling and design of coupled racetrack and microring structures for telecommunication and sensing applications

Engineering the spectral properties of Fano-type resonances in active racetrack-waveguide coupled structures

Contact Info

Product

Resources

About