Dispersion tailoring in both integrated photonics and fiber-optic based devices

Abstract

[EN] This Thesis focuses on the study, implementation and characterization of chromatic dispersion tailoring employing both optical fiber and photonic integrated waveguides. Chromatic dispersion causes that the different spectral components of an optical pulse travel at different velocities. This effect can be separated into two different fundamental contributions, material dispersion and waveguide dispersion. Chromatic dispersion can be tailored through the design of the structural parameters of the device in order to obtain specific characteristics in the resulting dispersion profile such as low values of dispersion and/or zero dispersion at a desired wavelength, for example. This approach is very useful in dispersion-dependent applications. In this PhD, we investigate chromatic dispersion tailoring in two different transmission mediums, photonic integrated waveguides and optical fiber.

In the first case, two different geometries of Silicon-on-Insulator (SOI) integrated waveguides, strip and slot, are considered. By varying structural parameters such as the cross-section, aspect ratio or fill factor, different chromatic dispersion profiles are obtained. In addition, the influence of the slot location is evaluated. This study is carried out using simulation software in order to obtain the effective refractive index profile as a function of wavelength, which is later differentiated to obtain the final dispersion values. Besides, chromatic dispersion in both waveguide geometries is experimentally measured using an interferometer technique.

In the second case, the chromatic dispersion present in a tapered fiber is studied. A tapered fiber consists of a narrow waist located between two transition regions and it allows the modification of the conventional propagation conditions due to the interference between the modes propagating through the waist. This interference between modes creates a transmission pattern which depends on the waist length and the effective refractive indexes of the modes travelling through the waist. By applying stress to the tapered fiber its interference pattern can be modified. Chromatic dispersion profile of tapered fibers is obtained, tailored and compared with the dispersion profile of conventional single-mode fibers.

[ES] Esta Tesis se centra en el estudio, implementación y caracterización del control de la dispersión cromática empleando tanto fibra óptica como guías integradas fotónicas. La dispersión cromática provoca que las distintas componentes espectrales asociadas con el pulso óptico viajen a diferentes velocidades. Este efecto puede ser dividido en sus dos contribuciones fundamentales, la dispersión del material y la dispersión de la guía. La dispersión cromática puede ser controlada a través del diseño de los parámetros estructurales del dispositivo para poder obtener así determinadas características en el perfil de dispersión resultante como por ejemplo bajos valores o localización de la longitud de onda de dispersión cero en una longitud de onda deseada. Este método es muy útil en aplicaciones dependientes de la dispersión. En esta Tesis, investigamos el control de la dispersión cromática en dos medios de transmisión diferentes, las guías fotónicas integradas y la fibra óptica.

En el primer caso, se consideran dos geometrías diferentes de guías integradas en silicio, las guías convencionales y las guías ranuradas. Mediante la modificación de los parámetros estructurales como la sección transversal de la guía, su relación de aspecto o el factor de llenado, se obtienen diferentes perfiles de dispersión cromática. Además, se evalúa la influencia de la situación de la ranura. Mediante software de simulación, se obtiene el perfil de índice de refracción efectivo en función de la longitud de onda, que posteriormente se deriva y se obtiene el valor de la dispersión. Asimismo, se mide experimentalmente la dispersión en ambas geometrías utilizando una técnica interferométrica.

En el segundo caso, se analiza la dispersión cromática que presenta una fibra de tipo taper. Esta geometría consiste en una cintura estrecha situada entre dos regiones de transición y permite la modificación de las condiciones de propagación convencionales debido a la interferencia entre los modos que se propagan por la cintura, que crea un patrón de transmisión dependiente de la longitud de la cintura y de los índices efectivos de los modos. Aplicando tensión sobre la fibra, su patrón de interferencia puede ser modificado. La dispersión cromática de las fibras taper se obtiene, se modifica y se compara con el perfil de dispersión de una fibra convencional.

[CA] La tesi a exposar se centra en l'estudi, implementació i caracterització del control de la dispersió cromàtica empleant la fibra òptica i les guies integrades fotòniques. La dispersió cromàtica provoca que els distints components espectrals associats amb la pols òptica viatgen a diferents velocitats. Aquest pot dividir-se en les dos contribucions fonamentals corresponents: la dispersió del material i la dispersió de la guia. La dispersió cromàtica pot controlar-se a través del disseny dels paràmetres estructurals del dispositiu per poder obtindre aixi determinades característiques en el perfil de dispersió resultant, com per exemple, baixos valors o localizació de la longitud d'ona de dispersió zero a una longitud d'ona desitjada. No obstant això, aquest mètode és molt útil en aplicacions depenents de la dispersió. A més a més, investiguem el control de dispersió cromàtica en dos mitjans de transmissió diferents, les guies fotòniques integrades i la fibra òptica.

D'una banda, es consideren dos geometries diferents de guies integrades en silici, les guies convencionals i les ranurades. Mitjançant la modificació dels paràmetres estructurals com la secció transversal de la guia, la relació d'apecte o el factor d'ompliment, obtenim diferents perfils de dispersió cromàtica. Fins i tot, s'avalua la influència de la situació de la ranura. Mitjançant el programari de simulació, obtenim el perfil d'índex de refracció efectiu en funció de la longitud d'ona, que posteriorment es derivarà i s'obrindrà el valor de la dispersió. Tanmateix, es mesura experimentalment la dispersió en les dos geometries utilitzant una tècnica interferomètrica.

D'altra banda, analitzam la dispersió cromàtica que presenta una fibra de tipus taper. Aquesta consisteix en una cintura estreta situada entre dos regions de transició que, ens permet la modificació de les condicions de propagació convencional com a causa d'una interferència entre els modes que es propaguen per la cintura i els índex efectius dels modes. Si apliquem tensió sobre la fibra, el seu patró d'interferència podria ser modificat. La dispersió d'una fibra cromàtica de les fibres taper s'obté, es modific i es compara amb el perfil de dispersió d'una fibra convencional.