InP-based polarisation independent wavelength demultiplexers

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viii Contents 3 Polarisation conversion in waveguide bends 35 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2 Computational methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.1 Effective index method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.2 Method of lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.3 Finite element method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.4 Conformal transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Attenuation in bends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4 Tilting of the modal polarisation plane in bends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.5 Polarisation dispersion in bends. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.6 Polarisation conversion at junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7 A compact polarisation converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.8 Tolerance analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.8.1 Layer thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.8.2 Waveguide width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.9 Avoiding polarisation conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4 Polarisation independent PHASAR demultiplexers based on nonbirefringent waveguides 63 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2 Nonbirefringent waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.1 The embedded square waveguide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2.2 The raised-strip waveguide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3 Loss reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4 Ghost images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.4.1 Ghost image mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.4.2 Verification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4.3 Junction optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.4.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.5 Demultiplexer integrated with detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5 Polarisation independent PHASAR demultiplexers based on birefringent waveguides 83 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2 Polarisation dispersion compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.2.1 Production tolerance analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.2.2 Coupling between array waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.2.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3 Polarisation conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.3.1 Cross talk tolerance analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Contents ix 5.4 Polarisation splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.4.1 Cross talk tolerance analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6 MMI-based components 97 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.2 MMI-MZI demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.2.1 Operation principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.2.2 Tolerance analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.3 Spatial mode filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.3.1 Operation principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.3.2 Tolerance analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.3.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.4 Optical imaging of MMI patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.4.1 Upconversion mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.4.2 Measurement principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.4.3 MMI-coupler simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6.4.4 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7 Discussion and conclusions 127 A Overview of phased-array demultiplexers produced 129 B Dispersion of the phased array 133 C Waveguide mode effective width 135 D Cross talk penalty of the tunable laser 137 D.1 Measurement with a tunable laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 D.2 Measurement with an EDFA as source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 D.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 E Excitation coefficient of the first-order mode 141 F Phase correction in MMI-MZI demultiplexers 143 References 145 List of symbols and acronyms 157
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132 Appendix A. Overview of phased-
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134 Appendix B. Dispersion of the p
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136 Appendix C. Waveguide mode effe
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140 Appendix D. Cross talk penalty
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142 Appendix E. Excitation coeffici
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144 Appendix F. Phase correction in
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146 References M.A. Koza, R. Bhat,
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