Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

Lasers & Integrated Optics - ENG5298

ASSIGNMENT ON INTEGRATED PHOTONICS - 2023

Mach-Zehnder Interferometers and Microring Resonators

1)   Consider a Mach-Zehnder Interferometer (MZI) fabricated on a silicon-on-insulator photonic chip operating at a wavelength λ=1500 nm. The waveguides have an effective index neff=3, and the two interferometer arms have equal length L1=L2=0.5 mm (a top-view schematic of the MZI is shown below).

a)    Calculate the optical  length of the  MZI arms (the optical length is defined as the product between the geometrical length and the effective refractive indexof the waveguide).

b)   The effective indexof arm 1 is linearly increased by 1% by locally heating the waveguide (i.e. neff  in arm 1 varies from 3.00 to 3.03). Plot the output intensities of output 1 and output 2 as a function of the change in neff when a constant optical signal is injected from input 1.

c)    To increase the sensitivity of the MZI, the arm lengths are increased by folding the waveguides into a spiral geometry (see top-view below). If the effective index in arm 1 is changed by 0.01%, calculate the minimum arm length that gives a phase difference between the arms of Δψ = π .

d)   The MZI design is now changed into an asymmetric geometry, in which L1   is kept at 0.5 mm and L2  is increased to 5mm. Plot the optical intensities of output 1 and output 2 when the wavelength of the input 1 signal is swept from 1500 nm to 1501 nm. Briefly discuss a possible application of this device.

2)   The intensity transmission of a micro-ring resonator connected to a single bus waveguide is given by the following equation:

Where k=neff2π/λ is the wavevector, ris the self-coupling field coefficient,Y is the single-pass field amplitude transmission given by Y2  = e−aLT , Care the waveguide losses, Lr=2π*R is the cavity roundtrip and R is the cavity radius.

a.    Calculate  the Free-Spectral Range  (FSR) of a  resonator operating at a wavelength λ0=1550 nm with radius R=10 μm, losses C=3 cm-1, a self-coupling field coefficient r=0.9, and effective index neff=3.5 (assume ng=neff).

b.    Using the resonator parameters defined in section a) and a self-coupling field coefficient r=0.9, plot the intensity transmission as a function of the wavelength over a few spectral ranges. Consider a centre wavelength λ0=1550 nm for your plot.

c.    Using the resonator parameters defined in section a), plot the intensity transmission at resonance over the range of self-coupling field coefficients r=0.98 - 0.995 with increments Δr= 0.001.

d.    Calculate the single-pass field amplitude transmission Y and discuss the  results of section c) for r<Y,  r= Y and  r> Y.