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Polarization management : an efficient polarization rotator splitter on silicon-on-insulator platform

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2018
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Ce mémoire vise à étudier la gestion de la polarisation et est axé sur la conception, la simulation et la fabrication d'un rotateur séparateur de polarisation (PSR) sur des plates-formes en silicium en utilisant une structure combinant un cône adiabatique à deux niveaux et un coupleur adiabatique. Après une introduction sur les systèmes de communication optique, spécifiquement sur les systèmes photoniques intégrés, nous introduisons le silicium sur isolateur (SOI) comme plateforme la plus attrayante pour notre circuit photonique intégré. Bien que la propriété intrinsèque de contraste élevé de SOI entraîne la petite taille de la puce, cette propriété entraîne également une forte dépendance de polarisation pour les dispositifs silicium photoniques (SiP). Pour résoudre le problème et supprimer cette dépendance, des circuits de diversité de polarisation ont été proposés et il est important de traiter la gestion de la polarisation sur la puce. Dans ce mémoire, le principe général de fonctionnement de la gestion de la polarisation est étudié en profondeur. Comme la rotation de polarisation est la fonction la plus importante de la gestion de la polarisation, nous nous concentrons sur les principes de base de la rotation de polarisation dans un dispositif à section unique. Nous discutons également de différents types de rotateurs de polarisation et donnons une introduction à l'évolution historique des rotateurs de polarisation. Enfin, les séparateurs de polarisation sont présentés comme le deuxième élément important dans la gestion de la polarisation, et différents types de séparateurs de polarisation sont présentés. Pour gérer efficacement la polarisation, il est essentiel de développer un PSR haute performance. Par conséquent, nous introduisons une structure efficace qui est basée sur la conversion de mode TM0-TE1 dans une conicité (taper) à deux niveaux sur SOI. Nous expliquons et motivons ce choix. Ensuite, nous décrivons la modélisation avec le logiciel Lumerical Finite Difference Time Domain (FDTD) ; les résultats de la simulation fournissent l'évolution des profils d'intensité des modes le long du dispositif. Par la suite, nous présentons les détails de la disposition sur la carte (layout) pour la fabrication et la caractérisation éventuelle des conceptions utilisant des coupleurs de bordure (edge couplers), ainsi que des conceptions utilisant des coupleurs à réseau (grating couplers). Pour évaluer la performance du PSR conçu pour deux applications différentes, nous proposons un modèle mathématique et iv les matrices de transfert. Enfin, la performance du PSR proposé est analysée dans un système de communication optique.
This thesis aims to study polarization management, and focuses on design, simulation and fabrication layout of a polarization splitter rotator (PSR) on silicon platforms by utilizing a structure combining an adiabatic bi-level taper and an adiabatic coupler. Following an introduction about optical communication systems and specifically integrated photonic systems, we introduce silicon-on-isolator (SOI) as the most attractive platform for our integrated photonic circuit. Although the intrinsic high-index contrast property of SOI leads to a very small footprint, this property also results in high polarization dependence for silicon photonic (SiP) devices. To solve the problem and remove this dependency, polarization diversity circuits have been proposed and it is important to deal with on-chip polarization management. In this thesis, the general operating principle of polarization management is thoroughly studied. As polarization rotation is the most important function of polarization management, we concentrate on the basic principles of polarization rotation in a single section device. We also discuss different types of polarization rotators and give an introduction to the historic evolution of polarization rotators. Finally, polarization beam splitters are introduced as the second important element in polarization management, and different types of polarization splitters are presented. To efficiently manage polarization, it is critical to develop a high performance PSR. Therefore, we introduce an efficient structure that is based on TM0-TE1 mode conversion in a bi-level taper on SOI. We explain and motivate that choice. Afterwards, we describe the modeling in Finite Difference Time Domain (FDTD) Lumerical software; simulation results provide the evolution of mode intensity profiles along the device. Subsequently, we present the layout details for fabrication and eventual characterization for designs using edge couplers, as well as designs using grating couplers. To evaluate the performance of the designed PSR for two different applications, we propose a mathematical model and the transfer matrices. Finally, the performance of the proposed PSR is analyzed in an optical communication system.
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