Optisten mikrorengasresonaattorien terminen epälineaarisuus

Abstract

Integroidussa fotoniikassa tutkitaan valoa kuljettavia ja käsitteleviä systeemejä. Tämä on tulevaisuuden ja nykypäivän teknologia, jota hyödynnetään esimerkiksi optisissa tietoliikennejärjestelmissä, antureissa sekä biosensorijärjestelmissä lääketieteessä. Fotoniset integroidut piirit ovat mikrosiruja, joiden avulla valon kuljettamaa signaalia käsitellään esimerkiksi suodattamalla sitä ja jakamalla eri aallonpituuksia eri reitteihin. Näissä piireissä käytetään mikrorengasresonaattoreita, joiden optista spektriä tässä työssä tutkitaan.

Rengasresonaattorit kytketään osaksi fotonista integroitua piiriä, jolloin sen optiseen spektriin muodostuu resonansseja tietyille valon aallonpituuksille. Näihin resonansseihin vaikuttavat resonaattorin mitat ja materiaalin taitekerroin sekä useat ympäristön ja valon ominaisuudet, kuten syötettävän valon intensiteetti ja lämpötila resonaattorin sisällä. Tässä työssä keskitytään tarkastelemaan, mitä tapahtuu rengasresonaattorin spektrisille ominaisuuksille, kun resonaattorin kaviteetin lämpötila nousee.

Työn teoriaosiossa käsitellään kytkentöjen toimintaa ja rengasresonaattorin toimintaperiaatetta. Lisäksi käydään läpi kytkettyjen aaltomuotojen teoriaa ja käsitellään epälineaarisia ilmiöitä rengasresonaattoreissa. Viimeisenä teoriaosiossa kerrotaan rengasresonaattorien sovelluskohteista. Tuloksia esitellään seuraavassa osiossa, jossa toteutetaan epälineaarisen systeemin mallinnus, jonka perusteella spektrin muodossa ja resonanssitaajuudessa tapahtuu muutoksia systeemin lämpötilan muuttuessa. Mallinnuksessa tutkitaan, miten syötettävän laserin aiheuttama absorptio resonaattorissa aiheuttaa epälineaarisuuden spektrissä. Tätä tutkitaan kasvavalla laserin syöttöteholla. Osiossa tutkitaan myös lämpenemisen aikaskaalaa eli sitä, kuinka kauan lämpenemisen aiheuttaman epälineaarisuuden havaitsemiseen kuluu aikaa. Lopuksi tulosten esittelyssä verrataan tuotettua mallia oikeaan mittausdataan rengasresonaattorin transmissiosta ja sovitetaan dataan käyrä tehdyn mallinnuksen avulla.

Mallinnuksen pohjalta voidaan todeta tulosten tukevan teoriaa. Laserin syöttötehoa kasvattamalla nähtiin yhä suurempi resonanssitaajuuden siirtymä. Pienillä syöttötehoilla nähtiin, että spektri säilyttää lineaarisen muotonsa, mutta tehoa kasvattamalla spektrin muoto muuttui epäsymmetriseksi. Tutkimalla lämpenemisen aikaskaalaa huomattiin, että lämpenemisen aiheuttaman epälineaarisuuden realisoitumiseen kuluva aika on useita kertaluokkia suurempi kuin aika, joka tarvitaan lineaarisen spektrin syntymiseksi. Tutkittiin myös, miksi spektrin piirtämisessä käytetty simulaatioaika oli sopiva. Tähän syynä oli lämpötilan nopea nousu kyseisenä aikana, sillä pidemmillä simulaatioajoilla lämpötilan nousu saturoitui vähitellen. Mittaustuloksiin tehty sovite mallinnuksen pohjalta vaikutti myös lupaavalta. Mittaustulokset noudattivat mallia hyvin, tosin mittauksen taustaspektri hieman vääristi tuloksia ja aiheutti sen, että sovite ei asettunut täydellisesti koko mittausdataan.