학술논문
Study on Multimode Interference Combiners with Significant Reduction of Back Reflection and Double Triangular Ring Resonators Sensor Based on the Vernier Effect / MMI 커플러에서의 반사 감소와 Vernier 현상 기반의 이중 삼각형 링 공진기 센서에 대한 연구
Document Type
Dissertation/ Thesis
Source
Subject
Language
English
Abstract
Two different research contents are introduced in this thesis, one is about “Multimode Interference Combiners with Significant Reduction of Back Reflection”, and the other is “Double Triangular Ring Resonators Sensor Based on Vernier Effect”.In the study of “Multimode Interference Combiners with Significant Reduction of Back Reflection”, a novel structure was propose that includes two compact, simply structured, and lossy waveguides for reducing back reflection in MMI combiners. The lossy waveguide consists of a bend section and a tapered section. Theoretical calculations and FDTD analysis were used to confirm the properties of our proposed structure. From this analysis, lossy waveguides with small bend radius and large taper length tend to reduce back reflection. To achieve a back reflection value smaller than -30 dB in an MMI combiner, lossy waveguides with bend radii of 1.5 µm and corresponding taper lengths of 40 µm and 25 µm for TE and TM modes, respectively, are needed. Moreover, the introduction of the lossy waveguide influences neither the MMI design nor its operation.In the study of “Double Triangular Ring Resonators Sensor Based on Vernier Effect”, Vernier-effect has been used to enhance the wavelength sensitivity of single triangular ring resonator (TRR) sensor. Even though the single TRR sensor utilizes the dramatic phase shift of Au gold film near the surface plasmon resonance (SPR) angle, its sensitivity is limited by the perimeter length of TRR. This can be overcome by introducing double triangular ring resonators structure based on Vernier Effect, one ring act as main scale and the other act as slide scale. It has low-cost, enhanced wavelength sensitivity and small limitation of detection (LOD) for the cladding refractive index. Through theoretical analysis, the proposed structure is optimized and the wavelength sensitivity of 5.7× 10^4 nm/RIU is achieved. Also, the limitation of detection is below 10^-5 RIU. Therefore, low cost and high sensitivity sensor will be achieved.
본 학위 논문은 “Multimode Interference Combiners with Significant Reduction of Back Reflection” 과 “Double Triangular Rind Resonators Sensor Based on Vernier Effect” 연구에 대한 것이다.“Multimode Interference Combiners with Significant Reduction of Back Reflection” 의 연구에서는, 새로운 구조가 제안 되었는데, MMI combiners에서 역방향 반사를 줄여주는, 소형에, 간단한 구조이며, 손실이 있는 두 waveguide를 포함한다. 손실 waveguide는 굽어진(bend) 영역과 좁아지는(tapered) 영역으로 구성된다. 우리의 제안 구조의 특성을 확인하기 위하여 이론적인 계산과 FDTD 분석을 사용하였다. 분석을 통해, 작은 회전 반경과 긴 taper(?) 길이를 지닌 손실 waveguide가 역방향 반사를 줄여주는 경향을 보였다. MMI combiner 에서 -30 dB 보다 작은 역방향 반사 값을 얻기 위하여, 1.5 µm 의 회전 반지름을 가진 손실 waveguide에서 TE mode에서는 40 µm 와 TM mode에서는 25 µm 의 taper 길이의 값이 각각 요구되었다. 게다가, 손실 waveguide의 도입은 MMI 설계나 그 동작에 있어서는 전혀 영향을 미치지 않았다. “Double Triangular Ring Resonators Sensor Based on Vernier Effect” 의 연구에서는, single triangular ring resonator (TRR) 센서의 파장 민감도를 증가시키기 위해서 Vernier 효과를 사용하였다. 비록 하나의 TRR 센서가 표면 플라즈몬 공진 (surface plasmon resonance, SPR) 각 근처에서 Au 금 film의 큰 위상 변화를 이용하지만, 그 민감도는 TRR의 둘레 길이로 제한된다. 하나의 링은 주 격자로 동작하고 다른 하나는 이동하는 격자로 동작하는, Vernier Effect를 기반으로 한 double triangular ring resonator 구조의 도입으로 이를 극복할 수 있다. 이는 증대된 파장 민감도와 cladding 굴절률에 대한 작은 감지 한계 값 (limitation of detection, LOD)을 저비용으로 구현할 수 있다. 이론 분석을 통해, 제안한 구조를 최적화 시켰으며, 파장 민감도는 5.7× 10^4 nm/RIU 의 값을 보였다. 또한, LOD는 10^-5 RIU 보다 낮았다. 그러므로, 저비용에 고감도 센서를 달성함을 보였다.
본 학위 논문은 “Multimode Interference Combiners with Significant Reduction of Back Reflection” 과 “Double Triangular Rind Resonators Sensor Based on Vernier Effect” 연구에 대한 것이다.“Multimode Interference Combiners with Significant Reduction of Back Reflection” 의 연구에서는, 새로운 구조가 제안 되었는데, MMI combiners에서 역방향 반사를 줄여주는, 소형에, 간단한 구조이며, 손실이 있는 두 waveguide를 포함한다. 손실 waveguide는 굽어진(bend) 영역과 좁아지는(tapered) 영역으로 구성된다. 우리의 제안 구조의 특성을 확인하기 위하여 이론적인 계산과 FDTD 분석을 사용하였다. 분석을 통해, 작은 회전 반경과 긴 taper(?) 길이를 지닌 손실 waveguide가 역방향 반사를 줄여주는 경향을 보였다. MMI combiner 에서 -30 dB 보다 작은 역방향 반사 값을 얻기 위하여, 1.5 µm 의 회전 반지름을 가진 손실 waveguide에서 TE mode에서는 40 µm 와 TM mode에서는 25 µm 의 taper 길이의 값이 각각 요구되었다. 게다가, 손실 waveguide의 도입은 MMI 설계나 그 동작에 있어서는 전혀 영향을 미치지 않았다. “Double Triangular Ring Resonators Sensor Based on Vernier Effect” 의 연구에서는, single triangular ring resonator (TRR) 센서의 파장 민감도를 증가시키기 위해서 Vernier 효과를 사용하였다. 비록 하나의 TRR 센서가 표면 플라즈몬 공진 (surface plasmon resonance, SPR) 각 근처에서 Au 금 film의 큰 위상 변화를 이용하지만, 그 민감도는 TRR의 둘레 길이로 제한된다. 하나의 링은 주 격자로 동작하고 다른 하나는 이동하는 격자로 동작하는, Vernier Effect를 기반으로 한 double triangular ring resonator 구조의 도입으로 이를 극복할 수 있다. 이는 증대된 파장 민감도와 cladding 굴절률에 대한 작은 감지 한계 값 (limitation of detection, LOD)을 저비용으로 구현할 수 있다. 이론 분석을 통해, 제안한 구조를 최적화 시켰으며, 파장 민감도는 5.7× 10^4 nm/RIU 의 값을 보였다. 또한, LOD는 10^-5 RIU 보다 낮았다. 그러므로, 저비용에 고감도 센서를 달성함을 보였다.