Slow-light Photonic Crystal Devices For High-speed Optical Signal Processing

Karlsruhe Series in Photonics & Communications, Vol. 4 Jan-Michael Brosi Slow-Light Photonic Crystal Devices for High-Speed Optical Signal Processing Jan-Michael Brosi Slow-Light Photonic Crystal Devices for High-Speed Optical Signal Processing Karlsruhe Series in Photonics & Communications, Vol. 4 Edited by Prof. J. Leuthold and Prof. W. Freude Universität Karlsruhe (TH), Institute of High-Frequency and Quantum Electronics (IHQ), Germany Slow-Light Photonic Crystal Devices for High-Speed Optical Signal Processing by Jan-Michael Brosi Dissertation, Universität Karlsruhe (TH) Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 2008 Impressum Universitätsverlag Karlsruhe c/o Universitätsbibliothek Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.uvka.de Dieses Werk ist unter folgender Creative Commons-Lizenz lizenziert: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/de/ Universitätsverlag Karlsruhe 2009 Print on Demand ISSN: 1865-1100 ISBN: 978-3-86644-313-6 Slow-Light Photonic Crystal Devices for High-Speed Optical Signal Processing Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTOR-INGENIEURS von der Fakult¨at f¨ur Elektrotechnik und Informationstechnik der Universit¨at Karlsruhe (TH) genehmigte DISSERTATION von Jan-Michael Brosi, M. Sc. geboren in Filderstadt Tag der m¨undlichen Pr¨ufung: 18. Juli 2008 Hauptreferent: Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Wolfgang Freude Korreferenten: Prof. Dr. sc. nat. J¨urg Leuthold Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Lemmer Contents Zusammenfassung (Deutsch) 1 Achievements and Limitations 5 Summary 9 1 Fundamentals 1.1 Wave Propagation in Dielectric Media . . . . . . . . 1.1.1 Maxwell’s Equations and Scaling Laws . . . 1.1.2 Modes of Translational Invariant Waveguides 1.2 2D Photonic Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Bulk Photonic Crystal . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Photonic Crystal Waveguide . . . . . . . . . 1.3 Group Velocity and Chromatic Dispersion . . . . . . 1.4 Mode Gaps and Mini-Stop Bands in PC Waveguides 1.5 Excitation of Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Losses in Photonic Crystals . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Tuning of Photonic Crystals . . . . . . . . . . . . . 1.7.1 Thermal Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.2 Free-Carrier Injection . . . . . . . . . . . . . 1.7.3 Electro-Optic Effect . . . . . . . . . . . . . 2 Slow-Light Waveguides 2.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Waveguide Geometries . . . . . . . . . . . Line-Defect Waveguide . . . . . . . . . Slot Waveguide . . . . . . . . . . . . . Center-Hole Waveguide . . . . . . . . . 2.1.2 Design Principles . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Group Velocity and Dispersion Engineering Broadband Slow Light . . . . . . . . . . Negative Chromatic Dispersion . . . . . 2.1.4 Efficient Mode Excitation . . . . . . . . . Adiabatic Tapers . . . . . . . . . . . . . Counter-Propagating Mode Coupling . . i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .