Photonic molecules for applications in spectral engineering and optical signal processing

Sistemas fotônicos baseados em ressonadores na forma de anéis tem uma dependência fundamental dada pela relação estreita entre espaçamento espectral livre (Free Spectral Range, FSR), fator de qualidade total, Q, e o raio dos ressonadores, R. Nesta tese, nós quebramos esta dependência empregando moléculas fotônicas (Photonic Molecules, PMs) baseadas em múltiplos anéis internamente acoplados a um anel externo, que por sua vez está acoplado a um guia de onda. Aplicando o método de matriz de transferência (Transfer-Matrix Method, TMM) e programas robustos de simulação, nós projetamos três tipos de PMs baseada em uma plataforma de Silício-sobre-isolante (Silicon-on-Insulator, SOI). Este projeto mostrou que o acoplamento entre duas ou mais micro-cavidades ópticas, permite separações espectrais e hibridização dos modos quando as frequências ressonantes estão degeneradas nas cavidades, similar ao acoplamento fraco entre átomos. Estas PMs foram fabricadas com um processo convencional e compatível com a tecnologia CMOS, empregando uma Foundry, e suas caracterizações mostraram a emergência de dupletos, tripletos, quadrupletos e sextupletos de ressonâncias degeneradas, com alto Q e espaçamentos curtos, somente possíveis com anéis de algumas ordens de magnitude maiores em área. Estes resultados quebraram o paradigma da interdependência entre Q, FSR e R, evidenciando que é possível ter tempo de vida fotônico, espaçamento espectral e área independentes. As aplicações destas PMs em processamento de sinal óptico também foram demonstrados neste trabalho. Nós apresentamos o uso da molécula com dupleto de ressonâncias para extrair um sinal RF de 34.2 GHz, filtrando as bandas laterais de um sinal modulado. Também foi demonstrado que moduladores ópticos ultracompactos operando à 2.75 vezes acima do limite da largura de linha do ressonador pode ser obtido a partir da PM que apresenta um tripleto de ressonâncias, separadas de ~55 GHz. Finalmente, utilizando a molécula que permite obter um quadrupleto de ressonâncias, foi demonstrado a conversão de comprimento de onda totalmente óptico (multicasting) para quatro canais convertidos e separados de 40-60 GHz, utilizando apenas 1 mW de potência de controlePhotonic systems based on microring resonators have a fundamental constraint given by the strict relationship among free spectral range (FSR), total quality factor (Q) and resonator size (R). In this thesis, we break this dependence employing CMOS compatible photonic molecules (PMs) based on multiple inner ring resonators coupled to an outer ring, which is coupled to a straight bus waveguide. Applying the transfer matrix method (TMM) and simulation robust programs, we project three types of PM based on scalable silicon-on-insulator (SOI) platform. This project shows that the coupling between two or more optical micro-cavities, allows spectral splitting and hybridization of the modes when the resonant frequencies are degenerated in the cavities, similar to weak coupling between atoms. These PMs were fabricated in a conventional CMOS Foundry and your characterization shows the emergence of doublet, triplet, quadruplet and sextuplet of degenerated resonances, with high-Q and close-spaced, only achievable with single-ring orders of magnitude larger in footprint. These results break the paradigm of the interdependence between Q, FSR and R, evidencing that is possible to have photonic lifetime, spectral spacing and footprint independents. The applications of these PMs in optical processing signal were also demonstrate in this work. We demonstrate the use of the doublet splitting for 34.2 GHz RF signal extraction by filtering the sidebands of a modulated optical signal. We also demonstrate that very compact optical modulators operating 2.75 times beyond its resonator linewidth limit may be obtained using the PM triplet splitting, with separation of ~ 55 GHz. Finally, using the quadruplet of resonances, we demonstrate four-channel all-optical wavelength multicasting using only 1 mW of control power, with converted channel spacing of 40-60 GH