Modeling quasi-dark states with temporal coupled-mode theory
Creators
- 1. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
- 2. Universidade Federal de São Carlos
Description
Coupled resonators are commonly used to achieve tailored spectral responses and allow novel functionalities in a broad range of applications, from optical modulation and filtering in integrated photonic circuits to the study of nonlinear dynamics in arrays of resonators.The Temporal Coupled-Mode Theory (TCMT) provides a simple and general tool that is widely used to model these devices and has proved to yield very good results in many different systems of low-loss, weakly coupled resonators.Relying on TCMT to model coupled resonators might however be misleading in some circumstances due to the lumped-element nature of the model.In this article, we report an important limitation of TCMT related to the prediction of dark states.Studying a coupled system composed of three microring resonators, we demonstrate that TCMT predicts the existence of a dark state that is in disagreement with experimental observations and with the more general results obtained with the Transfer Matrix Method (TMM) and the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations.We identify the limitation in the TCMT model to be related to the mechanism of excitation/decay of the supermodes and we propose a correction that effectively reconciles the model with expected results.A comparison with TMM and FDTD allows to verify both steady-state and transient solutions of the modified-TCMT model.The proposed correction is derived from general considerations, energy conservation and the non-resonant power circulating in the system, therefore it provides good insight on how the TCMT model should be modified to eventually account for the same limitation in a different coupled-resonator design.Moreover, our discussion based on coupled microring resonators can be useful for other electromagnetic resonant systems due to the generality and far-reach of the TCMT formalism.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تُستخدم الرنانات المقترنة بشكل شائع لتحقيق استجابات طيفية مخصصة والسماح بوظائف جديدة في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من التعديل البصري والترشيح في الدوائر الضوئية المتكاملة إلى دراسة الديناميكيات غير الخطية في مصفوفات الرنانات. توفر نظرية الوضع المقترنة الزمنية (TCMT) أداة بسيطة وعامة تستخدم على نطاق واسع لنمذجة هذه الأجهزة وقد أثبتت أنها تحقق نتائج جيدة جدًا في العديد من الأنظمة المختلفة من الرنانات منخفضة الخسارة وذات الاقتران الضعيف. الاعتماد على نظرية الوضع المقترنة الزمنية (TCMT) إلى نموذج مرنانات مقترنة قد تكون مضللة في بعض الظروف بسبب طبيعة العنصر المجمع للنموذج. في هذه المقالة، نبلغ عن قيود مهمة على TCMT تتعلق بالتنبؤ بالحالات المظلمة. بدراسة نظام مقترن يتكون من ثلاثة مرنانات رنانة، نثبت أن TCMT يتنبأ بوجود حالة مظلمة لا تتفق مع الملاحظات التجريبية ومع النتائج الأكثر عمومية التي تم الحصول عليها من خلال محاكاة طريقة مصفوفة النقل (TMM) ومحاكاة النطاق الزمني للفرق المحدود (FDTD). نحدد القيود في نموذج TCMT لتكون مرتبطة بآلية الإثارة/اضمحلال الأنماط الفائقة ونقترح تصحيحًا يوفق بشكل فعال بين النموذج والنتائج المتوقعة. تسمح المقارنة مع TMM و FDTD بالتحقق من كل من الحلول الثابتة والعابرة لنموذج TCMT المعدل. التصحيح المقترح مستمد من الاعتبارات العامة، والحفاظ على الطاقة والطاقة غير الرنانة المتداولة في النظام، وبالتالي فإنه يوفر نظرة ثاقبة جيدة حول كيفية تعديل نموذج TCMT لتفسير نفس القيد في نهاية المطاف في تصميم مرنان مقترن مختلف. علاوة على ذلك، يمكن أن تكون مناقشتنا القائمة على مرنانات رنانة كهرومغناطيسية مقترنة مفيدة للأنظمة الرنانة الكهرومغناطيسية الأخرى بسبب عمومية وشكلية TCMT وبعيدة المدى.Translated Description (French)
Les résonateurs couplés sont couramment utilisés pour obtenir des réponses spectrales personnalisées et permettre de nouvelles fonctionnalités dans un large éventail d'applications, de la modulation optique et du filtrage dans les circuits photoniques intégrés à l'étude de la dynamique non linéaire dans les réseaux de résonateurs. La théorie du mode couplé temporel (TCMT) fournit un outil simple et général qui est largement utilisé pour modéliser ces dispositifs et qui s'est avéré donner de très bons résultats dans de nombreux systèmes différents de résonateurs à faible perte et faiblement couplés. modéliser des résonateurs couplés peut toutefois être trompeur dans certaines circonstances en raison de la nature d'élément localisé du modèle. Dans cet article, nous rapportons une limitation importante de la TCMT liée à la prédiction des états sombres. En étudiant un système couplé composé de trois résonateurs à microréflexion, nous démontrons que la TCMT prédit l'existence d'un état sombre qui est en désaccord avec les observations expérimentales et avec les résultats plus généraux obtenus avec la méthode de la matrice de transfert (TMM) et les simulations du domaine temporel à différence finie (FDTD). Nous identifions la limitation dans le modèle TCMT à être liée au mécanisme d'excitation/décroissance des supermodes et nous proposons une correction qui réconcilie efficacement le modèle avec les résultats attendus. La comparaison avec TMM et FDTD permet de vérifier à la fois les solutions stationnaires et transitoires du modèle TCMT modifié. La correction proposée est dérivée de considérations générales, de la conservation de l'énergie et de la puissance non résonante circulant dans le système, elle fournit donc un bon aperçu de la façon dont le modèle TCMT devrait être modifié pour éventuellement tenir compte de la même limitation dans une conception de résonateur couplé différente. De plus, notre discussion basée sur les résonateurs à microréseaux couplés peut être utile pour d'autres systèmes résonants électromagnétiques en raison de la généralité et de la portée du formalisme TCMT.Translated Description (Spanish)
Los resonadores acoplados se utilizan comúnmente para lograr respuestas espectrales adaptadas y permiten funcionalidades novedosas en una amplia gama de aplicaciones, desde la modulación óptica y el filtrado en circuitos fotónicos integrados hasta el estudio de la dinámica no lineal en matrices de resonadores. La Teoría del Modo Acoplado Temporal (TCMT) proporciona una herramienta simple y general que se utiliza ampliamente para modelar estos dispositivos y ha demostrado producir muy buenos resultados en muchos sistemas diferentes de resonadores de baja pérdida y débilmente acoplados. Confiando en TCMT Sin embargo, modelar resonadores acoplados podría ser engañoso en algunas circunstancias debido a la naturaleza de elementos agrupados del modelo. En este artículo, informamos una limitación importante de TCMT relacionada con la predicción de estados oscuros. Al estudiar un sistema acoplado compuesto por tres resonadores de microespejo, demostramos que TCMT predice la existencia de un estado oscuro que está en desacuerdo con las observaciones experimentales y con los resultados más generales obtenidos con el Método de Matriz de Transferencia (TMM) y las simulaciones de Dominio de Tiempo de Diferencia Finita (FDTD). Identificamos que la limitación en el modelo TCMT está relacionada con el mecanismo de excitación/decadencia de los supermodos y proponemos una corrección que concilie efectivamente el modelo con los resultados esperados. Una comparación con TMM y FDTD permite verificar soluciones tanto en estado estacionario como transitorias del modelo TCMT modificado. La corrección propuesta se deriva de consideraciones generales, ahorro de energía y la potencia no resonante que circula en el sistema, por lo tanto, proporciona una buena visión de cómo se debe modificar el modelo TCMT para dar cuenta eventualmente de la misma limitación en un diseño diferente de resonador acoplado. Además, nuestra discusión basada en resonadores de microespejo acoplado puede ser útil para otros sistemas resonantes electromagnéticos debido a la generalidad y el alcance del formalismo TCMT.Files
1606.02339.pdf
Files
(4.6 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:64f5248b30025ada8f104a24264af362
|
4.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نمذجة الحالات شبه المظلمة مع نظرية الوضع المزدوج الزمني
- Translated title (French)
- Modélisation d'états quasi-noirs avec la théorie du mode couplé temporel
- Translated title (Spanish)
- Modelado de estados cuasi oscuros con teoría de modo acoplado temporal
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3124619582
- DOI
- 10.1364/oe.24.018960
References
- https://openalex.org/W1911454827
- https://openalex.org/W1937557586
- https://openalex.org/W1960917616
- https://openalex.org/W1971783415
- https://openalex.org/W1972057803
- https://openalex.org/W1972593250
- https://openalex.org/W1998645191
- https://openalex.org/W2007872185
- https://openalex.org/W2018423375
- https://openalex.org/W2030208671
- https://openalex.org/W2037815396
- https://openalex.org/W2038163262
- https://openalex.org/W2040248890
- https://openalex.org/W2044900848
- https://openalex.org/W2050512420
- https://openalex.org/W2054559846
- https://openalex.org/W2060499082
- https://openalex.org/W2061043973
- https://openalex.org/W2074723656
- https://openalex.org/W2096786637
- https://openalex.org/W2097568880
- https://openalex.org/W2102489731
- https://openalex.org/W2113138965
- https://openalex.org/W2144050360
- https://openalex.org/W2157872661
- https://openalex.org/W2165326713
- https://openalex.org/W2170993585
- https://openalex.org/W2313614008
- https://openalex.org/W2326553503
- https://openalex.org/W2412577762
- https://openalex.org/W2963220471