代做Home Assignment 3调试数据库编程

Home Assignment 3

Problem 1

The pharmaceutical company PhotonicSensing AB is designing a photonic chip sensor for de-tection of antibodies from saliva samples.  It has developed a chemical that has very interesting properties:  antibodies can adhere with high efficiency to the material, resulting in a refractive index change in proportion to the antibody concentration, following a simple linear relation

n = n0 + αN,                                                               (1)

where n0  is the refractive index of the material in absence of antibodies, N is the number of antibodies that have been adhered, and α = 10-12  is a proportionality constant.  As an example, if 1 000 000 antibodies bind to the material, the refractive index changes by 10-6 .  For simplicity, we will assume that n0  takes the same value as that of silica.

The working function of the sensor is described in Figure 1 below. The material sensitive to the antibodies is used as cladding in a buried waveguide structure.  This waveguide is used to build an optical microresonator designed to operate under critical coupling condition.  A laser at 1300 nm is tuned to one longitudinal mode and the chip is impregnated with the saliva from a patient. The antibodies cause a change in refractive index, resulting in a shift of the longitudinal mode, which can be detected as an increase in output power.   The intrinsic quality factor is measured to be Qi  = 106 .

Figure  1 :   Cross-section  geometry  (left)  of  buried  waveguide  geometry  with  the  chemical for  antibody adhesion used as cladding.  When this waveguide is used in a critically coupled resonator (middle) it gen-  erates a set of longitudinal modes.  A laser tuned to one of the longitudinal modes will become attenuated in power (right) .  However,  the presence  of antibodies will modify the refractive index of the material, resulting in a phase shift and consequently a change in the frequency location of the longitudinal mode. The laser will thus experience less attenuation.  The changes in power can be mapped to the number of antibodies that have been bound to the resonator.

a)  Engineer the cross-section of the waveguide core geometry of the ring so that it provides the maximum change in effective index for the fundamental mode when the antibodies bind. Consider the range of waveguide widths [500 - 1000] nm and the waveguide height [100 - 300] nm. The layer of the sensitive material is 2 µm, and the lower cladding 3 µm.  Justify your choice of geometry and discuss your results in terms of the optical confinement of the fundamental mode.

Notes:

•  The two cladding layers are so thick that they can be assumed to fill the simulation area in Lumerical.

•  There is no need to perform any calculation on the ring geometry for this part of the problem.

b)  Assume that the resonator is designed with with radius r = 200µm.  What order is the mode that is closest to the laser frequency at 1300nm?

c)  How much will the resonance frequency of the mode shift if one million antibodies bind to the chemical on top of the resonator?

d)  Suggest at least two ways to improve the sensitivity of the antibody sensor.  Explain why and how those improvements work.

Problem 2

Mach-Zehnder interferometers (MZIs) can be adapted to operate as wavelength multiplexers and demultiplexers.  Figure  2 shows a schematic of a simple 1x2 wavelength demultiplexer.  Ignore the dispersion of the bulk materials and the waveguide.

a)  Design the cross-section geometry of the waveguide,  the length difference  L between the arms,  and the  2x2 couplers  (i.e.,  the  gap  between the waveguides and the coupler length) so that the MZI works as a 2-λ demultiplexer with frequency spacing of 100GHz for wavelengths in the region of 1300nm.  Show the transfer function for either port as a function of optical frequency, i.e., plot the normalized transmitted power for either the top or bottom port as a function of input frequency.

b)  Silicon nitride, which is used as the core material of the waveguide, has a thermo-optic coefficient of 2 × 10-6 K-1 .  This means that the refractive index changes by two parts per million for a variation in temperature of one Kelvin.  How much will the frequency spacing change if the above device is placed close to a computer chip in a datacenter, where the temperature can change from 25 C to 80 C?  By how much does the transmitted wavelength λ 1  change when the temperature increases from 25 C to 80 C?   

Figure 2:  Cross-section  of the  waveguide  (left) and a Mach-Zehnder interferometer (right) operating as a demultiplexer for light with wavelengths λ1 ,  λ2 .

Problem 3

a)  Using Lumerical MODE, design an inverse taper coupler with more than 80% coupling efficiency when coupling light from a standard single-mode optical fiber SMF-28 at 1500nm into a single-mode silicon waveguide core with height h = 380nm and width w = 380nm. Assume the waveguide has silica cladding.

b)  How much can the waveguide and fiber be mismatched before the coupling efficiency drops below 70%?  Plot the coupling efficiency vs.  fiber misalignment  (choose one direction for the misalignment).


热门主题

课程名

mktg2509 csci 2600 38170 lng302 csse3010 phas3226 77938 arch1162 engn4536/engn6536 acx5903 comp151101 phl245 cse12 comp9312 stat3016/6016 phas0038 comp2140 6qqmb312 xjco3011 rest0005 ematm0051 5qqmn219 lubs5062m eee8155 cege0100 eap033 artd1109 mat246 etc3430 ecmm462 mis102 inft6800 ddes9903 comp6521 comp9517 comp3331/9331 comp4337 comp6008 comp9414 bu.231.790.81 man00150m csb352h math1041 eengm4100 isys1002 08 6057cem mktg3504 mthm036 mtrx1701 mth3241 eeee3086 cmp-7038b cmp-7000a ints4010 econ2151 infs5710 fins5516 fin3309 fins5510 gsoe9340 math2007 math2036 soee5010 mark3088 infs3605 elec9714 comp2271 ma214 comp2211 infs3604 600426 sit254 acct3091 bbt405 msin0116 com107/com113 mark5826 sit120 comp9021 eco2101 eeen40700 cs253 ece3114 ecmm447 chns3000 math377 itd102 comp9444 comp(2041|9044) econ0060 econ7230 mgt001371 ecs-323 cs6250 mgdi60012 mdia2012 comm221001 comm5000 ma1008 engl642 econ241 com333 math367 mis201 nbs-7041x meek16104 econ2003 comm1190 mbas902 comp-1027 dpst1091 comp7315 eppd1033 m06 ee3025 msci231 bb113/bbs1063 fc709 comp3425 comp9417 econ42915 cb9101 math1102e chme0017 fc307 mkt60104 5522usst litr1-uc6201.200 ee1102 cosc2803 math39512 omp9727 int2067/int5051 bsb151 mgt253 fc021 babs2202 mis2002s phya21 18-213 cege0012 mdia1002 math38032 mech5125 07 cisc102 mgx3110 cs240 11175 fin3020s eco3420 ictten622 comp9727 cpt111 de114102d mgm320h5s bafi1019 math21112 efim20036 mn-3503 fins5568 110.807 bcpm000028 info6030 bma0092 bcpm0054 math20212 ce335 cs365 cenv6141 ftec5580 math2010 ec3450 comm1170 ecmt1010 csci-ua.0480-003 econ12-200 ib3960 ectb60h3f cs247—assignment tk3163 ics3u ib3j80 comp20008 comp9334 eppd1063 acct2343 cct109 isys1055/3412 math350-real math2014 eec180 stat141b econ2101 msinm014/msing014/msing014b fit2004 comp643 bu1002 cm2030
联系我们
EMail: 99515681@qq.com
QQ: 99515681
留学生作业帮-留学生的知心伴侣!
工作时间:08:00-21:00
python代写
微信客服:codinghelp
站长地图