Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   3 ,  J un e   201 9 ,   pp. 162 0~16 29   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v9 i 3 . pp 1620 - 16 29          1620       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Crosst al k in  misa ligned free s pa ce  op tical  int er conn ec ts :   mod elling an d si mula tion       Ned al A l - Aba bneh   Depa rtment  o f  E le c tri c al E ngin eering,   Jordan   Uni ver sit y   of   Sci ence  &   T ec hnolog y ,   Jordan       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   J un   11 , 2 01 8   Re vised  Dec   2 ,  201 8   Accepte d  Dec  27 , 201 8       W e  int roduc e  co nveni en t  m odel   and  an  opti m iz ation  sche m e  to  o pti m iz e  th e   signal - to - cro ss talk  ratio  (SCR )  i n  a  fr ee   spa ce   o pti c al   in te r connect s  (FS OIs )  s y stem  th at   uses   m ic role nses   wit h  finite  ci r cul ar   ape rtur es.   In   th is  m odel ,   we   conside r  bo th  th e  stra y   li gh t  cro ss ta lk  and  th e  cro ss ta lk  due   to  the  diffr a ct io n   at   the   m icrole ns   ape rtur es  to  ev al ua te   th e  SC R.   Us ing  c y l indri c al   form   of  Coll ins  diffr a ct i on  int egr a l  and  t he  La gu err e – Ga uss ia n  (LG)  beam   m odel ,   we   der ive   an  appr oximate   cl osed   form   for m ula   for  the   op ti c a l  fie ld  of  a   m ult imode  LG  bea m   propa gat ing  through  circul ar  ap ert ur ed   FSOIs  by   expa nding  th e  h ard   edge   ci rcu lar  ape rtur e  func t i on  of  the   m ic rol ens  in  te rm s  of  complex  Gau ss ia n  func t ions.   The  anal y s es  i ndic a te   th at  th e   size  of  th e   det e ct or  is a n  importa nt factor  to   opti m iz e the SCR for  both the   ap ert ure d   and   the   un ape rtu red   m isal igne d  FS OIs   s y stem.  The  e ffe ct  of  h ighe r   o rde r  m ode   of  the l ase r  sour ce   on   th e  SC R  is   al so  conside r ed.      Ke yw or d s :   Coll ins d i ffract ion  i nteg ral   Lag uerre - Gaus sia n  ( LG ) bea m   C om plex  Ga ussi an  f unct ions   O ptica l  c r os sta lk   O ptica l i nterc onnects   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Ned al   Al - A babneh ,   Dep a rtm ent o f El ect rical  En gi neer i ng,    Jo r da n Un i ver s it y  of  Scie nce  & Tec hnology,  I r bid, J orda n.   Em a il : ned al k@ just. e du.jo        1.   INTROD U CTION   The  n ee d  for   hig h  de ns it y   and   high  sp e ed  interco nnec ts  is  de m and ing   f or  high  sp eed  dig it al   app li cat io ns .  Fr ee  s pace  op ti cal   interconn ect s  (F S OIs)  can  be  us e d  as  data  li nks  with  high  a ggreg at e   b an dwidth  i n  di gital   syst e m s  [1 ] - [6 ] .  T hese  op ti cal   interc onnects  syst em s   can  be  im plem ented  us i ng   ver ti cal   cavit y sur f ace e m itti ng  lasers  (V CSE Ls)  a rr a y at  the tran sm it te r  side an d p ho t od et ect or s a rr ay  at the rece ivin g  side  co nn e ct ed   t og et he r  by  a n  op ti cal   fr ee  s pa ce  channel  co ntainin g  m ic ro le ns   arr ay   to  c ollim at e  the  li gh t  an d  lim it  the ligh t s pr ea ding.   Desp it e  us in g  m ic ro le ns   a rr a ys,  cr os sta lk  be tween  nei ghbori ng  opti cal   channels,   due  t o  stray   li gh t   and   t he  li gh t  diffracte d  fro m   har d  a per t ures  of  m ic ro le ns ,  is  sti ll   on e   of   the  m ajor   lim it ing   facto rs  that  determ ine  the  per f orm ance  of   the  F SOIs  includi ng   t he  sign al - to - c ross ta l k  rati o  (S C R),  cha nn el   de ns it y,   the  interco nne ct s  capaci ty   [4 ] - [6 ] . T her e f or e ,  we  consi de r  it   on e  of   the  m ajo r  iss ue s  to  stud y  the  im pact  of   cro sstal k  on  F SO I s  syst e m s  and   de velo p  m e thods  an d  m odel s  to  descr i be  the  pro pag at i on  of  the  li ght  in  these   syst e m s.  Geo m et rical   ray   t racin g  m e tho ds  can  be  us e d  to  descr ibe  t he  pro pagat io n  of   li ght  bea m s   in   un a pe rtur e d  opti cal   sy stems  [ 6]  and   do  not  ta ke  into  c onsid erati on   the  dif f racti on   a nd   t he   cl ipp in g  of  the   li gh t  du e  t o  fi nite  aper t ur es .  I n  re al it y,  op ti cal   syst e m s  hav e  li m it ed  siz e  and  in  tur n  finite   aper t ur e.   The r efore,   m et ho ds   t o  de al   with  these   a per t ur e d  syst em s   are  need e d.  In   [1 ]   a  di ffra ct ion   f or m al is m   based   on  H uyge ns - Fr es nel  pr inci ple  was  us e d  to  stud y  the  cr os sta lk  ef fect  in  FSOIs  ta king  into  acco unt  the  m ic ro le ns   finite   aper t ur e.  T he  op ti cal   wa ve  e m itted  from   the  VCSEL  w as  a  plane  wa ve  dif fr act e d  by  a  finite   ap ertur e   window.  In   [ 7]   a  m od ifie d  m od e  exp a ns io n  was  us e d  to   stud y  the  dif frac ti on   of  the  l aser  beam .  In   [5 ]   ray   traci ng   a nd   dif fr act io n  pro pa gation  m et ho ds  was  com bin ed  an d  us e d  to  pro pa gate  the  li gh t  in  the  op ti cal   interco nnect   s yst e m .   Ho we ve r,   these   m et h od s   ca n  be  us e d  to  deal  with  al ign ed   FS OI s   syst e m s.  In   pract ic al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Crosstalk i n misali gned  fr ee s pa ce  opti cal i nt erconnects:   m od el li ng  and si mu l ation   ( Ne dal Al - A babne h )   1621   app li cat io ns ,  t he   opti cal   com po ne nts  a re  s ubje ct   to  m isa l ignm ent  wh e n  c on structin g  the   F SO I s  syst em s  [8 , 9 ] .  In   fact,  m isa li gn m ent  of   op ti c al   com po ne nts  degra des  the   pe rfor m ance  of  FSOIs,   increa s es   the  c ro s sta lk,  a nd  decr ease s  syst em   eff ic ie ncy.  Ther e f or e,   it   is  i m po rtant  t o  s tud y  the  c r os st al k  in du ce d  by  the  m isa l ign m ent  of   FSOIs.  In   [10] ,  a  m e tho d  c om bin ing   fr ee - s pace  Ga us sia n  beam   pr op a ga ti on   the or y  a nd  ge neral iz ed  Coll ins   diffracti on  the or y  was  pr e se nted  t o  pro pagat e  the  beam s  in  a  m isa li gn ed  F SOIs  syst e m   with  finite   aper t ur e .   The  a naly sis  in  [ 10]   assum e d  the  fun dam ental   Her m it e – Ga us sia n  m od el   ( HG 00 )  f or  the  li gh t  bea m s  in  rectan gu la r  c oor din at e syst e m .    So luti ons  of   t he   par a xial  Hel m ho lt z  equ at i on  can  be  fou nd  as  c om bin at i on s   of  He rm ite – Ga us sia n  m od es  (w hose   a m plit ud e  prof il es  are  sep arab le   in  x  an d  y  us ing   Ca r te sia n  coord i na te s)  or   sim i lar ly   as  com bin at ion s   of   La guer re – Ga us sia n  m od e s  ( whose   a m plit ud e  pro file s  are  s epar a ble  in  r   and   θ   us in gcyl ind ric al   coo r din at es ) .  Althou gh   th e re  are  ot her   po ssible  m od al   de com po sit ion s,   these  two  so l utions  are the  m os t us efu l  for pr oble m s w it h  com pact b eam s in  whic h  the  opti cal  p owe r  is c onfined al ong t he o ptica l   axis.  Be am   pr of il es  w hich  a r e  ci rcu la rly   sym m e tric   (o r  la sers  with  ca vit ie s  that  are  cy li ndrical ly   sy mm et ric)  are  oft en  best   so lve d  usi ng   the  Lag uerre - Ga us sia n  m o dal  dec om po sit ion .  T hese  be a m s  are  def i ned   i n  cy li nd rical   co ordinates  an d  can  hav e  a dv a ntage s  ov er  Her m it e – Gau ss  m od es  in  the  presen ce  of    cy li nd r ic al  sy m m e try .   In   t his  pa pe r,   a   cro s sta lk  m odel   for  a  m isa l ign ed   le ns   base d  FSOIs  syst em   with  ci rc ular  a per t ur e  will   be  pr e sente d  assum ing   Lag uerre – Ga us sia n  m od el   of   any  order   ( LG pm )  fo r  the  be a m   in  a  c yl i ndrical   coor din at e  sys tem .  This  m od el   is  de rive d  ba se d  on  the   cy li nd rical   f orm   o f  Coll ins   dif fr act io n  i nt egr al .   An   a ppr oxim a te   analy ti cal   fo rm ula  for  the   op ti cal   fiel d  at   the  receive r   side  is  de rive d  by  e xpan ding  th e   m ic ro le ns   ape r ture  f un ct i on   i n  te rm s  of   com plex  Gau ssian  f un ct io ns .  C om par ed  to  ot her   m od e ls,  thi s  m od el   is  m or e  appr opriat e  to  deal  with  the  ci rc ular  sy m m et ric  op ti cal   el e m ents  of   the  FS O I s  wh ic h  co rr es pond  to  the  hi gh est   po ssible  sym m etr y  an d  th us   hi gh  interc onnec ts  fideli ty   [11].  Mo reover ,  th is  m od el   ta kes   into   account  the  e f fect  of   highe r  o r der   m od es  of  the  be am   tha t  hav e  been   i gnore d  by  s om e   m od el s.  U sin g  this  m od el ,  the  ove rall   crosst al k  is   est i m at ed  includi ng  the  st ray  li gh t  cr os sta lk .  The   SCR   of   FSOIs  syst em   is  al s o  evaluate d  a nd  op ti m iz ed.   The   analy ses  s how   that  the  siz e  of  the   detect or   a nd   the  stray   li ght  cr os sta lk   pla y  an   i m po rtant  r ole  to opti m iz e the SCR an d sh ou ld b e  consi der e d  w he n desi gn i ng a FSO Is  sys tem .       2.   OPTIC AL  FI EL D  IN  A GE NER AL  MISALIG NED FI RS T O R DER   OPTIC AL S Y STE M   Figure  1  is  a  si m ple  sche m ati c  diagr am   fo r  a  two - dim ension al   m isa li gn ed  opti cal   syst em .  P1   and   P 2  are  tw o  re fer e nce  pla nes  for   the  al ign e d  s yst e m ,  and   P 1m   and   P 2m   are  the  co rr es po nd i ng   pl a nes  f or   t he   m isa li gn ed  syst e m .   l   is  the  longit ud i nal  le ng t h  betwee n  the  input  and   the  outp ut   planes.   1 1 , y x   and   2 2 , y x are the  r ect a ngular  c oor din at e s on  t he  m isa lig ne d plane s P 1m  an d  P2 m , r e sp ect ively .            Figure   1.   Mi sal ign e d op ti cal  s yst e m       Assum ing   a  li near   opti cal   syst e m   and   usi ng  the  par a xia l  approxim at io n,   t he  ou t pu t  op ti cal   fiel d  ) , ( E 2 2 2 y x can  be  ob ta i ne d  from   the  input  fiel d  ) , ( E 2 2 1 y x us in g  Coll ins  di ffrac ti on   inte gr al   i n  rectan gu la r   coor din at e as  [ 13 ] :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   Int   J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   2019   :   1620   -   1629   1622   1 1 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 1 2 2 2 d   ) ( ) ( 2 ) ( 2   e x p ) , ( E 2 ) , ( E dy x hy gx fy ex y x d y y x x y x a b ik y x b ik y x   (1)     / 2 k   is  the  wav e  num ber   and   λ  is  the  wa velen gth.   α ,  b ,  c ,  an d  d   are  the  tran sfe r   m at rix  el e m en ts  of   the ali gne d op ti cal  syst em   and   e ,  f   ,  g , a nd  h  a re  t he  m isa l ign m ent p aram et ers  an d gi ve n as   :     x T x T s e 2   (2)     y T y T s f 2   (3)     x T T x T T d b s d b g ) ( 2 ) ( 2   ( 4 )     y T T y T T d b s d b h ) ( 2 ) ( 2   (5)     x s   and   y s   are   the x   and  y m isa l ignm ents .  x   and   y   are the  angular  m isa li gn m ents b et wee n  the ali gn e d  a nd   m isa li gn ed  tra ns ve rse  ax es . T , T , T ,   and   T   are the  m isa li gn m ent   el e m ents d et erm i ned b y      d c b l a T T T T 1 , , , 1   (6)     Using  ) c o s ( x   an d ) s i n ( y ,  ( 1) in th e  cyl indric al  co or din at e  syst e m  can  be give n by [ 12] :     1 1 1 1 2 1 2 1 2 2 0 2 0 1 1 1 2 2 2 c o s e x p 2 e x p 2 e x p 2 d θ d ) ( θ b ik b i k a   b ik ) , θ ( E πb ik ) , θ ( E π   (7)     1 1 ,   an d  2 2 ,   are t he  cy li nd rical  c oor din at es in  P 1m  a nd P 2m  p la nes, res pecti vely .     2 2 2 2 2 2 2 2 s i n c o s θ h θ g d   (8)     2 2 2 2 2 2 2 2 /2 s i n /2 c o s f e   (9)     and     /2 c o s /2 s i n t a n 2 2 2 2 1 e f   (10)     The  ( 7)   gi ves  the  op ti cal   fiel d  distrib utio n  at   the  ou tp ut  plane  f or   a  li ne ar  op ti cal   syst e m   in  a  cy l ind rical   coor din at e syst e m  w it h  sli ght  m isa li gn m ent.       3.   OPTIC AL FI EL D  IN  A M I SA LIG NED  F SOIs WIT HO UT APE RT U RE   Con si de r  t he  FSOIs  syst em   show n  in   Fig ur e   2.  This  opti cal   syst e m   consi sts  of  V CSELs   ar ray ,   m ic ro le ns  arra y, and  d et ect or s ar ray. Th e las ers   arr ay  is p la ced at the f oc us plane of th e transm it te r  m ic ro le ns.   The  m isa li gn m ents  of   the  m i cro le ns   with  r espect  to  the  opti cal   axis  of   the  FSOIs  syst e m   are x s , 0 y s   and   0 y x   as s how n  in  Fi gure  2. The   tra ns fe r  m at rix  el e m ents o f  the  a li gn ed  FSO Is  s yst e m  are:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Crosstalk i n misali gned  fr ee s pa ce  opti cal i nt erconnects:   m od el li ng  and si mu l ation   ( Ne dal Al - A babne h )   1623   1 , / 1 , , / 1 d f c l b f l a t t   (11)     and the m isa li gn m ent p aram eter s a re:     0 , / 1 , 0 , / T t T T t T f f l   (12)           Figure   2.   Mi sal ign e d  le ns - bas ed  F SOIs       0 , 0 , 0 , 2 h g f s f l e x t   (13)     The  beam   e m i t te d  f ro m   the  la ser  s ource  is   a  LG  beam   with  waist   ra diu s 0 .  I n  this   case,  t he   opti cal   fiel d  distrib utio n  of   a  LG  be a m   fo r  any  order   in  t he  cy li nd rical   coor din at e  syst em   at   the  plane  of   the   transm itti ng  m i cro le ns  is  giv e n by [ 5]     1 2 1 2 1 m p 2 1 2 1 1 1 1 1 1 e x p 2 L e x p   2 ) , ( E im m   (14)     m p L   is  the  Lagu er r e  po ly nom ial  with  m od e  or de rs  p  an d  m .  Using  pro pa ga ti on   theo ry  of   Gau s sia n  bea m   in   fr ee  sp ace , th e   beam  r adius   at   the fro nt s urfac e of the  transm it te r  m ic ro le ns   is     4 0 2 2 2 0 1 1 t f   (15)     wh e re  t f   is  the  fo cal   le ng t h  of  the  transm it te r   m ic ro le ns   S ubsti tuti ng   ( 14)  i nt o  ( 7)  an d  us ing   (11 ),   ( 12) ,  an d   (13),  we  ca n o btain the  opti c al  f ie ld at the  det ect or s a rr ay  a s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   Int   J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   2019   :   1620   -   1629   1624   4 1 2 2 2 1 2 2 2 2 t 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 t 2 2 2 2 2 2 2 t 2 2 1 2 1 1 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1 2 s i n /f 2 c os 1 4 s i n /f 2 c os e x p s i n /f 2 c os 2 1 1   2 e x p e x p 2 ) , ( E k l s k L k l s k s k k l ik im l ik x m p x m x p p m m   ( 16)     In the a bove  equati on  k   is      l f l ik k t 2 / 1   ( 17)     The  a bove  eq ua ti on   is  cl os e d  form   fo rm ula   for  the  opti ca l  fiel d  of   t he  LG  beam   propagati ng   t hro ugh  le ns  base d  FSOIs  syst e m   with  s li gh t  m isa li gn m ent.  In   fact   (16)   prov i des  a  su it able  way  fo r  est i m at i n g  the   cro sstal k  in  the   FSOIs  syst em   under   c onside rati on,  an d  ca n  be  us e d  to  st udy  the  im pact  of   beam   hig her  order  m od es on the  c ro sstal k  a nd in t urn on t he FS OI s  syst em  p erf orm ance.       4.   OPTIC AL  F IEL D  I N  A   MISALIG N ED  FS OIs  WITH  CIRC ULA R  APE RTU RE  US I NG  PROP OSE D MO DEL   In  this  sect io n,  a   pr op a gatio n  m od el   of  an   LG  beam     pro pag at in g  i n  a   ci rcu la rly   a pe r ture d  F SOIs  syst e m   is  der ived   by  ex pr e s sing   the  ha rd   aper t ur e  functi on   of   t he  m icr ole ns   into  i n  te rm s  of   com plex   Gau s sia n f un ct ion s  [14,1 5]. L et   ) ( 1 A   the circ ular   aper t ur e  f un ct i on w it h  1 a   rad i us     1 1 1 1 1 0 1 ) ( a a A   (18)     us in g (7) a nd   ( 18) , we  fo und  the  fiel d  distribu ti on at t he pl ane  of d et ect or s array  as:     1 1 1 1 2 1 2 1 2 2 1 0 2 0 1 1 1 2 2 2 ) c os ( e x p 2 e x p   2 e x p ) ( ) , ( E 2 ) , ( E d d b ik b i k a b ik A b ik   (19)     The  a bove  i ntegr al   ca n  be  s olv ed   by  e xpress ing   t he  ci rc ular  ape rtu re  f unc ti on   in  te rm s  of   lim it ed  nu m ber   of   com plex  Ga us s ia n  f unct ion s  [14 ] :     2 1 2 1 1 1 e x p ) ( a B A A n N n n   (20)   wh e re  n A   and   n B   ar e  com plex  coeffic ie nts.  The  va lues  of   th ese  coeffic ie nts  f or  10 N   are  ta bu la te d  in  [14].  Substi t uting  ( 20)  into   ( 19)  a nd  perform ing  the inte gr at io n,  we ob ta in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Crosstalk i n misali gned  fr ee s pa ce  opti cal i nt erconnects:   m od el li ng  and si mu l ation   ( Ne dal Al - A babne h )   1625   2 2 1 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 t 2 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 t 2 2 2 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1 2 2 2 2 t 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2 2 2 s i n /f 2 c os 1 4 s i n /f 2 c os e x p 1 1 s i n /f 2 c os 2 2 e x p e x p 2 ) , ( E a B k l l s k L a B k l s k a B k a B k A s l ik im l ik n x m p n x p n N n p m n n m x m   ( 21)     The  (21 )  is  the   m ajo r  c on tri buti on  in  t his  pa per  an d  repres ents  a n  a pprox i m at e  analy ti ca l  relat ion   f or  the  op ti cal   fiel d  of   the  LG  beam   pr op a gat ing   thr ough  th e  ci rcu la rly   aper ture d  m isa l i gn e d  FS OI s  s yst e m   sh ow n  in  Fi gure   2.   N ote  that  fo r  infi nite  ap ertur e  siz e,  (21 )  beco m es  identic al   to  (16)  der ive d  in  previo us   sect ion .   I n  fac t,  this  relat ion  pro vid es   a  s ui ta ble  way  f or   est i m at ing   th e  cr os sta lk  i n  a  sli gh tl y  m isalign ed   FSOIs syste m  t akin g  int o  acc ount t he  e ff ect   of f i nite ape rtu r e of the  m ic ro le ns .       5.   EST IMA TI N G CRO S STA LK - TO - SIG N AL RATIO   Fo r   the  sa ke  of   est im at ing   the  SCR   w e  c on si der   Fig ur e   2.   At  the   tra ns m itter  m ic ro le ns es  ar ray,   the  ov e rlap  be tween  the  int end e d  m ic ro le ns   ape rture  an d  stray   li gh t  from   neigh bor ing   la sers  cau ses  a  cro sstal k  noise .  The  stray   crosst al k  c an  be  s een  as  the  por ti on   of  the  transm itted  powe r  from   the  inten de d  so urce  t hat  pas ses  thr ough  nei ghbori ng   m ic ro le ns es   an d  rea ch  oth er   detect or s   as  s how n  i n  Fi gure   2.   T he   stray   cro sstal k  powe r  ca n  be  f ound   as  the   total   po wer  receiv ed   by   al l  neig hbor i ng  de te ct or s   f r om   the  li gh t  c om ing   thr ough  neig hbori ng  m ic ro le ns es  ass um ing   on ly   the  inten de d  source  is  on.  I n  this  case,   we  can  est i m a te   the  stray  cr os sta lk  powe r by      1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 12 11 1 2 1 ) , ( E 4 ) , ( E 4 d d d d P P P c c c     (22)     11 c P   an d  12 c P     are   the  cro sstal k  no ise s    recei ved  by  t he  inte nd e d  det ect or   from   the    neig hbor  a nd  next   neig hbor  la ser s  resp ect ively .  1   and   2    are  the  areas  co ver e d  by  neig hbor  a nd   ne xt  neig hbor   tra ns m itted  m ic ro le nes,   res pecti vely .  O n  t he  oth er   ha nd,  at   the  detect ors   plane ,  the  ove rlap  betwee n  t he  inte nd e d  de te ct or   aper t ur e  an d  th e  diffracte d  li ght  beam s  fr om  oth e r  VCSELs   through  ot her   transm itted  m i cro le nes  al so   c auses   a  cro sstal k  noi se.  This  cr os st al k  is  cal le d  diffracti on   in duc ed  crosst al k.   T he  total   diffrac ti on   induce d  cr os sta lk   powe r  recei ve d  by  the  inte nded   detect or  c an  be  f ound  a s  the  power  re cei ved   by  al l  neig hbori ng  de te ct or s   from   the  li gh t  com ing   thr ough  inte nd e d  m ic ro le ns   powe r  assum ing   only   the  inte nded   so urce  is   on.   I n  this   case,  we  ca n  es tim a te  the d if frac ti on  in duce d cros sta l k powe r by     2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 21 2 4 3 ) , ( E 4 ) , ( E 4 d d d d P P P c c c     (23)   21 c P   and   22 c P    are  the  cro sstal k  noise s   received  by  th e  detect or   f ro m   the    neighb or   and   nex t  neig hbor  detect ors  resp ect ively .  3   and   4    are    the  areas  co ver e d  by  neig hbor  and   nex t  neig hbor   detect or s ,    r especti vely .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   Int   J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   2019   :   1620   -   1629   1626   The  total   po we r  of  the  c ro ssta lk  noise   is  the  su m   of   1 c P   an d 2 c P .  The  total   sig nal  powe r  is  the  powe r  recei ve d  by  the  inten de d  detect or  f rom   the  li gh t  com ing   from   the   intende d  s our ce  throu gh   t he   intende d  m ic r olens .   Ba sed on t his,   we  est im at e th e sig nal po wer   as:     2 2 2 2 2 2 2 ) , ( E d d P s    (24)     is  the  area   cov ere d  by  inten ded   detect or.  Af te r  est im ati ng   the  sig nal  and   the  c ro sst al k  for  the  FS O I s   syst e m ,  the  SCR   cou l d  be  determ ined.   I n  our  m od el ,  no  de te ct or   pream pli fier  is  us ed   an d  the  c r os sta lk   nois e   resu lt in g  f ro m   stray   li gh t  at   transm itted  m i cro le nes,   li ght  diffracti on  f rom   aper ture s,  a nd   m isa li gn m e nt  are   include d. Ba se d on ( 22), ( 23), an d  (24), the  S CR  r at io ca n b e d et erm ined  a s     2 1 c c s P P P SC R   (25)       6.   NUMER IC A L RES ULTS  AND DIS C USSION   The  f ollow i ng  pa ram et ers  are  us e d  in   th e  sim ulatio ns :   f or  the  l ase r   sourc e  the   w avelen gth  is   0.850  µm   an d  t he  waist   ra dius   of  eac h  outp ut  beam   is  3  µm ;   f or  the  t ran sm it te r  m ic ro le ns  the  f ocal  le ng t h  a nd   the  diam et er  are  72 0  µm   and   25 0  µm ,  resp ect ively .  Th e   la sers  ar ray  is  placed  i n  th e  fo c us   plane  of   t he   m ic ro le ns   a rr a ys.  The   interc onnecti on  le ngt h  of  is   2.5   m m   and   the  i ntercon necti on s   sp aci ng  is   25 0  µm .   The  SCR   will   be   use d  as  t he  perf or m ance  m easur e.  In  the  si m ulatio ns ,  the  ef fect  of   finite   ape rtur e ,   m isa li gn m ent,  high  orde r  m od es,  a nd   stray   cro sstal k  on  th e  SCR   will   be  e m ph asi zed .  The  sim ulati o n s  ar e   perform ed  us ing   t he  ge neral iz ed  Coll ins  diffracti on   t heory  [ 16 ]   a ssu m ing   a  lin ear  F SOIs  s yst e m .   To  a pproxim ate  the  ape rtu re   functi on  we   us e  the  sam e  coeffic ie nts  us ed  in  [14]  wit h 10 N .  Figure  3  sh ows   the  a pp roxim at ed  aper ture   f unct i on  with  rad i us mm a 1 2 5 . 0 1 .  It   is  cl ear  th at   10  c om plex  Ga us sia n  functi ons  are   su ff ic ie nt  to  com po se  the  har d  a per t ure  fu ncti on.  Sim ula ti on   resu l ts  in  the  fo ll ow i ng   su bse ct ions,  6.1  a nd  6.3 ,   ass um e  on ly   the   f undam ental   LG  m od e,   L G 00 ,   f or  the   la se r  s ource.   T he  im pact  of  VCSELs ’ hig he r  m od es  will  b e c onsidere d  i n  the  s ub sect io n 6.3.           Figure   3.  A ppr ox im at ed  aper t ur e  fun ct io n wi th r a diu s     and  N=10       6 . 1.      S C R  f or ali gn ed  FS OIs  sy s tem   Figure  4  s how s  the  SCR   ve rs us   detect or  ra di us   f or  the   ap er ture d  a nd  the   unpe rtu rb e d  FS OI s   syst em s  with  a n  interc onnecti on  le ng t h   of  2.5   m m .  I t  is  cl ear  that  the  SCR = is  25  for  the  a per t ured  FS O Is  a nd   i t  is  23   for  the   un a pert ur e d  on e .  F ur therm or e,  t he  SCR   dro ps   qu ic kly  as  the   de te ct or   rad i us   decr ease s.  M oreo ver,   op ti m u m   detect or  r adi us   ca n  be  ob ta ine d  a s sh ow n  in   Fig ur e  4.  F or   e xam ple,  w hen  the r e qu i red  SCR  is above  10   t he  co rr es pondin g  detect or  ra diu s  ranges   from   5  µ m   to  77   µm .  Fo r  m axim u m   SCR ,  t he  opti m u m   de te ct or   rad ii   f or   t he  a pe rtur e d  a nd  the   unpe rt urbe d  s yst e m s  are  22  µ m   and  2 3  µm ,  res pecti vely .  The  e xistence of   s uc h  op ti m u m   can  be  ex plaine d  by  consi der i ng  the  desig n  form ula  us ed  to  m od e l  the  cro sstal k.   In   this   pape r ,   we  c on si der   t he   dif fr act io n  in du ce d  c ross  ta lk  a nd   t he  stray   li gh t  cr os sta lk .  The   di ffract io n  in duced   cr osst al k  mm 1 2 5 . 0 1 a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Crosstalk i n misali gned  fr ee s pa ce  opti cal i nt erconnects:   m od el li ng  and si mu l ation   ( Ne dal Al - A babne h )   1627   dep e nds  on  th e  detect or  radi us   wh il e  the   stray   cr os sta lk   de pends   on  t he  m ic ro le ns   rad i us .  For  a   giv e n  m ic ro le ns   ra diu s,  the  stray   c ro sstal k  is  const ant  and   ov e r wh el m s  the  diffracti on   c ro s s ta lk  at   s m all  detect or   siz e.  In   t his  c a se,  the  decr eas e  of   t he  SCR   a s  the  detect or  siz e  decr eases  is  du e  t o  the  de crease  in  t he  sign al   powe r.   F or   la r ge  detect or   siz e,  the  diffracti on   c r os sta lk  is   do m inant  an d  in creases  with  the  detect or   siz e.   The  balance  be tween  th e  sig na l  power,  the  di ff racti on  c ro s s ta lk,  an d  the  st ray  crosst al k  e xp la in s  the  e xistence  of opti m u m  d et ect or  size.     To  s how  t he  im pact  of   cha ngin g  interc onne ct s  den sit y  on  the  desig n  par am et ers  of   the  FS OIs ,   we  hav e   pl otted  in   Fig ure  5  t he  SCR   ve rsus   detect or  rad i us  dif fer e nt  i nterco nnect s   s pac ing .   It  is   note d  from   the  F ig ure  that   the  SCR   decre ases  as  inte rc onnects  de ns it y  increases .  F or   a n  i nterc onnects  s pacin g  of   25 0  m m ,  26 0mm ,  and  27 0  m m   t he  c orres ponding  opti m u m   values  of   t he  S CR   are  23,  39,   an d  67,  resp e ct ively .  More ov e r,   the   cor respo nd i ng  opti m u m   detect or   ra dii  are  22  µm ,  16   µm ,  and   13   µm ,  resp e ct ively .   The  opti m u m   value  of   the  de te ct or   ra diu s  de creases  as  int ercon nects  de nsi ty   decr eases.   Ba sed  on  the  above  si m ulati on s  an d  an al yse s,  it   app ea rs  t hat  th e  detect or  siz e  play s  an  im po rta nt  r ole  an d  strongly  a ff ec ts  the   SCR  o f  the  FSOIs  syst em .            Figure   4.  SCR   ver s us   detect or  r a diu s  f or  t he  aper t ur e d  a nd t he unpe rturbe d FS OI s  syst em         Figure  5 .  SCR   ver s us   detect or  r a diu s  f or  t he  aper t ur e d  F SO Is  s  with i nterc onnects s pacin g   as a  par am et er       6 . 2 .      S C R  f or  mi sa li gn ed  FS OIs s ys te m   Figure  6  s hows  the  SCR   ver s us   detec tor  ra diu s  for   the  aper tu re d  FS OI s  syst e m   with  an  interco nnect io n  le ngth   of   2.5   m m   un der   dif fer e nt  m isa l ignm ents  for  t he  m ic ro le ns   i n  x - directi on.   T he   SCR   decr ease s  with   m isa l ign m ent.  The  SCR   is  15 . 5  f or   5  µm   m isa li gn m ent,  wh il e  it   decr ea ses  to  10.5   when  the   m isa li gn m ent  i s  10   µm .  More ov e r,   t he  opti m u m   detect or   rad i us   dec reas es  with  inc reas ing   the  m isa li gn m ent.  This  ca n  be  e xp la ine d  by  t he   ai d  of  us in g  Fig ur e   7.  It  is  cl e ar  t hat  th e  m isalign m en t  strongly  a ff e ct s  th e   norm al iz ed  cross ta lk  powe r  plo tt ed  as  in   Fig ur e   8.   The refore ,  opti m u m   de sign   will   choos e  sm a ll   detect or   siz e   to m ini m iz e the crosstal k  a nd  in  tu r n  im pr ove the SCR.     6 . 3 .     Ef fect  of  VCSEL s’ hi gher  m od es  on  SCR   In   Fig ur e  8,  w e  ha ve  plo tt ed  the  SCR   ve rs us  detect or  ra di us   for  the   ape r ture d  FS O Is  s yst e m   in  the  pr ese nce  of  hi gh   orde r  m od es  f or   the  la ser  source .  We  assum ed  the  pr ese nce  of  LG00,   L G 00 +LG 01 ,  LG 00 +LG 01 +L G 10 ,  res pecti ve ly .  The  fr a ct io nal  coe ff ic ie nt s  in  th e  tw o  m od es  case  for  LG 00 ,  L G 01  are  0.9   and  0.1 ,  res pec ti vely ,  wh il e  t hey  are  0.4,  0.55,  a nd   0.0 5  f or   LG 00 ,  LG 01,  and  LG 10   res pe ct ively ,  for  th e  three   m od es  [5 ] ,  [17 ] .  W e  can  see  from   Figu re  8  that  the  SCR ,  in  the  pr ese nc e  of   only   the  LG 00  m od e,  is  higher  than  that  w hen  two  or   t hr ee  m od es  are  pr e sent.  F or   exa m ple,  the  op ti m u m   SCR   fo r  the  LG 00   m ode  is  23 .   Howe ver,  the  op ti m u m   SCR  fo r  t he  LG 00 +LG 01  m od es    and     LG 00 +L G 01 +LG 10    m odes  ha ve    dro pp e d  t o  appr ox im at ely   14  a nd  2.7 ,  r especti vely .  T he  c orres ponding  opt im u m   detect or   ra dii  f or   sin gle  m od e,  t w o  m od es,  an d  th r ee  m od es  are  22  µm ,  28   µm ,  and  42  µm ,  res pecti vely .  T he  op ti m u m   detect or   rad i us   inc re ases  with  num ber   of  m od es.  This  can  be  e xp la in ed  base d  on  th e  fact  that  the  sp rea d  of  the  li gh t  increa ses  with   nu m be r of m od es a nd the  d et ect or   rad i us  s houl d  inc rease t o gathe r  m or e l igh t  for  la r ger  SCR .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   Int   J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   2019   :   1620   -   1629   1628       Figure  6 .  SCR   ver s us   detect or  r a diu s  f or  t he  aper t ur e d  F SOIs syst em  w it h  x - m isa li gn m en t   as a  par am et er       Figure  7.  N orm al iz ed  cro sst al k  ve rs us   dete ct or   rad i us   for  the  m isa l ign ed  ap e rtu red  FSOIs           Figure  8 .  SCR   ver s us   detect or  r a diu s  f or  t he a per t ur e d  F SOIs syst em  w it h  diff e re nt laser  m od es       7.   CONCL US I O N   We  ha ve  a naly zed  a  sli gh tl y  m isa li gn ed  f re e  sp ace  opti cal   interco nnect s  syst e m   e m plo yin g  ar rays  of   la ser  sour ces,  m ic ro le ns es,  a nd   detect ors.  A  no vel  dif fr a ct ion   m od el   ha s  bee n  pr opose d      us in g  cy li nd rica l   form   of   Coll in s  dif fr act io n  in te gr al .  S om e  a ppr ox i m at e  cl o sed  f orm   fo rm ulas  f or   t he  li ght  opti cal   fiel d  at   the   detect or  pla ne  wer e  de rive d.     Using  t he  pr opose d  dif fr act i on  m od el   an d  the  de rive d  for m ulas,  the  SCR   has  been  est i m at ed  an d  use d  a s  th e  perf or m ance  m easur e.  N ume rical   si m ulatio ns  ha ve  s how n  that  m isa li gn m ent,   stray   li gh t,  m icr ole ns   fi nite  ap ertur e ,  a nd   la s er  hi gh e r  order  m od es  a ff ect   t he  f ree  s pace  opti cal   interco nnect s  syst e m   and   hav e  stron g  influe nces  on  the  sign al - to - c r os sta lk  rati o,   an d  it   is  i m po rtant  to  consi der   them   in  real   app li cat io ns .  Mo re ov e r,   our  analy ses  ha ve  sh ow n  that  opt i m u m   SCR   ca n  be  obta ined  us in g  the  detec tor  siz e  as opti m iz at ion  p a ram et er.       REFERE NCE S     [1]   Ta ng,   Suning;  Chen,   R a y   T . ;  Garre tt,  L ara;  G ero ld,  Dave ;   Li,   Maggie   M .   ”D esign  li m itati ons   of  highly   par al l el  fre e - spac e  opt ical  in te r conne c ts  base d  on  arr a y   of  ver tica l  c avi t y   surfa ce - emitt i ng  la ser  d iode s,   m ic role nses,   an d   photo  de te c tors, ”  J .   Ligh twav e   Technol .   12 ,   1971 - 1975 ,  1994 .   [2]   Fuada,   S y ifa u l,   et   a l.   "N oise  An aly s is  in  VLC  O pti c al   L ink  base d  Discre tte  OP - AMP  Tra ns - Im p eda nc e  Am pli fier  (TI A) , "  Tel komnik a   15 . 3 ,  1012 - 1 021 ,  2017 .   [3]   Al - aba bneh ,   Ne dal .   "A ber r ated  Microl ense s  to  Reduc e  Cross tal k  in  Free   Spa c e  Optic a l  Int erc o nnec ts  S y st ems , "   Mode rn A ppl ie d   Sci en ce   12,   no.   5 ,  100 ,  2018 .   [4]   M.  Chât e aune uf ,   A.  G.  Kirk,   D.  V.  Plant ,   T.   Ya m amoto,   and  J.  D.  Ahea rn,   “ 512 - cha nne l  ver t ical - ca vi t y   surfac e - emitt ing   la ser - b a sed  fre e - spac e   o pti c al   li nk, ”  App l.   Opt .   41 ,   5552 – 556 1 ,  2002 .   [5]   F.  F.  Tsai ,   C.   J.  O’Brien,   N.  S.  Petrovi c´ ,   and  A.  D.  Raki c´ , “ Anal y s is  of  opti c al  cha nnel   cro ss   ta lk  for  fre e - spac e   opti c al   int er conn ec ts  in  th e  pr ese nce   of   high er - or der   tr ansve rse  m odes, ”  Appl.  Opt .   44 ,     6380 – 6387 ,  2005 .   [6]   R.   W ong,   A.  D.  Raki c,   and   M.  L.   Maje ws ki,   “ Design  of  m ic roc hannel  fre e - spa ce   optical   in te r c onnec ts  base d  on   ver tical - ca v ity   s urfa ce - emitt ing   l ase r  a rra y s, ”  Ap pl.   Opt . ,   vol .     41,   no.   17,   3469 – 34 78 ,  2002 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Crosstalk i n misali gned  fr ee s pa ce  opti cal i nt erconnects:   m od el li ng  and si mu l ation   ( Ne dal Al - A babne h )   1629   [7]   N.  S.  Petrov ic ´   and  A.  D.   Rakic´ ,   “ Modeli ng  d iffr action  and  i m agi ng  of  l ase r   b ea m s  b y   the  m ode - expa nsion   m et hod, ”   J. Opt. Soc .   Am.   B  22 ,   556 – 566 ,  2005 .   [8]   N.  S.  F.  Ozka n ,   W .   L.   Hendri ck,  P.  J.  Marc hand ,   and  S.  C.   Esener,  “ Misali gnm ent   tol e ran c e  an alys is  of  fre e - spac e   opti c al   int er conn ec ts v ia sta t isti c a l  m et hods,”   App l .   Opt .   41 ,   2686 – 2694 ,  2002 .   [9]     F.  La cro ix ,   M.  Chât e aune uf ,   X.   Xue,   and  A.  G .   Kirk,   “ Expe r i m ent al   and  num eri c al   an aly ses  of  m isal ignmen t  tol er anc es   in  fr e e - spac e   opt ic a l i nte rco nn ec ts , ”  A ppl.   Opt .   39 ,   704 – 713 ,  2000 .   [10]   W enhua   Hu,*  X iuj ia n   L i,   Ji anku n  Yang,   and  Di   Kong  “ Cro ss ta lk  anal y s is  of  a ligned  and   m isal i gned  fre e - spac e   opti c al   int er conn ec t   s y st ems , ”  J.  Opt.   Soc .   Am.   A  27,   200 - 205 ,  20 10 .   [11]   N.  Davidson,   A.  A.  Friesem,  and  E.   Hasm an, ”On  the   li m its   of  opti ca l  interc onne ct s, ”  Ap pli ed  Optic s   31 ,   5426 - 5430 ,  199 2 .   [12]   Y.  Cai   S .   He,  “ Propaga ti on  of   a   La gu err e – Gaus sian  be am  through  a  sligh tly   m i sali gned  p ara x ial  optical  s y st em”   Appl .   Ph ys.   B   84 ,   493 – 500 ,  2006 .   [13]   S.  W ang,   L.   Ro nchi ,   “ Princi p le s   and  design  of  opti c al   arr a y s ,   i n  Progress   in  O pti cs  25, ”   ed.   b y   E .   W olf  (North - Holla nd,   Am sterd am,  1988 .   [14]   J.  J.  W en  and  M.  A.  Breaze a l e,   “ A  diffr actio n  bea m   fie ld  ex pre ss ed  as  the   s uper positi on  of  Gauss ia n  b ea m s,”   J.   Ac oust .   So c. Am .   83,   1752 – 175 6 ,  1988 .   [15]   D.  Ding  and  Y.   Zha ng,   “ Notes  o n  the Gaussian  b ea m   exp ansion, ”   J. Acoust. Soc .   Am.   116 ,   1401 – 1405 ,  2004 .   [16]   S.  A.  Coll ins ,   “ Le ns - s y stems   diff rac t ion  integra l w rit te n  in  te rm s of  m at rix  optics, ”  J. Opt.   So c.   A m.   60,   1168 – 117 7 ,  1970 .   [17]     Rong  W ang,   A le ksanda r  D.  Ra kić ,   Mar ia n  L .   Maje ws ki,   “ Anal y sis  of  le nsl ess  fre e - spac e  optical   in te r conne c t s   base d  on  m ult i - t ran sverse  m ode   ver tica l - c avi t y - surfac e - emit ti ng   la sers , ”   Opti cs  Comm unic ati o ns   167,   261 – 27 1 ,  1999 .       BIOGR AP H Y  O F  AU TH OR         Pr of.   Nedal  Al - Ab ab neh   rec ei v ed  his  B. Sc.   and  M.Sc.   degr ee s  i n  El ec tr ical  Eng ine er ing  fro m  Jordan  Univer sit y   of  Scie n ce   an d  Te chnol og y   in   1993  and  1996  respe ct iv ely .     He  rec e ive d  his  Doctor al   of  En gine er ing  degr e e  in  El e ct ri ca l  engi ne eri ng  fro m   Univer sit y   of  Mass ac husett s - Lowe ll   (US A)  in  2004.   He  is  cur ren t l y   ful l  profe ss or  with  the   dep art m ent  of  elec tr ical  engi ne eri ng  in  Jorda n  Univer sit y   of  Scie nc e  an d   Te chnol og y .   His  rese arc h  intere sts  are   in  fre e  spac e  op ti c al i nt erc onne ct s  and  d istri bute d   de tection s y st ems .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.