Σχεδίαση ολοκληρωμένων φωτονικών συστημάτων τεχνολογίας πυριτίου

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ - ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Σχεδίαση ολοκληρωμένων φωτονικών συστημάτων τεχνολογίας πυριτίου ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Χριστίνα Ι. Κελεγκούρη Επιβλέπων: Πλέρος Νικόλαος Λέκτορας Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2011

2 Περίληψη Στα πλαίσια της παρούσας πτυχιακής εργασίας μελετήθηκε η σχεδίαση ολοκληρωμένων φωτονικών συστημάτων τεχνολογίας πυριτίου. Παρουσιάζονται τεχνολογίες πλασμονικών κυματoδηγών (Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton- DLSPP) και Silicon-on-Insulator (SOI), καθώς και αρχιτεκτονική ενός ολοκληρωμένου οπτικού δρομολογητή που συνδυάζει τις τεχνολογίες αυτές. Επίσης, παρουσιάζονται οι 2x2 και 4x4 πλατφόρμες δρομολόγησης καθώς και οι προδιαγραφές τους για δρομολογητές βασισμένους σε MZI και WRR. Στη συνέχεια αναφέρεται η πολυπλεξία μήκους κύματος σε ολοκληρωμένους οπτικούς δρομολογητές, καθώς και τα χαρακτηριστικά που πρέπει να τήρει ο πολυπλέκτης για να υποστηρίζει 40 Gb/s ροές δεδομένων. Έπειτα αναλύονται οι πολυπλέκτες αυτοί με χρήση SOI πλατφόρμας. Ο σχεδιασμός και η προσομοίωση των κυματοδηγών φωτονικών συστημάτων τεχνολογίας πυριτίου, και συγκεκριμένα οι Strip και οι Rib, έγινε με το πρόγραμμα προσομοίωσης PhoeniX, που πραγματοποιεί ανάλυση τύπου Finite Difference Time Domain (FDTD). Η προσομοίωση εξετάζει τις περιπτώσεις κυματοδηγών με διαστάσεις ύψους 0.22 μm και 0.34 μm και πλατών που μεταβάλλονται εντός του εύρους ( ) μm. Το ύψος του slab, στην περίπτωση του κυματοδηγού Rib, είναι 0.05 μm. Ο σχεδιασμός αυτός έγινε με σκοπό τη λήψη αποτελεσμάτων του ενεργού δείκτη διάθλασης. Μετά από πολλές δοκιμές σε διάφορα προφίλ κυματοδηγών προέκυψαν επιτυχή αποτελέσματα, πολύ κοντά στα πειραματικά. Στη συνέχεια, με το ίδιο πρόγραμμα, προσομοιώθηκαν Δακτύλιοι Συντονισμού 2 ης τάξης 1:1 και 2:2 SOI MUX τεχνολογίας πυριτίου για ακτίνες R=5.4 μm και R=9 μm και έγινε η μελέτη της συνάρτησης μεταφοράς του φίλτρου. Τα αποτελέσματα, είχαν κάποια απόκλιση από τα πειραματικά, που μπορεί να οφείλεται στις τιμές του δείκτη διάθλασης που τέθηκαν. Ένας τρόπος βελτίωσης, θα μπορούσε να είναι η δοκιμή διαφορετικών τιμών δείκτη διάθλασης ως προς τα μήκη κύματος για την τελειοποίηση του σχεδιασμού του πολυπλέκτη. Λέξεις κλειδιά: 1. Κυματοδηγοί Strip και Rib 2. Δακτύλιοι Συντονισμού 2 ης τάξης 3. (Απο)-πολυπλέκτες 2

3 ARISTOTLE UNIVERSITY OF THESSALONIKI FACULTY OF SCIENCE DEPARTMENT OF INFORMATICS Integrated Silicon-based photonic system design Diploma Thesis Christina I. Kelegkouri Supervisor: Pleros Nikos Lecturer Thessaloniki, November

4 Abstract The design of integrated silicon-based photonic circuits was studied in this thesis. Firstly, the Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton - DLSPP and Silicon-on-Insulator (SOI) technologies, as well as the architecture of an integrated optical router that combines those two technologies, are presented. This is followed by the presentation of 2x2 and 4x4 routing platforms as well as their specifications on MZI and WRR based routers. We are mentioning the wavelength division multiplexing on integrated optical routers and the specifications that the multiplexer must meet to support a 40 Gb/s data flow. Those are analyzed when using a SOI platform. Using the simulation program PhoeniX, which performs Finite Difference Time Domain analysis (FDTD), the silicon-based Strip and Rib waveguide technologies were designed and simulated. The sizes that were used while designing the waveguide during this simulation were 0.22μm and 0.34μm for the height, while width varied in the range of 0.3μm to 0.8μm. In the special case of the Rib waveguide, slab's height is set to 0.05μm. This design was made in order to gain results for the active refractive index. After many tests on different waveguide profiles, successful results were achieved that were very close to the experimental ones. Furthermore, by use of the same program, 1:1 and 2:2 2 nd order Ring Resonators for R=5.4μm and R=9μm radius, were simulated and the study of the filter's transfer function was performed. The results had a deviation from the experimental ones, which could be caused by the values that were used for the refractive index. A possible way of improving those could be by trying different refractive index values according to the wavelengths, to perfect the design of the multiplexer. Keywords: 1. Strip and Rib waveguides 2. Ring Resonators 2 nd order 3. (De)-multiplexers 4

5 Ευχαριστίες Η διπλωματική εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των σπουδών μου στο Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών του τμήματος Πληροφορικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ. Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά το Λέκτορα κ. Νίκο Πλέρο, επιβλέποντα της παρούσας διπλωματικής για την άριστη καθοδήγηση, υποστήριξη σε κάθε δυσκολία που αντιμετώπισα, και την αμέριστη συμπαράστασή του σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω το Δρ Βυρσωκινό Κωνσταντίνο, για την καθοδήγηση και την ουσιαστική βοήθεια που μου προσέφερε σε όλα τα στάδια της εργασίας μου. Επίσης, ευχαριστώ τον κ. Παπαϊωάννου Σωτήρη, υποψήφιο Διδάκτορα του τμήματος Πληροφορικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ για την πολύτιμη βοήθειά του κυρίως στο πειραματικό μέρος της εργασίας. Τέλος, ευχαριστώ τον κ. Μεντή Φώτη, φοιτητή του τμήματος Πληροφορικής ΑΠΘ, για τη συμπαράσταση και τη βοήθειά του. Θεσσαλονίκη, 1 Νοεμβρίου

6 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Αρχιτεκτονική ενός ολοκληρωμένου οπτικού δρομολογητή Συστήματα πολυπλεξίας WDM σε ολοκληρωμένους οπτικούς δρομολογητές Σκοπός της Εργασίας Δομή της Εργασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πολυπλέκτες WDM με χρήση SOI πλατφόρμας ΚΕΦΑΛΑΙΟ Προσομοίωση και πειραματικά αποτελέσματα για τους Κυματοδηγούς Strip και Rib ΚΕΦΑΛΑΙΟ Προσομοίωση και πειραματικά αποτελέσματα για Δακτυλίους Συντονισμού 2 ης τάξης.. 48 Συμπεράσματα Αναφορές

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή H παράλληλη επεξεργασία συμβάλλει στην ανάπτυξη υπολογιστών υψηλής απόδοσης (High Performance Computers - HPC), γι αυτό το λόγο έγινε επιτακτική η ανάγκη ανάπτυξης επεξεργαστών πολλαπλών πυρήνων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, οι υπάρχουσες ηλεκτρικές διασυνδέσεις, λόγω εύρους ζώνης, να μην είναι ικανές να ανταπεξέλθουν στο μεγάλο αυτό όγκο δεδομένων. Έτσι οι περιορισμοί στο εύρος ζώνης, στην κατανάλωση ενέργειας και οι απαιτήσεις ως προς το ίχνος (footprint) που παρουσιάζουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα είναι οι λόγοι που οδήγησαν στο να έρθουν στο προσκήνιο οι οπτικές διασυνδέσεις ως η πιο υποσχομένη λύση για την προσέγγιση υπολογιστικής ισχύος σε κλίμακα Exascale. Με την προοπτική αυτή η τεχνολογία Φωτονικών Πυριτίου (Silicon Photonics) θεωρείται ως η κυρίαρχη πλατφόρμα για την υλοποίηση οπτικών διασυνδέσεων χαμηλής κατανάλωσης, συμβατότητας με CMOS κυκλώματα καθώς και διαστάσεις συγκρίσιμες με τα ηλεκτρονικά τσιπ. Η Silicon-on-Insulator (SOI) φωτονική πλατφόρμα θεωρείται ως η βασική τεχνολογία για τα οπτικά συστήματα σε τσιπ. Η ενοποίηση με SOI μπορεί να διευκολύνει την πραγματοποίηση των πλασμονικών συσκευών σε τσιπ, που εκμεταλλεύονται στοιχεία που έχουν ήδη αναπτυχθεί για φωτονικά τεχνολογίας πυριτίου. Επιπλέον οι SOI κυματοδηγοί, μπορούν να χρησιμεύουν στη μεταφορά φωτός με χαμηλή απώλεια μεταξύ των πλασμονικών συσκευών, ελαχιστοποιώντας τις συνολικές απώλειες σε τσιπ. Οι SOI τεχνολογίες αποδείχτηκαν ικανές να φιλοξενούν τις περισσότερες από τις κρίσιμες λειτουργίες που απαιτούνται για τις οπτικές εφαρμογές διασύνδεσης, που οδηγούν σε αξιόλογα επιτεύγματα, τόσο σε σχέση με τον πομποδέκτη σε επίπεδο τσιπ αλλά και με τις εφαρμογές κυκλωμάτων δρομολόγησης. Αυτή η πρόοδος με τη σειρά της, ώθησε έντονη έρευνα προς την κατεύθυνση της επόμενης γενιάς των αρχιτεκτονικών Τσιπ με Πολλαπλούς Επεξεργαστές (Chip Multi Processor CMP), οι οποίες βασίζονται σε πολλαπλά επίπεδα οπτικής διασύνδεσης. Πρέπει να αναφερθεί ότι όταν υιοθετείται σωστά η αρχιτεκτονική CMP, στις απαιτήσεις της φωτονικής, υπάρχει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και μεγέθους. Οι πλασμονικοί κυματοδηγοί, λόγω της χαμηλής κατανάλωσης και το μικρό τους μέγεθος, έχουν γίνει ιδιαίτερα δημοφιλείς. Βασίζονται στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, γνωστή ως Surface Plasmon Polaritons SPPs κατά το μήκος μιας μεταλλικής διηλεκτρικής διεπαφής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να έχουν χαρακτηριστικά τα οποία δεν κατέχουν τα φωτονικά και τα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Η χαμηλή αυτή κατανάλωση είναι ιδιαίτερα εμφανής στην περίπτωση των πλασμονικών κυματoδηγών (Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton- DLSPP). Αυτά, 7

8 ανάλογα με την περίπτωση, μπορούν να ρυθμιστούν με την επιλογή του κατάλληλου διηλεκτρικού υλικού. Έχει αναφερθεί σημαντική πρόοδος σε αυτήν την κατεύθυνση τα τελευταία χρόνια, καθώς έχει αποδειχθεί μία ολόκληρη, νέα κατηγορία των παθητικών κυκλωμάτων DLSPP. Η δυνατότητα τους να φτάσουν εφαρμογές, του επιπέδου συστήματος, ενισχύθηκε με την επιτυχημένη διασύνδεσής τους σε διαφορετικές πλατφόρμες κυματοδηγών, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών ινών και των κυματοδηγών SOI. Παρόλα αυτά, η ανάπτυξη τους σε πρακτικές εφαρμογές επιπέδου συστήματος, βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο με κύριο λόγο αυτού, τις μεγάλες απώλειες διάδοσης. Όπως αναφέραμε παραπάνω, η δύναμη των DLSPP ενισχύεται με τη διασύνδεσή τους σε πλατφόρμες κυματοδηγών SOI, οι οποίοι έχουν υψηλή απόδοση και χαμηλή κατανάλωση σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες πυριτίου. Ο τρόπος που είναι κατασκευασμένοι οι SOI, βοηθάει στη μείωση του ηλεκτρικού φορτίου που πρέπει να μετακινηθεί κατά την εκτέλεση μιας μεταγωγής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να είναι γρήγοροι και να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια. Από την άλλη οι DLSPP με τη χρήση διηλεκτρικού πάνω σε λείες επιφάνειες μετάλλου, καθώς και τη χρήση υψηλών δεικτών διάθλασης για την κατασκευή, γίνονται πολλοί ελκυστικοί σε σύγκριση με άλλες πλασμονικές τεχνολογίες. Η χρήση διηλεκτρικού είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα γιατί παρέχει θερμο-οπτικές, ηλεκτρο-οπτικές ή αμιγώς οπτικές λειτουργίες. 1.2 Αρχιτεκτονική ενός ολοκληρωμένου οπτικού δρομολογητή Μια αρχιτεκτονική δρομολογητή που συνδυάζει SOI και DLSPP φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.1 : διάγραμμα μπλοκ a) 2x2 and b) 4x4 δρομολογητή PLATON Πιο συγκεκριμένα, φαίνονται τα 2x2 και 4x4 διαγράμματα μπλοκ του συστήματος PLATON αντίστοιχα. Και οι δύο πλατφόρμες δρομολόγησης λειτουργούν με οπτικές γραμμές δεδομένων της τάξης των 40Gb/s και εγκαθίστανται πάνω σε μια μητρική πλάκα SOI, η οποία φιλοξενεί όλες τις ετερογενείς τεχνολογίες, δηλαδή, SOI με βάση στοιχεία, 8

9 DLSPP διακόπτες, φωτοδίοδοι και ολοκληρωμένο κύκλωμα μικροελεγκτών. Ο 2x2 δρομολογητής προσφέρει μια συνολική απόδοση μεταγωγής των 560 Gb/s, ενώ ο 4x4 παρέχει μια συνολική απόδοση του 1.12 Τb/s. Το σύστημα PLATON που παρουσιάζεται έχει εφαρμογές επιπέδου συστήματος, που μπορεί να εκμεταλλευτεί στο έπακρο τα πλεονεκτήματα του μέγεθους και της χαμηλής χρήσης ενέργειας κυματοδηγών DLSPP. Επίσης, παρουσιάζει μία 2x2 αρχιτεκτονική δρομολόγησης πλασμονίου-πυριτίου, που μπορεί να προσφέρει δυνατότητες απόδοσης έως και 320 Gb/s. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός πλασμονικού 2x2 μεταγωγέα, που στηρίζεται στο θερμο-οπτικό φαινόμενο και συνιστά κύριο δομικό στοιχείο της SOI φωτονικής πλατφόρμας. Αυτός ο μεταγωγέας αποτελείται από 2 πλασμονικούς DLSPP συντονιστές μικροδακτυλίου, τοποθετημένοι σε διάταξη σταυρού. Οι μήτρες μεταγωγής 2x2 και 4x4 στην πλατφόρμα PLATON (Platon s router platforms) πραγματοποιούνται με μια υβριδική προσέγγιση στην οποία πάνω σε μία SOI μητρική εναποτίθενται νανο-φωτονικά (nanophotonics) στοιχεία πυριτίου (κυματοδηγοί, συζεύκτες, κύκλωμα πολυπλεξίας και φωτοανιχνευτές), οι πλασμονικοί διακόπτες και το κύκλωμα ελέγχου IC αυτών. Η μητρική κάρτα του SOI πιο αναλυτικά περιέχει: 7x1 SOI MUX (Πολυπλέκτης) : Αυτό το υποσύστημα, χρησιμοποιείται για να πολυπλέκει τα 7 εισερχόμενα μήκη κύματος της τάξης των 40 Gb/s, με τα οποία γίνεται η μεταφορά δεδομένων, σε μια κοινή, ενιαία οπτική ροή της κυκλοφορίας, που θα ακολουθήσουν την ίδια διαδρομή μέσω του δικτύου. Δύο και τέσσερις 7x1 SOI πολυπλεξίας χρησιμοποιούνται στις 2x2 και 4x4 πλατφόρμες δρομολόγησης του PLATON, αντίστοιχα. Οι SOI MUX βασίζονται σε φωτονικά πυριτίου ολοκληρωμένων εξαρτημάτων. Φωτοδίοδοι (Photodiodes PD) O/E Στάδιο Μετατροπής: Ολοκληρωμένοι φωτοδίοδοι στη μητρική πλακέτα SOI, αποτελούν το O/E στάδιο μετατροπής. Τα PD χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή των οπτικών πληροφοριών επικεφαλίδας των πακέτων σε αντίστοιχους ηλεκτρικούς παλμούς, για να αποτελέσουν αντικείμενο επεξεργασίας από την Επεξεργασία Κεφαλίδας IC (IC Header Processing) και Κύκλωμα Ελέγχου (Control Circuit). Ένα PD χρησιμοποιείται για κάθε είσοδο της πλατφόρμας, το οποίο συνεπάγεται ότι στην περίπτωση του 2x2 δρομολογητή χρησιμοποιούνται συνολικά 2 PD, ενώ στην περίπτωση του 4x4 δρομολογητή, 4. IC Επεξεργασία κεφαλίδων και Κύκλωμα ελέγχου: Το υποσύστημα αυτό χρησιμοποιείται για την επεξεργασία των εισερχόμενων πληροφοριών επικεφαλίδας και για τη δημιουργία των κατάλληλων ηλεκτρικών σημάτων ελέγχου, που θα οδηγήσει τα DLSPP του πίνακα μεταγωγής. Για το 2x2 δρομολογητή, το κύκλωμα IC έχει δύο θύρες εισόδου, για τη λήψη των εισερχομένων ροών ηλεκτρικών παλμών επικεφαλίδας, δημιουργώντας δύο ηλεκτρικά σήματα εξόδου, για τον έλεγχο της κατάστασης του 2x2 πίνακα μεταγωγής. Στην περίπτωση του 4x4 δρομολογητή, στο κύκλωμα IC ενσωματώνει τέσσερις θύρες εισόδου και οκτώ θύρες εξόδου. 9

10 DLSPP Πίνακας Μεταγωγής: Ο DLSPP πίνακας μεταγωγής, δρομολογεί την εισερχόμενη ροή της κυκλοφορίας προς τις διάφορες εξόδους ανάλογα με τις πληροφορίες που έχει η επικεφαλίδα της κάθε ροής δεδομένων. Στην πλατφόρμα PLATON, ο πίνακας μεταγωγής βασίζεται σε θερμο-οπτικά στοιχεία μεταγωγής τύπου DLSPP. Ένας 2x2 διακόπτης χρησιμοποιείται στην 2x2 πλατφόρμα δρομολόγησης, ενώ ένας 4x4 πίνακας μεταγωγής που αποτελείται από κατάλληλα διασυνδεδεμένους πολλαπλούς 2x2 διακόπτες, χρησιμοποείται για τον 4x4 δρομολογητή PLATON. Ο ψηφιακός έλεγχος IC είναι υπεύθυνος για την επεξεργασία των πληροφοριών της κεφαλίδας και για να ελέγχει τους διακόπτες εξόδου DLSPP. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται ένα διάγραμμα του ψηφιακού ελέγχου IC. Το συγκεκριμένο, είναι για την περίπτωση της 2x2 πλατφόρμας δρομολόγησης. Ένα παρόμοιο σχέδιο υπάρχει επίσης για τον 4x4 δρομολογητή, αλλά με τη διαφορά ότι ο συνολικός αριθμός των θυρών εισόδου είναι 4 και των εξόδων 8. Ο έλεγχος IC είναι μια σύγχρονη σχεδίαση. Το σήμα του ρολογιού παράγεται από έναν εσωτερικό ταλαντωτή. Crystal OSC Digital Control IC Reset IRQ1 Control-Logic Output- Control 2 OUT#1,2 Analog postprocessing Analog preprocessing IN#1,2 2 Header- Detection Σχήμα 1.2 : Σχηματικό διάγραμμα του ελέγχου IC Οι προδιαγραφές για έναν 2x2 δρομολογητή PLATON περιέχονται στον παρακάτω πίνακα: Παράμετροι Πίνακας 1.1 : Προδιαγραφές για 2x2 δρομολογητή PLATON Συμβολισμός 2x2 δρομολογητής βασιμένος σε MZI 2x2 δρομολογητής βασιμένος σε WRR Μονάδα μέτρησης Ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων του τσιπ Gb/s Αριθμός θυρών εισόδου/εξόδου 16/2 16/2 Ποσοστό γραμμής / θύρα εισόδου Gb/s Ποσοστό γραμμής / θύρα εξόδου Gb/s 10

11 Εύρος μηκών κυμάτων λειτουργίας λ nm Συνολική κατανάλωση ισχύος Μέγεθος τσιπ (w)x(l) απώλειες (non-pigtailed chip) απώλειες (fiber-pigtailed chip) Καθυστέρηση (θύρα σε θύρα) P elec <2.5 <2.5 W Μέγιστο μέγεθος σε πλακίδιο 6 Μέγιστο μέγεθος σε πλακίδιο 6 α chip 11 <16 db α <20 <25 db t latency <1 <1 psec Ρυθμός Εξασθένισης ER >20 >9 db Μέγεθος πακέτου ανα ποσοστό γραμμής 5 5 kbytes Όσον αφορά τις προδιαγραφές για τον 4x4 δρομολογητή PLATON, παρουσιάζονται παρακάτω και είναι σύμφωνα με τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν και με τις προδιαγραφές του υποσυστήματος PLATON. Παράμετροι Πίνακας 1.2 : Προδιαγραφές για 4x4 δρομολογητή PLATON Συμβολισμ ός 2x2 δρομολογητής βασιμένος σε MZI 2x2 δρομολογητής βασιμένος σε WRR Μονάδα μέτρησης Ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων του τσιπ Tb/s Αριθμός θυρών εισόδου/εξόδου Ποσοστό γραμμής / θύρα εισόδου Ποσοστό γραμμής / θύρα εξόδου Εύρος μηκών κυμάτων λειτουργίας Συνολική κατανάλωση ισχύος Μέγεθος τσιπ (w)x(l) απώλειες (non-pigtailed chip) 32/4 32/ Gb/s Gb/s λ nm P elec <4 <4 W Μέγιστο μέγεθος σε πλακίδιο 6 Μέγιστο μέγεθος σε πλακίδιο 6 α chip <21 <26 db 11

12 απώλειες (fiber-pigtailed chip) Καθυστέρηση (θύρα σε θύρα) Ρυθμός Εξασθένισης α <30 <33 db t latency <1.5 <1.5 psec ER >17 >9 db Μέγεθος πακέτου ανα ποσοστό γραμμής 5 5 kbytes Συνοπτικά, η αρχιτεκτονική του PLATON που περιγράψαμε παραπάνω συνοψίζεται στην παρακάτω εικόνα: Σχήμα 1.3 : Αρχιτεκτονική PLATON 1.3 Συστήματα πολυπλεξίας WDM σε ολοκληρωμένους οπτικούς δρομολογητές Το MUX κύκλωμα βασίζεται σε μια διασυνδεδεμένη διάταξη που αποτελείται από 7 SOI δομές μικροδακτυλίων συντονισμού δευτέρας τάξης. Επτά αντίστοιχα κυκλώματα θέρμανσης (ηλεκτρόδια), που οδηγούνται από ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιούνται για ρύθμιση ακρίβειας της συχνότητας συντονισμού του καθέ ενός MRR με το μήκος κύματος της κάθε μια ροής δεδομένων ώστε να υπάρχει πλήρη ταύτιση. Στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 1.4), παρουσιάζεται ένας γενικός σχεδιασμός ενός 8x1 SOI MUX που χρησιμοποιεί δύο διαφορετικές ομάδες ακτίνων (R 1 και R 2 ). Κάθε ομάδα έχει 4 θερμο-οπτικούς συντονισμένους δακτυλίους 2 ης τάξης, που έχουν την ίδια ακτίνα. Σε κάθε ζεύγος δακτυλίου, εισέρχεται το φως από τη θύρα Input, για να κυματοδηγηθεί στους δακτυλίους, αλλά εξέρχεται από μια κοινή θύρα Output. Η διαδικασία παρουσιάζεται πιο αναλυτικά στο Κεφάλαιο 4. 12

13 Σχήμα 1.4 : 8x1 SOI MUX Τα οπτικά χαρακτηριστικά των συντονιστών δακτυλίου και του πίνακα μεταγωγής ελέγχονται από το κύκλωμα ελέγχου IC με χρήση αντιστάσεων θέρμανσης. Οι θερμαντικοί αντιστάτες, πραγματοποιούνται με την εφαρμογή λεπτών στρώσεων αντίστασης στις συσκευές που μπορούν να θερμανθούν με τη χρήση ηλεκτρικού ρεύματος. Επίσης, ανάλογα με την περίπτωση, οδηγούνται από ενισχυτές μνήμης. Ο έλεγχος IC παράγει ένα τετραγωνικό σήμα, προκειμένου να αλλάξει η θερμοκρασία. Συνήθως, οι κυματοδηγοί τύπου Strip (Σχήμα 1.5) κατασκευάζονται με διαστάσεις ύψους 220 nm και πλάτους 400 nm. Με αυτές όμως δεν υποστηρίζεται η ΤΜ (Transverse Magnetic) πόλωση, που είναι απαραίτητη για τον PLATON, καθώς οι πλασμονικοί κυματοδηγοί λειτουργούν μόνο με ΤΜ πόλωση. Μετά από προσομοιώσεις βρέθηκε ότι οι βέλτιστοι κυματοδηγοί που μπορούν να υποστηρίξουν την ΤΜ πόλωση και να έχουν τις μικρότερες απώλειες διάδοσης, είναι αυτοί που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.3. Όπως φαίνεται λοιπόν, οι προδιαγραφές για το πλάτος (W) και το ύψος (H) είναι 400nm και 340nm αντίστοιχα. Επίσης για λόγους συμβατότητας με τον εξοπλισμό ολοκλήρωσης και ευκολίας στην κατασκευή ο κυματοδηγός είναι τύπου slab, με το ύψος αυτού να καθορίζεται στα 50 nm (Σχήμα 1.6). Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να τηρεί ο πολυπλέκτης για να μην αλλοιώνει την μορφή του σήματος και να είναι συμβατός με την απαίτηση να υποστηρίζει 40Gb/s ροές δεδομένων είναι: η απόσταση των καναλιών (Channel spacing) (Δf) να είναι 100 GHz και για την κάθε κορυφή συντονισμού, το 3 db εύρος ζώνης να είναι 0.32 nm. Πίνακας 1.3: PLATON 7:1 MUX Προδιαγραφές Παράμετροι Συμβολισμοί Ενδεικτική τιμή Μονάδα μέτρησης Πλάτος κυματοδηγού W 400 nm Ύψος κυματοδηγού H 340 nm Ύψος Slab H s 50 nm Απόσταση των καναλιών Δf 100 GHz Channel 3-dB bandwidth Δλ 0.32 nm 13

14 Στο Σχήμα 1.5 παρουσιάζεται ο κυματοδηγός Strip, σύμφωνα με τις προδιαγραφές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Έτσι ο κυματοδηγός έχει ύψος 340 nm και πλάτος 400 nm. Σχήμα 1.5 : Κυματοδηγός Strip Στο Σχήμα 1.6 παρουσιάζεται ο κυματοδηγός Rib και η διαφορά του με τον Strip έγκειται στο γεγονός ότι έχει slab. Έτσι, οι διαστάσεις του κυματοδηγού είναι 400 nm πλάτος και 340 nm ύψος από τα οποία τα 50 nm είναι το slab. Σχήμα 1.6 : Κυματοδηγός Rib 14

15 1.4 Σκοπός της Εργασίας Στην παρούσα πτυχιακή εργασία μελετάται η σχεδίαση ολοκληρωμένων φωτονικών συστημάτων τεχνολογίας πυριτίου. Πραγματοποιείται η προσομοίωση των κυματοδηγών Strip και Rib τεχνολογίας πυριτίου με διαστάσεις ύψους 0.22 μm, 0.34 μm και πλατών που κυμαίνονται από 0.3 μm έως 0.8 μm. Η προσομοίωση έγινε στο πρόγραμμα προσομοίωσης PhoeniX, που πραγματοποιεί ανάλυση τύπου Finite Difference Time Domain (FDTD), καθώς και η σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά που παρουσιάστηκαν στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια ασχοληθήκαμε με την προσομοίωση των Δακτυλίων Συντονισμού 2 ης τάξης τεχνολογίας πυριτίου στο ίδιο πρόγραμμα προσομοίωσης για τη μελέτη της συνάρτησης μεταφοράς του φίλτρου Drop και Through. Οι ακτίνες των δακτυλίων συντονισμού 1:1 και 2:1 SOI MUX τεχνολογίας πυριτίου που χρησιμοποιήσαμε είναι R=5.4 μm και R=9 μm για τον 1:1 SOI MUX και R=9 μm για τον 2:1. Για τον 1:1 SOI MUX τεχνολογίας πυριτίου, τα κενά (gaps), μεταξύ των κυματοδηγών και των δακτυλίων τέθηκαν στα 0.2 μm για την ακτίνα R=5.4 μm και 0.21 μm για την R=9 μm, ενώ τα κενά μεταξύ των δακτυλίων είναι 0.5 μm για την R=5.4 μm και 0.4μm για την R=9 μm. Η Ελεύθερη Φασματική Περιοχή (Free Spectral Range FSR) που υπολογίστηκε είναι nm για την ακτίνα R=5.4 μm, ενώ για ακτίνα R=9 μm είναι nm. Για τον 2:1 SOI MUX τεχνολογίας πυριτίου, στα κενά (gaps), μεταξύ των κυματοδηγών και των δακτυλίων, δόθηκε η τιμή των 0.3 μm, ενώ στα κενά μεταξύ των δακτυλίων, η τιμή 0.4 μm για την ακτίνα R=9 μm. Ο δείκτης διάθλασης για τον 1:1 SOI MUX είναι 2.53 ενώ για τον 2:1 στο πρώτο ζεύγος δακτυλίου είναι 2.53 ενώ στο 2 ο είναι Το πλάτος των κυματοδηγών σε όλες τις περιπτώσεις είναι 0.4 μm. 1.5 Δομή της Εργασίας Η εργασία οργανώνεται σε τέσσερα κεφάλαια. Στο 1 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τεχνολογίες DLSPP και SOI, καθώς και μία αρχιτεκτονική ενός ολοκληρωμένου οπτικού δρομολογητή που τις συνδυάζει. Επιπλέον, αναφέρονται οι προδιαγραφές που πρέπει να πληρούνται για έναν 2x2 και 4x4 δρομολογητή. Mελετάται η πολυπλεξία μήκους κύματος σε ολοκληρωμένους οπτικούς δρομολογητές, καθώς και τα χαρακτηριστικά που πρέπει να τήρει ο πολυπλέκτης για να υποστηρίζει 40 Gb/s ροές δεδομένων. Στο 2 ο Κεφάλαιο αναλύονται οι πολυπλέκτες αυτοί, με χρήση SOI πλατφόρμας και πιο συγκεκριμένα, τα φίλτρα πολυπλεξίας με δυνατότητες αναδιάταξης, ο αποπολυπλέκτης με συνδυασμό SiN και SOI, ο αποπολυπλέκτης με χρήση φίλτρων δακτυλίου 2 ης τάξης, ο αποπολυπλέκτης κλιμακωτών φραγμάτων και φράγματος συστοιχίας κυματοδηγών. Στο 3 ο Κεφάλαιο προσομοιώνονται οι κυματοδηγοί Strip και Rib τεχνολογίας πυριτίου, με διαστάσεις που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, και γίνεται η εξαγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων τους που αφορούν τον ενεργό δείκτη διάθλασης. Στο 4 ο Κεφάλαιο προσομοιώνονται Δακτύλιοι Συντονισμού 2 ης τάξης για 1:1 και 2:1 SOI MUX τεχνολογίας πυριτίου, και γίνεται η λήψη των αποτελεσμάτων που αφορούν τη συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου και πιο συγκεκριμένα το FSR. 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Πολυπλέκτες WDM με χρήση SOI πλατφόρμας Τα τελευταία χρόνια έγινε σημαντική πρόοδος όσον αφορά τα κυκλώματα πολυπλεκτών αποπολυπλεκτών. Σε αυτό το Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τεχνολογίες αιχμής στους οπτικούς (από)-πολυπλέκτες καθώς και η σύγκρισή τους στο τέλος του Κεφαλαίου υπό μορφή πίνακα. 1. Φίλτρα αποπολυπλεξίας με δυνατότητες αναδιάταξης Τα φίλτρα αποπολυπλεξίας, μπορούν να κατασκευαστούν από μικροκοιλότητες πυριτίου σε σειρά (cascaded), με ένα κοινό κυματοδηγό για τις θύρες through, αλλά με ξεχωριστούς κυματοδηγούς για τις θύρες drop. Οι θερμικά ελεγχόμενοι συντονιστές, πραγματοποιούνται με την τοποθέτηση μικρο-συσκευών θέρμανσης πάνω από το περίβλημα του συντονιστή. Χάρις στην εξαιρετική θερμομόνωση από το διάκενο μεταξύ των μικροκοιλοτήτων και του υποστρώματος του πυριτίου ( αιωρούμενες δομές στηριζόμενες σε undercuts), η απόδοση της θέρμανσης μπορεί να βελτιωθεί περίπου 10 φορές σε σύγκριση με τις μη αιωρούμενες. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ένα WDM φίλτρο 4 καναλιών, με αιωρούμενους συντονιστές σε σειρά. Σχήμα 2.1 : WDM φίλτρο 4 καναλιών Σε αυτές τις συσκευές, οι συντονιστές έχουν σχήμα racetrack με μήκος ευθείας σύζευξης των 11 μm και ακτίνες κάμψης των 10 μm. Η από άκρη σε άκρη απόσταση μεταξύ των γειτονικών συντονιστών είναι 13 μm. Ο αποπολυπλέκτης φίλτρου 1x4, βασισμένος σε θερμικά ρυθμιζόμενους συντονιστές, έχει εξαιρετικά χαμηλή ισχύς συντονισμού, ~ 2.9 mw ανά Ελεύθερη Φασματική Περιοχή (Free Spectral Range FSR). Ακόμη και με την παρουσία των θερμικών 16

17 παρεμβολών (crosstalk) μεταξύ δύο γειτονικών συντονιστών, έχει δειχθεί ότι υπάρχει η δυνατότητα πολυπλεξίας σε αποστάσεις καναλιών 200 GHz, 100 GHz και 50 GHz. Οι τιμές των παρεμβολών (crosstalk values), γι αυτές τις αποστάσεις καναλιών, είναι μικρότερες από -20 db, -16 db και db αντίστοιχα. Η συνολική ισχύς, για την επίτευξη αυτής της απόδοσης, είναι της τάξης των 1.84 mw για τα 200 GHz, 2.4 mw, που είναι και το ανώτερο που μπορεί να φτάσει, για τα 100 GHz. Για τα 50 GHz φτάνει στα 2.16 mw. Στα παρακάτω σχήματα (2.2 και 2.3), παρουσιάζεται πώς είναι πριν και μετά τη ρύθμιση τα φάσματα στη θύρα drop για την επίτευξη των αποστάσεων καναλιών των 200 GHz, 100 GHz και των 50 GHz. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, το WDM φίλτρο είναι 4 καναλιών με συντονιστές σε σειρά. Σε αυτές τις συσκευές, οι συντονιστές έχουν σχήμα racetrack με μήκη σύνδεσης των 11 μm και ακτίνα κάμψης των 10μm. Η απώλεια από παρεμβολή της συσκευής για 4 συντονιστές κυμαίνεται από 1.5 db έως και 2.5 db. Σχήμα 2.2 (a) Τα φάσματα στη θύρα Drop πριν το συντονισμό. (b) Τα φάσματα στη θύρα Drop μετά το θερμικό συντονισμό για την επίτευξη απόστασης καναλιών 200 GHz. Σχήμα 2.3 : Τα φάσματα στη θύρα Drop μετά το θερμικό συντονισμό για την επίτευξη απόστασης καναλιών 100 GHz (a) και 50 GHz (b). 17

18 2. Αποπολυπλέκτες με συνδυασμό SiN και SOI Η θερμική ρύθμιση των συντονιστών επιτεύχθηκε με δομές που κατασκευάστηκαν και εφαρμόσθηκαν σε μία SOI CMOS διαδικασία υψηλής απόδοσης των 130 nm. Πιο συγκεκριμένα, οι συσκευές κατασκευάστηκαν σε μια διαδικασία Freescales 130 nm, που αποτελείται από 6 μεταλλικά στρώματα χαλκού, που έχουν διηλεκτρικά στο ενδιάμεσο στρώμα. Αυτά, αποτελούνται κυρίως από νιτρίδιο του πυριτίου (SiN x ) και από διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). Οι δακτύλιοι που κατασκευάστηκαν, είναι διαφόρων διαμέτρων (24 μm, 40 μm, 60 μm και 200 μm). Στο Σχήμα 2.4, απεικονίζεται η διατομή τους. Σχήμα 2.4 : Διατομή δακτυλίων Σε ένα τυπικό κύκλωμα, τοποθετείται ένας θερμαστής μετάλλου, πάνω από τον κυματοδηγό πυριτίου, με μια στρώση διηλετρικού μεταξύ τους. Στους δακτυλίους, η ροή του ρεύματος, περνάει απεθείας μέσα από τον κυματοδηγό δακτυλίου, με χρήση πλευρικής αγωγιμότητας. Πολλαπλά βύσματα βολφραμίου συνδέονται στο εμπλουτισμένο slab πυριτίου του κυματοδηγού. Με αυτό τον τρόπο, αυξάνεται η θερμοκρασία της ροής του οπτικού σήματος, βελτιώνοντας την απόδοση της ισχύος συντονισμού. Το Σχήμα 2.5 είναι μια μικρογραφία του κατασκευασμένου συντονισμένου φίλτρου. Οι υποδεικνυόμενες οπτικές θύρες είναι τοποθετημένες στο πλέγμα και οι εξωτερικές οπτικές ίνες έχουν πρόσβαση σ αυτές. Οι πολυπλέκτες δακτυλίου βασίζονται σε κυματοδηγούς που έχουν βελτιστοποιηθεί για χαμηλές απώλειες και σε σφιχτές κάμψεις. Οι κυματοδηγοί κατασκευάστηκαν με πυκνότητα 300 nm, πλάτος 360 nm και ύψος του slab 150 nm. Αυτή η δομή κυματοδηγού, υποστηρίζει μόνο ΤΕ πόλωση. To slab και η κορυφογραμμή του δακτυλίου είναι σκόπιμα ενισχυμένα με αντιστάσεις πολλών εκατοντάδων Ohms, για ηλεκτρικές μεταφορές. Στους κυματοδηγούς έχουν τοποθετηθεί ζεύκτες φράγματος (grating couplers), που διευκόλυναν την οπτική πρόσβαση στις συσκευές, με μικρές απώλειες σύζευξης, περίπου 2 ως 3 db ανά μονάδα. 18

19 Σχήμα 2.5 : Ένα κομμάτι του MUX/DEMUX κυκλώματος με 2 θερμικά ρυθμιζόμενους δακτυλίους και τις αντίστοιχες θύρες κυματοδηγού Χρησιμοποιώντας δακτύλιο ακτίνας 100 μm παρουσιάζεται μια συνολική αύξηση της αποτελεσματικότητας. Στο Σχήμα 2.6, φαίνεται ο δακτύλιος με ακτίνα 100 μm, μετά από θερμική ρύθμιση. Με εφαρμογή ισχύος συντονισμού 3.9 mw, μετατίθεται η κορυφή συντονισμού σε έναν ελεύθερο φασματικό κόμβο της συσκευής (FSR). Η ίδια τιμή σε nm για 4 δακτυλίους είναι περίπου 4 mw/nm, ενώ οι δακτύλιοι φωτονικών πυριτίου, που είναι χτισμένοι στο SOI υπόστρωμα, έχουν παρόμοια θερμική απόδοση. Για την επίτευξη WDM δρομολόγησης, στο σχεδιασμό του συστήματος χρησιμοποιούνται αποστάσεις καναλιών (channel spacing) των 200 GHz. Το κατασκευασμένο φίλτρο είναι 2 καναλιών, ο αριθμός των στοιχείων πολυπλεξίας είναι 1 και η συνολική κατανάλωση ισχύος είναι 6.4 mw. Σχήμα 2.6 : Θερμική ρύθμιση του δακτυλίου με ακτίνα 100 μm 19

20 3. Αποπολυπλέκτες με χρήση φίλτρων δακτυλίου 2 ης τάξης Έχει γίνει μελέτη σχετικά με την κατασκευή διπλού filterbank 20 καναλιών, 2 ης τάξης σε SOI και αποδείχθηκε η ακριβής ρύθμιση των 11, από αυτά, συνεχόμενων καναλιών. Αυτό το filterbank, αποτελείται από 2 σετ των 20 καναλιών. Κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 20 GHz και συντονισμένη απόσταση των καναλιών, που έχει οριστεί στα 124 GHz, με αποτέλεσμα η παρεμβολή μεταξύ των καναλιών να είναι περίπου -45 db. Στην πολύπλεξη φίλτρου 2 ης τάξης, οι απώλειες από εισαγωγή φτάνουν τα 2.5 db και η συνολική κατανάλωση ισχύος είναι 176 mw (16 mw/κανάλι). Όπως φαίνεται και από το Σχήμα 2.7, που περιγράφονται οι διαστάσεις φίλτρου πυριτίου 2 ης τάξης με μικρο-δακτύλιους, οι κυματοδηγοί έχουν πλάτος 495 nm και ύψος 105 nm και οι κυματοδηγοί δακτυλίου έχουν πλάτος 600 nm και ύψος 105 nm. Η ακτίνα R των μικρο-δακτυλίων είναι μm. Σχήμα 2.7 : Διαστάσεις φίλτρου πυριτίου 2 ης τάξης με μικρο-δακτύλιους Στο Σχήμα 2.8 που ακολουθεί παρουσιάζεται η απόκριση φίλτρου ενός καναλιού του διπλού filterbank, πριν (αριστερή καμπύλη) και μετά (δεξιά καμπύλη) τη θερμική ρύθμιση. Το κανάλι είναι συντονισμένο σε ένα προκαθορισμένο κεντρικό μήκος κύματος (γκρι πλαίσιο) και έχει εύρος ζώνης 20 GHz. Η εξασθένιση είναι περισσότερο από 35 db στα ± 80 GHz και περίπου 45 db στα ± 124 GHz (± 1 nm). Σχήμα 2.8 : Απόκριση φίλτρου πριν και μετά τη θερμική ρύθμιση 20

21 4. Αποπολυπλέκτης κλιμακωτών φραγμάτων Η χρήση των κλιμακωτών φραγμάτων γίνεται πάνω σε πλάκα SOI. Βασίζεται στο φαινόμενο της διάθλασης, όταν ένα σήμα εισέρχεται σε ένα νέο μέσο. Αφού γίνει αυτό, οι αποπολυπλεγμένες, πλέον ακτίνες, λόγω διαφορετικών μηκών κύματος, έχουν μία διαφορά φάσης. Λόγω του ότι τα δοντάκια της απέναντι επιφάνειας είναι τοποθετημένα με συγκεκριμένη απόσταση μεταξύ τους, μπορεί να εξαληφθεί η διαφορά φάσης των ακτινών που προέκυψαν, καθώς είτε μειώνεται είτε αυξάνεται η διάρκεια παραμονής τους στον κυματοδηγό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την πολύ αποδοτική εκμετάλλευση χώρου, καθώς το μέσον, που χρησιμοποιείται για την εξάλειψη της διαφοράς φάσης, είναι ο ίδιος ο κυματοδηγός. Το γεγονός ότι χρησιμοποιείται ο ίδιος κυματοδηγός έχει ως αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη διάρκεια διάδοσης του κύματος, καθώς η αναλογία n g /n eff είναι πολύ μικρή. Υπάρχουν επίσης περιορισμοί σχετικά με την τοποθέτηση των κυματοδηγών εισόδου/εξόδου, οι οποίο πρέπει να έχουν συγκεκριμένο προσανατολισμό. Το Σχήμα 2.9 δίνει την αναπαράσταση ενός τέτοιου αποπολυπλέκτη κλιμακωτών φραγμάτων, που μόλις περιγράφηκε. Σχήμα 2.9 : Σχηματικό διάγραμμα αποπολυπλέκτη κλιμακωτών φραγμάτων Χαρακτηριστικό των κλιμακωτών φραγμάτων, είναι ότι οι κλίμακες μεγέθους είναι αντιστρόφως ανάλογες με τις απόστασεις των καναλιών. Ως εκ τούτου, ένας αποπολυπλέκτης 30 καναλιών, με μεταξύ τους αποστάσεις μόλις 400 GHz, θα είναι πολύ μεγαλύτερος από έναν αποπολυπλέκτη αραιών, μεταξύ τους, και μικρό σε αριθμό καναλιών. Επίσης, τα ίχνη (footprints) είναι μόλις της τάξεως των 0.5 mm 2. Η μετάδοση των 30 θυρών εξόδου απεικονίζονται στο Σχήμα Η απώλεια από παρεμβολή, όπως φαίνεται, για τα μήκη κύματος των κεντρικών καναλιών είναι 3dB, και για τα εξωτερικά κανάλια με μεγάλα μήκη κύματος φτάνει μέχρι και τα 6-7 db. Αυτή εξακολουθεί να είναι σχετικά υψηλή, και μπορεί να αποδοθεί εν μέρει στις ατελείς αντανακλάσεις στις DBR πτυχές. Αυτές έχουν μήκος κύματος που εξαρτάται από την ανακλαστικότητα, η οποία είναι χαμηλότερη από nm. Η παρεμβολή είναι σχετικά υψηλή στα -15 db αλλά φτάνει μέχρι και -25 db. 21

22 Σχήμα 2.10 : Μετάδοση των 30 θυρών εξόδου 5. Αποπολυπλέκτης φράγματος συστοιχίας κυματοδηγών Μια συστοιχία φράγραματος κυματοδηγών (Arrayed Waveguide Grating - AWG) είναι μία γενίκευση του Mach-Zehnder συμβολομέτρου (MZI). Αυτή η συσκευή αναπαρίσταται στο παρακάτω σχήμα. Αποτελείται από δύο συζεύκτες πολλαπλών εισόδων, αλληλοσυνδεδεμένους με μία συστοιχία κυματοδηγών, Σχήμα Σχήμα 2.11 : Συστοιχία Φράγματος Κυματοδηγών Το AWG είναι μία διάταξη, στην οποία αρκετά αντίγραφα του ιδίου σήματος προστίθενται αλλά με μετατόπιση φάσης κατά διαφορετικά ποσά. Το AWG έχει αρκετές χρήσεις. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας nx1 πολυπλέκτης μήκους κύματος, δηλαδή είναι μία συσκευή n εισόδων, 1 εξόδου όπου οι n είσοδοι είναι σήματα με διαφορετικά μήκη κύματος, τα οποία συνδυάζονται στη μοναδική έξοδο. Οι τρέχουσες προδιαγραφές όμως, αποδεικνύουν πειραματικά ότι λειτουργεί ως αποπολυπλέκτης (DEMUX), που είναι η αντίστροφη λειτουργία. Χρησιμοποιώντας δηλαδή έναν AWG, η 1xn αποπολυπλεξία μήκους κύματος μπορεί να εκτελεστεί. Αν και αυτοί οι πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας ΜΖΙ συζεύκτες, συνδεδεμένους με κατάλληλο τρόπο, 22

23 είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται ένας AWG. Σε σχέση με μια σειρά από ΜΖΙ, ένας AWG έχει χαμηλότερη απώλεια και είναι πιο εύκολο να υλοποιηθεί σε ένα ολοκληρωμένο οπτικό κύκλωμα. Οι κυματοδηγοί σε συστοιχία, είναι κατασκευασμένοι σε ένα μοναδικό υπόστρωμα, το οποίο είναι συνήθως από πυρίτιο ενώ οι κυματοδηγοί είναι από διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). Ένας άλλος τρόπος για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του AWG ως αποπολυπλέκτη είναι να θεωρήσουμε τους συζεύκτες πολλαπλών εισόδων ως φακούς και τη συστοιχία των κυματοδηγών ως ένα πρίσμα. Ο συζεύκτης εισόδου ευθυγραμμίζει το φως από έναν κυματοδηγό εισόδου στη συστοιχία των κυματοδηγών. Η συστοιχία των κυματοδηγών λειτουργεί ως ένα πρίσμα, παρέχοντας μια μετατόπιση φάσης εξαρτώμενη από το μήκος κύματος, και ο συζεύκτης εξόδου εστιάζει διαφορετικά μήκη κύματος σε διαφορετικούς κυματοδηγούς εξόδου. O AWG αποπολυπλέκτης είναι προτιμότερος για τα κανάλια στενού μήκους κύματος. To ίχνος (footprint) που λαμβάνεται υπόψιν είναι μόλις 200x350 μm 2. Η μετάδοση των 8x400 GHz καναλιών που μετράται με τον ίδιο τρόπο, όπως στον κλιμακωτό αποπολυπλέκτη φράγματος, απεικονίζεται στο Σχήμα Η απώλεια από παρεμβολή για τα κεντρικά κανάλια είναι εξαιρετικά χαμηλή στα 1.1 db, το οποίο μπορεί να αποδοθεί σε διάφορους παράγοντες. Επίσης οι κυματοδηγοί διευρύνθηκαν στα ευθύγραμμα τμήματα για τη μείωση των απωλειών καθώς και το θόρυβο φάσης. Τα χαμηλά επίπεδα θορύβου συνεπάγονται χαμηλά επίπεδα παρεμβολής (-25 db). Οι απώλειες από εισαγωγή ξεκινούν από 1.1 και φτάνουν μέχρι και 1.3 db. Σχήμα 2.12 : Μετάδοση των 8 θυρών εξόδου του AWG Στις παραγράφους 4 και 5 δείξαμε τις τρέχουσες προδιαγραφές για κλιμακωτά φράγματα και για φράγματα συστοιχίας κυματοδηγών αποπολυπλέκτη. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται οι Αρχές Λειτουργίας αυτών. Το πάνω σχήμα αφορά τα κλιμακωτά φράγματα και το κάτω τον AWG αποπολυπλέκτη. 23

24 Σχήμα 2.13 : Αρχές λειτουργίας echelle grating AWG αποπολυπλεκτών Συγκεντρωτικά οι παραπάνω τεχνολογίες παρουσιάζονται στους ακόλουθους Πίνακες (2.1 και 2.2). Πίνακας 2.1 : Εποπτικός πίνακας σύγκρισης τεχνολογιών αιχμής στους οπτικούς πολυπλέκτες Συστατικό (Από-) Πολυπλέκτ ης Τρέχουσες Τρέχουσες Τρέχουσες Τρέχουσες προδιαγραφές προδιαγραφ προδιαγραφές προδιαγραφές για ές για για για Προδιαγραφές αναδιορθρώσιμ αναδιορθρώ αναδιορθρώσι αποπολυπλέκτη η σιμη μη πολύπλεξη αποπολύπλεξη πολύπλεξη φίλτρου 2 ης κλιμακωτών φίλτρου φίλτρου τάξης φραγμάτων Αριθμός καναλιών Αριθμός στοιχείων/καναλιών (απο-)πολύπλεξης Στοιχείο (απο-) πολύπλεξης Συντονιστής Racetrack Δακτύλιος συντονισμού Δακτύλιος συντονισμού Φράγματα 24

25 Τύπος κυματοδηγού Πυρίτιο Πυρίτιο Πυρίτιο Πυρίτιο 11 μm ευθύ 100 μm Μέγεθος στοιχείου μήκος, ακτίνα μm 0.5 mm 2 (απο-)πολύπλεξης 10 μm ακτίνα δακτυλίου κάμψης 200 GHz, 100 Απόσταση καναλιών 200 GHz 124 GHz 400 GHz GHz, 50 GHz Κατανάλωση Ισχύος Συνολική κατανάλωση ισχύος Απώλιες (Ισχύος) από εισαγωγή (εισόδου / εξόδου) 2.9 mw/fsr 1.84 mw (200 GHz) 2.4 mw (100 GHz) 2.16 mw (50 GHz) 3.9 mw/fsr (4 mw/nm) 6.4 mw NA mw (16 mw/κανάλι) 2.5 db NA 2.5 db 3-7 db - Οπτική Παρεμβολή -20 db (200 GHz) -16 db (100 GHz) db (50 GHz) NA -45 db -15 db Αναφορές Πειραματικώς αποδεδειγμένο ως MUX ή DEMUX DEMUX DEMUX DEMUX DEMUX P. Dong et al, 1x4 reconfigurable demultiplexing filter based on free-standing silicon racetrack resonators, OE, 2010 J. E. Cunningham et al, Highlyefficient thermallytuned resonant optical filters, OE, 2010 M. S. Dahlem et al, Reconfigurable multi-channel second-order silicon microringresonator filterbanks for on-chip WDM systems, OE, 2010 Πίνακας 2.2 : Εποπτικός πίνακας σύγκρισης τεχνολογιών αιχμής στους οπτικούς πολυπλέκτες W. Bogaerts et al, Silicon-on- Insulator Spectral Filters Fabricated With CMOS Technology, JSTQE, 2010 Στοιχείο (Απο-) Πολυπλέκτης Προδιαγραφές Τρέχουσες προδιαγραφές για αποπολυπλέκτη φράγματος συστοιχίας κυματοδηγών PLATON 2 ης τάξης πολυπλέκτη SOI Αριθμός καναλιών 8 7 Αριθμός στοιχείων/καναλιών (απο-)πολύπλεξης

26 Αναφορές Στοιχείο (απο-) πολύπλεξης Φράγματα Δακτύλιος συντονισμού 2 ης τάξης Τύπος κυματοδηγού Πυρίτιο Πυρίτιο Μέγεθος στοιχείου (απο-) πολύπλεξης 200x350 μm 2 150x350 μm 2 Απόσταση καναλιών 400 GHz 100 GHz Κατανάλωση Ισχύος - 1 mw/k Συνολική κατανάλωση ισχύος mw Απώλιες (Ισχύος) από εισαγωγή (εισόδου / εξόδου) db ~1 db Οπτική Παρεμβολή -25 db -20 db Πειραματικώς αποδεδειγμένο ως MUX ή DEMUX DEMUX MUX W. Bogaerts et al, Silicon-on-Insulator Spectral Filters Fabricated With CMOS Technology, JSTQE,

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Προσομοίωση και πειραματικά αποτελέσματα για τους Κυματοδηγούς Strip και Rib Στην Παράγραφο 1.3 αναφέρθηκαν οι προδιαγραφές για τις οποίες υποστηρίζεται η ΤΜ (Transverse Magnetic) πόλωση. Γι αυτό το λόγο, οι κυματοδηγοί Strip και Rib που παρουσιάζονται σ αυτό το κεφάλαιο, κατασκευάστηκαν σύμφωνα μ αυτές τις προδιαγραφές. Σε ένα πρώτο στάδιο, προκειμένου να αποκτήσουμε εμπειρία, δοκιμάστηκαν αρκετά προφίλ κυματοδηγών και έγινε η σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτών στη βιβλιογραφία. Έτσι, σε πρώτη φάση, έγινε η δοκιμή σε έναν κυματοδηγό Strip ύψους 220 nm. Στο Σχήμα 3.1 παρουσιάζεται ένας κυματοδηγός Strip με περίβλημα αέρα (Air Cladding). Οι δείκτες διάθλασης που χρησιμοποιήθηκαν είναι n=1 για τον αέρα, n=1.46 για το διοξείδιο του πυριτίου και n=3.48 για το πυρίτιο. Οι διαστάσεις του κουτιού (BOX), βάσει τον οποίων έγινε η κατασκευή, είναι 6 μm πλάτος (W) και 4 μm ύψος (Η). Ο κυματοδηγός Strip πυριτίου έχει ύψος 0.22 μm και τα πλάτη του μεταβάλλονται εντός του εύρους ( ) μm. Πρέπει να σημειωθεί ότι σε όλους τους κυματοδηγούς που παρουσιάζονται σχηματικά σ αυτό το κεφάλαιο, χρησιμοποιήθηκε ενδεικτικά το πλάτος των 0.4 μm. Σχήμα 3.1 : Κυματοδηγός Strip Η (0.22 μm), W (0.4 μm), επένδυση αέρα 27

28 Αν τρέξει ο παραπάνω Strip κυματοδηγός στο πρόγραμμα προσομοίωσης της PhoeniX που πραγματοποιεί ανάλυση τύπου Finite Difference Time Domain (FDTD) και για τα διάφορα πλάτη, θα εμφανιστούν τα αποτελέσματα που φαίνονται στον παρακάτω πίνακα για TE (Transverse Electric) και TM (Transverse Magnetic) modes 0 ης,1 ης,2 ης τάξης. Πίνακας 3.1 Width (μm) TE0 TM0 TE1 TM1 TE Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 3.1, υποστηρίζεται και ΤΕ και ΤΜ πόλωση 0 ης και 1 ης τάξης, ενώ για πλάτος 0.4 μm υποστηρίζεται και ΤΕ πόλωση 2 ης τάξης, η οποία δεν είναι επιθυμητή. Βάζοντας τα αποτελέσματα στο excel για τις διάφορες τιμές των n eff και για τα πλάτη ( )μm προκύπτει το παρακάτω διάγραμμα για ΤΕ, ΤΜ modes και με περίβλημα αέρα. Διάγραμμα 3.1 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για περίβλημα αέρα 28

29 Τα παραπάνω αποτελέσματα του n eff, που υπολογίστηκαν, συμφωνούν με [6] για τις ίδιες διαστάσεις του κυματοδηγού. Ακολουθεί το σχήμα για ΤΕ και ΤΜ modes 0ης τάξης. TE mode 0 ης τάξης για Width: 400nm TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm 29

30 Στη συνέχεια παρουσιάζεται η κατασκευή πάλι ενός κυματοδηγού Strip, με τις ίδιες διαστάσεις κουτιού (ΒΟΧ) (ύψος 4μm, πλάτος 6μm) και κυματοδηγού πυριτίου,δηλαδή ύψους (0.22 μm) και πλάτους ( ) μm, και με τους ίδιους δείκτες διάθλασης (n air =1, n SiO2 =1.46, n si =3.48) Στον συγκεκριμένο κυματοδηγό, αυτό που αλλάζει είναι το περίβλημα, που από αέρα (Air) γίνεται διοξείδιο του πυριτίου (Silicon Dioxide). Η μορφή που παίρνει φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.2 : Κυματοδηγός Strip Η (0.22 μm), W (0.4 μm), επένδυση διοξείδιο του πυριτίου Τρέχοντας το παραπάνω στο πρόγραμμα προσομοίωσης PhoeniX προκύπτουν τα εξής αποτελέσματα του πίνακα για TE, TM modes 0 ης,1 ης,2 ης τάξης. Πίνακας 3.2 Width (μm) TE0 TM0 TE1 TM1 TE Από τα παραπάνω αποτελέσματα, διαπιστώνεται ότι υποστηρίζεται ΤΕ και ΤΜ πόλωση 0 ης και 1 ης τάξης για τα πλάτη από ( ) μm και 0.7 μm, ενώ για τα πλάτη 0.6 μm και 0.8 μm υποστηρίζεται και ΤΕ πόλωση 2 ης τάξης. 30

31 Τα παραπάνω αποτελέσματα αποτυπώνονται στο παρακάτω διάγραμμα για ΤΕ, ΤΜ modes και με περίβλημα διοξείδιο του πυριτίου και είναι σύμφωνα με [6]. Διάγραμμα 3.2 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για περίβλημα διοξείδιο του πυριτίου Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα TE, TM modes 0 ης τάξης και πλάτους Width: 400nm ενδεικτικά. TE mode 0 ης τάξης για Width: 400nm 31

32 TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm Παρακάτω παρουσιάζεται ο κυματοδηγός Rib με περίβλημα αέρα και με διαστάσεις ύψους 0.22 μm, από τα οποία τα 0.05 μm είναι το slab, και πλάτους ( ) μm. To slab έχει πλάτος όσο και το κουτί (ΒΟΧ), δηλαδή 6 μm. Οι δείκτες διάθλασης που χρησιμοποιούνται είναι του αέρα (n air =1), του πυριτίου (n si =3.48) και του διοξειδίου του πυριτίου (n SiO2 =1.46). Σχήμα 3.3 : Κυματοδηγός Rib Η (0.22 μm), slab H (0.05 μm), W (0.4 μm), επένδυση αέρα Τρέχοντας το παραπάνω στο πρόγραμμα προσομοίωσης PhoeniX υπολογίζονται οι εξής τιμές των n eff για TE, TM modes 0 ης,1 ης τάξης. 32

33 Πίνακας 3.3 Width TE0 TM0 TE1 TM1 (μm) Τα παραπάνω αποτελέσματα αποτυπώνονται στο παρακάτω διάγραμμα για ΤΕ, ΤΜ modes με περίβλημα αέρα και είναι πολύ ικανοποιητικά καθώς δεν παρουσιάζεται ΤΕ ή ΤΜ πόλωση 2 ης τάξης και είναι σύμφωνα με [6]. Διάγραμμα 3.3 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για επένδυση αέρα Τα TE, TM modes 0 ης τάξης και πλάτους (W) 400nm παρουσιάζονται στη συνέχεια. 33

34 TE mode 0 ης τάξης για Width: 400nm TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm Τέλος, παρουσιάζεται ο κυματοδηγός Rib, με τις ίδιες διαστάσεις πυρήνα του πυριτίου (Si core) και κουτιού (BOX), αλλά με περίβλημα διοξείδιο του πυριτίου. 34

35 Σχήμα 3.4 : Κυματοδηγός Rib Η (0.22 μm), slab H (0.05 μm), W (0.4 μm), επένδυση διοξείδιο του πυριτίου Τα αποτελέσματα των Neff διαμορφώνονται ως εξής στον Πίνακα 3.4 : Πίνακας 3.4 Width TE0 TM0 TE1 TM1 (μm) Τα παραπάνω αποτελέσματα αποτυπώνονται στο παρακάτω διάγραμμα για ΤΕ, ΤΜ modes και με επένδυση διοξείδιο του πυριτίου. Η ΤΜ και η ΤΕ πόλωση 0 ης και 1 ης τάξης υποστηρίζεται για τα συγκεκριμένα πλάτη, και είναι σύμφωνα με [6]. 35

36 Διάγραμμα 3.4 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για επένδυση διοξείδιο του πυριτίου Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα TE, TM modes 0 ης τάξης, για πλάτος (W) 400nm με επένδυση διοξείδιο του πυριτίου. TE mode 0 ης τάξης για Width: 400nm 36

37 TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm Στη συνέχεια εξετάζονται οι τιμές του n eff για τις ίδιες, διάφορες τιμές πλατών ( ) μm του κυματοδηγού, για περίβλημα αέρα και διοξείδιο του πυριτίου, αλλά για διαφορετικό ύψος του κυματοδηγού Strip από 0.22 μm σε 0.34 μm. Οι δείκτες διάθλασης των μέσων που χρησιμοποιήθηκαν δεν αλλάζουν. Η μορφή που παίρνει ο κυματοδηγός με περίβλημα αέρα φαίνεται παρακάτω : Σχήμα 3.5 : Κυματοδηγός Strip Η (0.34 μm), W (0.4 μm), επένδυση αέρα Τα αποτελέσματα διαμορφώνονται ως εξής για TE, TM modes 0 ης,1 ης,2 ης τάξης. 37

38 Πίνακας 3.5 Width (μm) TE0 TM0 TE1 TM1 TE Τα παραπάνω αποτελέσματα αποτυπώνονται στο παρακάτω διάγραμμα για ΤΕ, ΤΜ modes και με επένδυση αέρα. Όπως φαίνεται, υποστηρίζεται η ΤΕ και ΤΜ πόλωση 0 ης και 1 ης τάξης για πλάτη μεγαλύτερα των 0.4 μm, ενώ για πλάτη μικρότερα των 0.5, υποστηρίζεται και πόλωση ΤΕ δεύτερης τάξης, που είναι ανεπιθύμητη. Τα αποτελέσματα είναι σύμφωνα με [6]. Διάγραμμα 3.5 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για επένδυση αέρα Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα TE, TM modes 0 ης τάξης για πλάτος (W) 400nm. 38

39 TΕ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm Ο κυματοδηγός Strip με τις ίδιες διαστάσεις κουτιού (ΒΟΧ) και πυρήνα (Si core), παρουσιάζεται στο Σχήμα

40 Σχήμα 3.6 : Κυματοδηγός Strip Η (0.34 μm), W (0.4 μm), επένδυση διοξείδιο του πυριτίου Τα αποτελέσματα των n eff φαίνονται στον παρακάτω πίνακα για TE, TM modes 0 ης, 1 ης,2 ης τάξης. Πίνακας 3.6 Width (μm) TE0 TM0 TE1 TM1 TE Τα παραπάνω αποτελέσματα αποτυπώνονται στο παρακάτω διάγραμμα για ΤΕ, ΤΜ modes και με περίβλημα διοξείδιο του πυριτίου. Για τις τιμές πλάτους που είναι μεγαλύτερες από 0.3 μm, παρουσιάζεται πόλωση ΤΕ και ΤΜ 0 ης και 1 ης τάξης, ενώ ΤΕ πόλωση 2 ης τάξης παρουσιάζεται για τα πλάτη που είναι μικρότερα από 0.4 μm. Τα συγκεκριμένα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα [6], και συμφωνούν απόλυτα. 40

41 Διάγραμμα 3.6 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για επένδυση διοξείδιο του πυριτίου Τα TE, TM modes 0 ης τάξης και πλάτους (W) 400nm παρουσιάζονται στη συνέχεια. TΕ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm 41

42 TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm Στη συνέχεια εξετάζεται ο κυματοδηγός Rib συνολικού ύψους 0.34 μm και πλάτους που κυμαίνεται από 0.3 μm έως 0.8 μm. Οι διαστάσεις του κουτιού (ΒΟΧ) είναι: ύψος 4μm και πλάτος 6μm. Το slab έχει ίδιο πλάτος με το κουτί, και ύψος 0.05 μm (από το συνολικό ύψος του κυματοδηγού). Οι δείκτες διάθλασης των μέσων που χρησιμοποιήθηκαν, δεν αλλάζουν και είναι n air =1, n Si =3.48, n SiO2 =1.46. Σχήμα 3.7 : Κυματοδηγός Rib Η (0.34 μm), slab H (0.05 μm), W (0.4 μm), επένδυση αέρα 42

43 Τρέχοντας το παραπάνω στο πρόγραμμα προσομοίωσης PhoeniX, προκύπτουν τα αποτελέσματα του παρακάτω πίνακα. Όπως φαίνεται, δεν υποστηρίζεται πόλωση ΤΕ και ΤΜ 2 ης τάξης για τα συγκεκριμένα πλάτη, παρά μόνο 0 ης και 1 ης τάξης. Πίνακας 3.7 Width (μm) TE0 TM0 TE1 TM1 ΤΕ [6]. Τα παραπάνω αποτελέσματα φαίνονται στο Διάγραμμα 3.7 και είναι σύμφωνα με Διάγραμμα 3.7 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για επένδυση αέρα Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα TE, TM modes 0 ης τάξης, για πλάτος (W) 400nm με περίβλημα αέρα. 43

44 TΕ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm 44

45 Τέλος, παρουσιάζεται ο κυματοδηγός Rib με τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά και τις ίδιες διαστάσεις ύψους και πλάτους, με τη μόνη διαφορά ότι αντί για περίβλημα αέρα χρησιμοποιείται περίβλημα διοξείδιο του πυριτίου. Σχήμα 3.8 : Κυματοδηγός Rib Η (0.34 μm), slab H (0.05 μm), W (0.4 μm), επένδυση διοξείδιο του πυριτίου Πίνακας 3.8 Width (μm) TE0 TM0 TE1 TM1 ΤΕ Τα παραπάνω αποτελέσματα, των οποίων έγινε σύγκριση με τον αντίστοιχων αυτών [6], αποτυπώνονται στο παρακάτω διάγραμμα. Όπως είναι εμφανές, για τα πλάτη ( ) μm και μεγαλύτερα από 0.7 μm, παρουσιάζεται πόλωση ΤΕ και ΤΜ 0 ης και 1 ης τάξης. Για τα πλάτη, όμως, ( ) μm υποστηρίζεται και πόλωση ΤΕ 2 ης τάξης. 45

46 Διάγραμμα 3.8 : ΤΕ και ΤΜ πόλωση για επένδυση διοξείδιο του πυριτίου Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα TE, TM modes 0 ης τάξης, για πλάτος (W) 400nm με επένδυση διοξείδιο του πυριτίου. TE mode 0 ης τάξης για Width: 400nm 46

47 TΜ mode 0 ης τάξης για Width: 400nm 47

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Προσομοίωση και πειραματικά αποτελέσματα για Δακτυλίους Συντονισμού 2 ης τάξης Σχήμα 4.1: 1:1 SOI-MUX Στο Σχήμα 4.1 παρουσιάζεται ένας 2 nd order WRR (Waveguide Ring Resonator) 1:1 SOI MUX. Περιέχει δύο δακτυλίους συντονισμού, που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Ο καθένας συνδέεται με έναν ευθύ κυματοδηγό (straight waveguide) και έτσι έχουμε ένα στοιχείο 2x2. Οι δύο δακτύλιοι έχουν την ίδια ακτίνα (R) και η απόσταση μεταξύ τους συμβολίζεται με gap 2. Οι αποστάσεις μεταξύ των ευθέων κυματοδηγών και των δακτυλίων συντονισμού συμβολίζονται με gap 1 και είναι ίσες μεταξύ τους. Το gap 2 επηρεάζει τη συμπεριφορά του στοιχείου και πιο συγκεκριμένα, παίζει καθοριστικό ρόλο στο σχήμα της μεταδιδόμενης κορυφής συντονισμού. Βλέποντας το σχήμα, το φως εισέρχεται από τη θύρα εισόδου (Input Port) για να περάσει και να κυματοδηγηθεί μέσα στους δακτυλίους. Εάν το μήκος κύματός του (λ) είναι διαφορετικό από το μήκος κύματος συντονισμού, τότε θα εξέλθει από τη θύρα Through. Αν όμως βρίσκεται εντός του εύρους τιμών που αντιστοιχεί στην συχνότητα συντονισμού, τότε θα βγει όλο ή σχεδόν όλο από τη θύρα Drop, ανάλογα με το πόσο κοντά φασματικά βρίσκεται σε αυτήν. Το μήκος κύματος συντονισμού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, αλλά κυρίως από το χρόνο μετ επιστροφής (Round Trip Time- RTT) που είναι ο χρόνος που απαιτείται για να διανύσει ένα οπτικό σήμα μια πλήρη περιστροφή μέσα στον MRR και να συμβάλλει με τον καθυστερημένο εαυτό του. 48

49 Στον Πίνακα 4.1 παρουσιάζονται οι προδιαγραφές για τα SOI MUX 1:1 στοιχεία για ακτίνες R=5.4 μm και R=9 μm. Τα κενά μεταξύ των κυματοδηγών και του δακτυλίου μπορεί να είναι (0.19, 0.2, 0.21) μm και μεταξύ των δακτυλίων (0.44, 0.46, 0.48) μm για ακτίνα R=5.4 μm και (0.36, 0.38, 0.4) μm για ακτίνα R=9 μm. Οι τιμές αυτές έχουν υπολογισθεί από προσομοιώσεις με το κυκλωματικό μοντέλο και στόχος είναι η επαλήθευση των τιμών αυτών και με το πρόγραμμα προσομοίωσης της PhoeniX που πραγματοποιεί ανάλυση τύπου Finite Difference Time Domain (FDTD). Πίνακας 4.1 : Προδιαγραφές για 1:1 SOI MUX Παράμετροι MUX (μm) κατασκευή Ακτίνα Δακτυλίου (R) Bus-to-ring (B2R) κενά (gap 1 ) Ring-to-ring (R2R) κενά (gap 2 ) 1: , 0.2, , 0.46, , 0.2, , 0.38, 0.4 Παρακάτω παρουσιάζεται το φάσμα του SOI MUX 1:1 του κατασκευασμένου συστήματος για ακτίνες R=5.4 μm (μπλε) και R=9 μm (κόκκινο). Σχήμα 4.2 : Φάσμα του SOI MUX 1:1 για R=5.4 μm, R=9 μm Παρατηρώντας το παραπάνω σχήμα, εντός της περιοχής ( ) nm, προκύπτουν δύο συντονισμένες κορυφές, στα nm και στα nm, από την ακτίνα R=5.4 μm, ενώ για την ακτίνα R=9 μm προκύπτουν 3 κορυφές ( nm, nm, nm). Ως FSR ορίζεται η απόσταση μεταξύ των δύο συνεχόμενων συντονισμένων κορυφών και προκύπτει ότι για την ακτίνα R=5.4 μm είναι 15.4 nm, ενώ για την ακτίνα R=9 μm είναι ~9.25 nm. Το FSR, λοιπόν, επηρεάζει την ακτίνα, καθώς όσο μεγαλώνει, το FSR μικραίνει. 49

50 Στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 4.2) παρουσιάζεται ένας 2 ης τάξης WRR 2:1 SOI MUX και όπως φαίνεται αποτελείται από 4 δακτυλίους και όχι 2 όπως στον 1:1 SOI MUX. Σχήμα 4.3 : 2:1 SOI-MUX Όπως φαίνεται από τις διαφορετικές θύρες εισόδου (Input1, Input2), εισέρχεται διαφορετικό μήκος κύματος φωτός στον κάθε δακτύλιο, αλλά προστίθενται, μέσω της θύρας Add, και βγαίνουν σε μια κοινή έξοδο (Output). Εάν το μήκος κύματός του (λ) είναι διαφορετικό από το μήκος κήματος συντονισμού, τότε θα βγει από τη θύρα Through1 ή Through2 αναλόγως σε ποια είσοδο θα εισέλθει (Input1 ή Input2), αν όμως βρίσκεται εντός του εύρους των τιμών του λ, τότε θα βγει όλο από τη θύρα Drop1,2. Το L w είναι η απόσταση των κέντρων των δύο όμοιων κύκλων. Στον Πίνακα 4.2 παρουσιάζονται οι προδιαγραφές που ισχύουν για τον 2:1 SOI MUX για ακτίνες R=5.4 μm και R=9 μm. Όπως φαίνεται, για την ακτίνα R=5.4 μm τα κενά μεταξύ του ευθύ κυματοδηγού και του δακτυλίου είναι (0.19, 0.2, 0.21) μm και η απόσταση μεταξύ των κέντρων των όμοιων κύκλων είναι 17 μm, ενώ για την ακτίνα R=9 μm είναι 28.3 μm. 50