Δ Ι Π Λ Ω Μ ΑΤ Ι Κ Η Ε Ρ ΓΑ Σ Ι Α

Transcript

1 Α Ρ Ι Σ Τ Ο Τ Ε Λ Ε Ι Ο Π Α Ν Ε Π Ι Σ Τ Η Μ Ι Ο Θ Ε Σ Σ Α Λ Ο Ν Ι Κ Η Σ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Δ Ι Π Λ Ω Μ ΑΤ Ι Κ Η Ε Ρ ΓΑ Σ Ι Α ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥΣ ΟΠΤΙΚΟΥΣ ΜΙΚΡΟΔΑΚΤΥΛΙΟΥΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (WDM Multiplexing using Silicon Photonic Intergrated Microring Resonators) MΠΑΛΑΜΩΤΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΑΕΜ: 1761 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΛΕΡΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 2014

2 ii

3 Περίληψη Τα τελευταία χρόνια, η αυξανόμενη ζήτηση αύξησης του εύρους ζώνης στις τηλεπικοινωνίες οδήγησε στην ανάπτυξη των οπτικών επικοινωνιών και τη χρησιμοποίησή τους για ανταλλαγή δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις. Πιο πρόσφατα, λόγω της συνεχιζόμενης απαίτησης για πολύ υψηλό εύρος ζώνης σε κέντρα δεδομένων ή υπολογιστικά συστήματα πολύ υψηλής απόδοσης, η έρευνα έχει επικεντρωθεί στις οπτικές διασυνδέσεις όλο και μικρότερης κλίμακας, όπως διασυνδέσεις από πλακέτα σε πλακέτα (board-to-board) ή σε chip, προκειμένου να αξιοποιηθούν τα πλεονεκτήματα των οπτικών διασυνδέσεων σε εύρος ζώνη, διακαναλικές παρεμβολές (crosstalk), ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και καθυστέρηση (latency) σε σχέση με τις ηλεκτρικές διασυνδέσεις. Για αυτό το σκοπό, στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα, αποτελούμενο από δυο 8 1 οπτικούς πολυπλέκτες με συστοιχία συζευγμένων δακτυλίων πυριτίου ενσωματωμένους σε ένα chip. Στη συνέχεια, υλοποιήθηκαν πειραματικές διατάξεις για χαρακτηρισμό και αξιολόγηση των πολυπλεκτών για πολυπλεξία και αποπολυπλεξία RZ(return to zero) δεδομένων σε ρυθμό μετάδοσης 25Gb/s. iii

4 Abstract Over the several recent years, the growing demand of bandwidth in telecommunications has led to growth in optical communications and to its usage for long-haul data exchange. More recently, due to the ever-increasing demand for very high aggregate bandwidth in data centers and high-performance computing systems, research has been focused in short-reach optical interconnects, such as board-to-board or on-chip interconnects, in order to harvest the advantages of optical interconnects in bandwidth capacity, crosstalk, latency and electromagnetic interference. For this purpose, a photonic intergrated circuit is presented in the current thesis, comprising two 8 1 silicon optical multiplexers on the same chip, which rely on cascaded 2nd order ring resonator configurations. An experimental setup was implemented for characterization and evaluation of the multiplexers in multiplexing and demultiplexing operation with RZ (return to zero) data at 25Gb/s data rates. iv

5 Περιεχόμενα Περίληψη... iii Abstract... iv 1. Εισαγωγή Η χρήση της οπτικής πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας στα οπτικά δίκτυα Η ανάγκη για οπτική πολυπλεξία σε οπτικές διασυνδέσεις υπολογιστικών συστημάτων Ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα Στόχος και δομή της πτυχιακής Ολοκληρωμένα κυκλώματα οπτικής πολυπλεξίας/ αποπολυπλεξίας Λειτουργία και εφαρμογές οπτικών πολυπλεκτών/ αποπολυπλεκτών Τεχνολογίες οπτικών πολυπλεκτών Πολυπλεξία με ολοκληρωμένους μικροδακτύλιους Βασικές παράμετροι ενός πολυπλέκτη Πειραματική υλοποίηση Κατασκευή του chip Χαρακτηρισμός και συντονισμός του chip Πειραματική υλοποίηση πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας δεδομένων Πειραματική διάταξη γεννήτριας παλμών PRBS στα 25Gb/s Πειραματική διάταξη πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας στα 25Gb/s Πειραματικά αποτελέσματα πολυπλεξίας στα 25Gb/s Πειραματικά αποτελέσματα αποπολυπλεξίας στα 25Gb/s Σύνοψη Λίστα εικόνων Αναφορές Ακρωνύμια v

6 1. Εισαγωγή 1.1 Η χρήση της οπτικής πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας στα οπτικά δίκτυα Είναι ευρέως αποδεκτό, ότι η βιωσιμότητα των σημερινών τηλεπικοινωνιακών δικτύων, θα επηρεαστεί σημαντικά από την ραγδαία αύξηση της ζήτησης για ολοένα και μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Η ραγδαία αυτή αύξηση μιας πληθώρας ανθρωποκεντρικών δραστηριοτήτων έχει προκαλέσει σημαντικές αλλαγές, στην βιομηχανία των τηλεπικοινωνιών, καθώς η ανάγκη αυτή συντελεί στη συνεχή ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και στην κατασκευή δικτύων με πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης. Τα παραπάνω συνηγορούν στην επέκταση της οπτικής τεχνολογίας από τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος που χρησιμοποιούνται σήμερα στα οπτικά δίκτυα κορμού με μεταγωγή πακέτου, και στην ανάδειξη των οπτικών τεχνολογιών στα δίκτυα πρόσβασης όπως τα δίκτυα με χρήση ίνας ως μαζική λύση στην τηλεπικοινωνιακή αγορά του τελικού χρήστη. Προκειμένου να αντιληφθούμε, όμως, την ανάγκη για πολύπλεξη στα οπτικά δίκτυα, ας θεωρήσουμε δυο σταθμούς που επικοινωνούν μέσω της απαραίτητης γραμμής δεδομένων που τους συνδέει. Είναι αρκετά συνηθισμένο η χωρητικότητα της γραμμής να είναι πολύ υψηλότερη από αυτή που πραγματικά χρησιμοποιούν οι δυο σταθμοί. Κατά συνέπεια, εάν θέλαμε να χρησιμοποιήσουμε τη γραμμή με έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο, θα ήταν καλό να διαμοιράσουμε τη συνολική χωρητικότητα μεταξύ αρκετών διαφορετικών σταθμών επικοινωνίας και όχι μόνο δυο. Αυτή η προσπάθεια διαμοιρασμού επιτυγχάνεται και περιγράφεται γενικά με τον όρο πολύπλεξη. Προφανώς, εάν λάβουμε υπόψιν τις εξαιρετικές δυνατότητες της οπτικής ίνας σε εύρος ζώνης, καθώς και το γεγονός ότι η εγκατάσταση νέας ίνας είναι γενικά ακριβή από διάφορες απόψεις, μπορούμε να πάρουμε μια ιδέα του πόσο σημαντική είναι η πολύπλεξη στα οπτικά δίκτυα. Εικόνα 1 Διάγραμμα WDM πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας για 3 μήκη κύματος 1

7 Σε μια γενική μορφή, υπάρχουν n είσοδοι στον πολυπλέκτη (multiplexer MUX) και, ομοίως, n έξοδοι από τον αποπολυπλέκτη (demultiplexer DEMUX). Ο MUX συνδυάζει n ροές δεδομένων εισόδου σε ένα και μοναδικό σήμα που μεταδίδεται πάνω από το σύνδεσμο μεγάλης χωρητικότητας. Το σήμα ουσιαστικά περιέχει n διακριτά κανάλια, η ακριβής μορφή των οποίων καθορίζει και το συγκεκριμένο τύπο πολύπλεξης που χρησιμοποιείται. Ο DEMUX αποπολυπλέκει τις ροές δεδομένων από το σήμα και τις παραδίδει στις κατάλληλες εξόδους. Οι βασικές τεχνικές πολυπλεξίας είναι η πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiplexing TDM), όπου τα κανάλια διαχωρίζονται στο χρόνο, η πολυπλεξία με διαίρεση κώδικα (Code Division Multiplexing - CDM) και η πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing WDM),όπου στο κάθε κανάλι ανατίθεται μια διαφορετική φέρουσα συχνότητα. Στην Εικόνα 1, απεικονίζεται ένα παράδειγμα πολυπλεξίας WDM για 3 μήκη κύματος. Οι ρυθμοί μετάδοσης των μονοκαναλικών οπτικών δικτύων περιορίζονται από την ταχύτητα των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που βρίσκονται στους ενδιάμεσους σταθμούς. Η τεχνική της πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος επιλύει αυτό το πρόβλημα, διαιρώντας το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε πολλά κανάλια μικρότερου εύρους, τα οποία μπορούν να υποστηριχθούν από τα ηλεκτρονικά κυκλώματα των ενδιάμεσων σταθμών. Οι λειτουργίες της πολύπλεξης και της αποπολύπλεξης των καναλιών γίνονται στο οπτικό πεδίο χωρίς να είναι αναγκαίο να γίνουν μετατροπές από το οπτικό στο ηλεκτρικό πεδίο και αντίστροφα. Η WDM τεχνολογία, λοιπόν, επιτρέπει την υλοποίηση αμιγώς οπτικών δικτύων με ρυθμούς μετάδοσης της τάξης πολλών gigabits το δευτερόλεπτο. Στην πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος κάθε ροή δεδομένων διαμορφώνεται σε ένα διαφορετικό μήκος κύματος. Τα μήκη κύματος που αποτελούν τα κανάλια πρέπει να διαχωρίζονται επαρκώς το ένα από το άλλο, ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές. Το σημαντικό πλεονέκτημα της δικτύωσης που βασίζεται στην τεχνική WDM, το οποίο εξηγεί και το τεράστιο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον γύρω από αυτή, είναι η συμβατότητά της με την περιορισμένη σε σύγκριση με τις δυνατότητες των οπτικών ινών ταχύτητα των ηλεκτρικών κυκλωμάτων των σταθμών του δικτύου. Η τεχνολογία WDM προσφέρει έναν εξαιρετικό τρόπο εκμετάλλευσης του τεράστιου εύρους ζώνης των οπτικών ινών, καθώς επιτρέπει σε πολλαπλούς χρήστες να μεταδίδουν δεδομένα ταυτόχρονα πάνω από διαφορετικά κανάλια με εφικτούς ηλεκτρονικά ρυθμούς μετάδοσης. Τα πολυκαναλικά οπτικά δίκτυα, δηλαδή τα δίκτυα που υιοθετούν την τεχνική WDM, επιτυγχάνουν έναν πολύ πιο οικονομικά αποδοτικό τρόπο χρήσης των οπτικών ινών από ότι τα μονοκαναλικά δίκτυα, επειδή είναι σαφώς πιο οικονομικό να χρησιμοποιεί κανείς πολλαπλές εικονικές ίνες μέσα σε μια φυσική ίνα, αντί να σπαταλά πολλές ίνες για τον ίδιο σκοπό. [1] 1.2 Η ανάγκη για οπτική πολυπλεξία σε οπτικές διασυνδέσεις υπολογιστικών συστημάτων Τα δίκτυα οπτικών διασυνδέσεων προσφέρουν φυσικές λύσεις για την ανάγκη κλιμάκωσης της απόδοσης των υπολογιστικών συστημάτων, από πολυεπεξεργαστές ενός chip, έως συστήματα επεξεργαστή-μνήμης σε επίπεδο πλακέτας, ή πλήρους κλίμακας υψηλής απόδοσης υπολογιστικά συστήματα. Οι απαιτήσεις των δικτύων 2

8 διασύνδεσης, στα υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης, αυξάνονται με αλματώδη ρυθμό τόσο σε χωρητικότητα, όσο και σε ρυθμούς σηματοδοσίας που πρέπει να εξυπηρετηθούν. Αυτή η αύξηση των ρυθμών σηματοδοσίας επιβάλλει την αντικατάσταση των ηλεκτρικών διακοπτών που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα, από τους οπτικούς. Η τεχνολογία των οπτικών ινών παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα για τέτοιες εφαρμογές διότι επιτρέπει τη μετάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις, παρέχει ευρυζωνικότητα, είναι πιο ανθεκτική στην ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, και μπορεί να είναι πιο συμφέρουσα ενεργειακά, κάτι που εξαρτάται από το ρυθμό μετάδοσης και το μήκος της ζεύξης. Εικόνα 2 Σύγκριση ηλεκτρικών και οπτικών διασυνδέσεων για on-chip επικοινωνία Οι οπτικές διασυνδέσεις για ηλεκτρονικά πυριτίου έχει αποδειχθεί ότι έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών ηλεκτρικών διασυνδέσεων, ιδιαίτερα σε πυκνά, υψηλής χωρητικότητας συστήματα [2]. Δεδομένης της ανάγκης για αύξηση του εύρους ζώνης, η WDM πολυπλεξία γίνεται μια ελκυστική λύση και για διασυνδέσεις μικρότερης απόστασης, όπως διασυνδέσεις από chip σε chip (chip-to-chip) και από πλακέτα σε πλακέτα (board-to-board). Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2, οι οπτικές διασυνδέσεις έχουν μεγάλα πλεονεκτήματα έναντι των ηλεκτρικών μόνο αν χρησιμοποιηθεί WDM. Ο λόγος είναι ότι το ελάχιστο πλάτος των οπτικών κυματοδηγών, περιορίζεται από το οπτικό μήκος κύματος [3]. Οι οπτικές διασυνδέσεις με χρήση WDM παρέχουν διασυνδέσεις μεταξύ μιας ομάδας ινών εισόδου/εξόδου με κάθε ίνα να μεταφέρει πολλαπλά κανάλια μήκους κύματος. Επίσης, προσφέρουν πολύ περισσότερα πρότυπα επικοινωνίας για διάφορες εφαρμογές δικτύωσης, ενώ παράλληλα παρέχουν διασυνδέσεις υψηλής ταχύτητας μεταξύ μιας ομάδας επεξεργαστών σε ένα παράλληλο και κατανεμημένο υπολογιστικό σύστημα [4]. Ενώ, όμως, τα συστήματα τηλεπικοινωνιών WDM παραδοσιακά χρησιμοποιούν ένα ξεχωριστό laser για κάθε κανάλι μήκους κύματος, το οποίο απαιτεί παρακολούθηση και έλεγχο του μήκους κύματος, μία απλούστερη, λιγότερο δαπανηρή εναλλακτική λύση είναι απαραίτητη για διασυνδέσεις μικρής απόστασης. Μια λύση είναι η χρησιμοποίηση μίας ενιαίας, broad-band πηγής laser. Η πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος έχει τη δυνατότητα να απλοποιήσει τη ολοκλήρωση διασυνδέσεων σε ένα 3

9 τέτοιο σύστημα, με την έννοια ότι όλα τα κανάλια μπορούν να συγχωνευτούν και να μεταφερθούν μέσω μιας μόνο ίνας, ενώ η χρήση μίας και μόνο οπτική πηγής δυνητικά μειώνει το κόστος σε μια διασύνδεση σε μικρές αποστάσεις [5]. 1.3 Ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα Στα σημερινά οπτικά δίκτυα επικοινωνιών ή δίκτυα δεύτερης γενιάς τμήμα της δρομολόγησης, της μεταγωγής και άλλων βασικών διαδικασιών πραγματοποιείται στο οπτικό επίπεδο ενώ τα συστήματα που χρησιμοποιούνται για να υποστηρίξουν τις διεργασίες αυτές αποτελούνται στο σύνολό τους από διακριτά στοιχεία, καθένα από τα οποία εκτελεί και μια απλή λειτουργία. Η ανάγκη παροχής αυξημένης χωρητικότητας υπηρεσιών απαιτεί, με αυτόν τον τρόπο, τη χρήση υπερβολικά μεγάλου αριθμού των διαθέσιμων οπτικών συστημάτων και σαν αποτέλεσμα τα σύγχρονα δίκτυα τείνουν να μετατραπούν σε πολύπλοκες και αναξιόπιστες δομές. Το πρόβλημα γίνεται ακόμα μεγαλύτερο στα μελλοντικά οπτικά δίκτυα όπου νέες εφαρμογές, ικανές να υποστηρίζουν πιο σύνθετες τεχνικές διαμόρφωσης, θα κάνουν την εμφάνισή τους. Η φωτονική ολοκλήρωση, όπως όλα δείχνουν, θα αποτελέσει παράγοντα κλειδί στην επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος, καθώς μέσω των ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων επιτυγχάνεται αύξηση της χωρητικότητας και της αξιοπιστίας ενός συστήματος ενώ παράλληλα το κόστος κατασκευής, το μέγεθος και η κατανάλωση ισχύος μειώνονται κατά πολύ [6]. Με τον όρο ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα (PIC Photonic Intergrated Circuit) αναφερόμαστε σε μία απλή συσκευή που ενσωματώνει πολλαπλά οπτικά στοιχεία και λειτουργίες [7]. Το πρώτο ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα παρουσιάστηκε το 1986, όταν επιτεύχθηκε η ενσωμάτωση πάνω στην ίδια συσκευή ενός laser κατανεμημένης ανάδρασης (DFB Distributed Feedback Laser) και ενός διαμορφωτή ηλεκτροαπορρόφησης (EAM Electro-Absorption Modulator) υλοποιώντας το πρώτο εξωτερικά διαμορφωμένο laser (EML Externally Modulated Laser) [8]. Έκτοτε, η φωτονική ολοκλήρωση ακολουθεί το δικό της νόμο του Moore [9], ο οποίος παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με αυτόν της ηλεκτρονικής. Στην Εικόνα 3 παρουσιάζεται χρονικά η εξέλιξη των ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων, όπως έχει διαμορφωθεί σε παγκόσμιο επίπεδο μέχρι σήμερα [10]. Πρόσφατα, η Αμερικανική εταιρία Infinera, που ειδικεύεται στο χώρο της φωτονικής ολοκλήρωσης και διαθέτει στο ενεργητικό της ένα μεγάλο σύνολο από πρωτοποριακές υλοποιήσεις, παρουσίασε έναν οπτικό πομπό δέκα καναλιών με συνολική ταχύτητα που ξεπερνάει τα 1 Tb/s ολοκληρώνοντας περισσότερα από 150 οπτικά στοιχεία σε ένα chip [11]. 4

10 Εικόνα 3 Η εξέλιξη των ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων μέχρι σήμερα Η φωτονική ολοκλήρωση, όπως ισχύει και για την περίπτωση της ηλεκτρονικής, μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους, είτε μονολιθικά (monolithic integration) είτε υβριδικά (hybrid integration). Κατά την υβριδική ολοκλήρωση πραγματοποιείται συνδυασμός οπτικών δομικών στοιχείων και διασυνδέσεων που προέρχονται από διαφορετικά υλικά κατασκευής. Η τεχνική αυτή προσφέρει υψηλής απόδοσης ολοκληρωμένα κυκλώματα καθώς τα επιμέρους οπτικά και ηλεκτρονικά στοιχεία που τα συνθέτουν μπορούν να βελτιστοποιηθούν ανεξάρτητα τόσο σχεδιαστικά όσο και κατασκευαστικά. Αντίθετα, στην μονολιθική ολοκλήρωση χρησιμοποιείται αποκλειστικά ένα υλικό σαν υπόστρωμα για την κατασκευή και ενοποίηση των οπτικών δομικών στοιχείων. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής έγκειται στο γεγονός ότι μπορούν να ενοποιηθούν και να συσκευαστούν (packaging) με απλούστερο και οικονομικότερο τρόπο μεγάλος αριθμός όμοιων δομικών οπτικών στοιχείων ή στοιχείων κοινού υλικού κατασκευής, επιτυγχάνοντας έτσι κυκλώματα υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης [12]. Ενώ οι περισσότερες εταιρίες υλοποίησης οπτικών συστημάτων δεν έχουν ακόμα κατασταλάξει σε ποια τεχνική ολοκλήρωσης θα επενδύσουν μελλοντικά, η Infinera αναπτύσσει και διαθέτει εμπορικά οπτικά κυκλώματα μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης και υψηλής απόδοσης χρησιμοποιώντας τη μονολιθική τεχνική. Σε διαφορετική κατεύθυνση βρίσκεται η εταιρία CIP Technologies (Centre for Integrated Photonics) η οποία χρησιμοποιεί μια ξεχωριστή και εξίσου αποδοτική τεχνολογία προσέγγισης με την ονομασία monolithic-on-hybrid που ουσιαστικά αποτελεί ένα συνδυασμό μονολιθικής και υβριδικής ολοκλήρωσης. Κατά τη διαδικασία αυτή, τα επιμέρους ενεργά και παθητικά οπτικά στοιχεία ολοκληρώνονται με τις κατάλληλες προδιαγραφές υλικών μονολιθικά ενώ η ενοποίησή τους πραγματοποιείται με υβριδικό τρόπο. Παρά τις προκλήσεις που παρουσιάζονται κατά τη φωτονική ολοκλήρωση, τόσο η μονολιθική όσο και η υβριδική τεχνική αποτελούν δύο αρκετά υποσχόμενες λύσεις, ικανές να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των μελλοντικών οπτικών δικτύων 5

11 επικοινωνιών. Σήμερα, τα οπτικά στοιχεία κατασκευάζονται με χρήση διαφόρων υλικών όπως το φωσφορούχο ίνδιο (InP - Indium Phosphide), αρσενικούχο γάλλιο (GaAs Gallium Arsenide), νιοβικό λίθιο (LiNbO3 - Lithium Niobate), πυρίτιο (Si - Silicon) και Silica-on-Silicon [13]. 1.4 Στόχος και δομή της πτυχιακής Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η παρουσίαση και ο χαρακτηρισμός ενός ολοκληρωμένου φωτονικού κυκλώματος οπτικού πολυπλέκτη/αποπολυπλέκτη με μεγάλο εύρος ζώνης, αλλά και πολύ μικρό μέγεθος, για πολυπλεξία/αποπολυπλεξία δεδομένων σε πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται λόγος για την ανάγκη για οπτική πολυπλεξία/αποπολυπλεξία σε οπτικές διασυνδέσεις υπολογιστικών συστημάτων και παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα της ολοκληρωμένης φωτονικής ολοκλήρωσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι λειτουργίες, οι εφαρμογές, καθώς και η εξέλιξη στις τεχνολογίες οπτικών πολυπλεκτών/ αποπολυπλεκτών. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική υλοποίηση του chip, ο τρόπος κατασκευής του, ο θερμο-οπτικός συντονισμός καθώς και ο πειραματικός χαρακτηρισμός του. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται πειραματική διάταξη γεννήτριας RZ παλμών στα 25 Gb/s με διπλασιασμό του ρυθμού επανάληψης και τα πειραματικά αποτελέσματα, με χρήση του chip ως πολυπλέκτη και αποπολυπλέκτη για τρία σήματα RZ PRBS δεδομένων στα 25Gb/s. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια σύνοψη όσων περιεγράφηκαν στην διπλωματική και τα συμπεράσματα της πειραματικής αξιολόγησης της συσκευής. 6

12 2. Ολοκληρωμένα κυκλώματα οπτικής πολυπλεξίας/ αποπολυπλεξίας 2.1 Λειτουργία και εφαρμογές οπτικών πολυπλεκτών/ αποπολυπλεκτών Με τη χρήση οπτικής πολυπλεξίας παρέχονται εγγυήσεις για ταχύτερα, με μεγαλύτερο εύρος ζώνης, και πιο αξιόπιστα, με καλύτερη ποιότητα σήματος δίκτυα επικοινωνιών. Για το λόγο αυτό, τον τελευταίο καιρό έχει αναπτυχθεί μεγάλο ενδιαφέρον για δίκτυα που βασίζονται σε αυτή την τεχνολογία και χρησιμοποιούν δρομολόγηση μήκους κύματος (wavelength routing) [14]. Η WDM τεχνολογία παρέχει συμβατότητα μεταξύ του εύρους ζώνης του οπτικού μέσου οπτική ίνα και του εύρους ζώνης του τερματικού εξοπλισμού, που απαρτίζεται κυρίως από ηλεκτρονικές διατάξεις. Ένα βασικό πλεονέκτημα των WDM δικτύων είναι η καλύτερη δυνατή αξιοποίηση των οπτικών ινών και η μεγιστοποίηση του μεταφερόμενου όγκου δεδομένων χρησιμοποιώντας πολυπλεξία οπτικών σημάτων με διαφορετικά μήκη κύματος και την μετάδοσή τους μέσα από μια μόνο οπτική ίνα [15]. Κατά την WDM πολυπλεξία, το φάσμα μετάδοσης της οπτική ίνας χωρίζεται σε μη επικαλυπτόμενες περιοχές μηκών κύματος (συχνοτήτων), όπου κάθε μήκος κύματος (wavelength) μεταφέρει ένα κανάλι σε ρυθμό μετάδοσης ίσο με αυτό του τερματικού ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Επιτρέποντας τη μεταφορά πολλαπλών WDM καναλιών πάνω από μια οπτική ίνα επιτυγχάνεται πλήρης αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης, ενώ παράλληλα τα δομικά στοιχεία των δικτύων WDM είναι ευκολότερο να υλοποιηθούν, καθώς καλούνται να υποστηρίξουν ρυθμούς μετάδοσης ανά κανάλι ίσους με αυτό των ηλεκτρονικών πομποδεκτών. Με άλλα λόγια, οι πηγές εκπομπής σήματος μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους και εκπέμποντας η κάθε μία με διαφορετικό ρυθμό, που αντιστοιχίζεται σε συγκεκριμένο μήκος κύματος που τους έχει ανατεθεί, να μεταδώσουν ανεξάρτητα η μία από την άλλη πάνω από τον ίδιο σύνδεσμο. Τα παραπάνω φαίνονται στην Εικόνα 4. Εικόνα 4 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος Με άλλα λόγια, πολλαπλά σήματα πληροφορίας προσαρμόζονται σε οπτικά σήματα διαφορετικού μήκους κύματος, με τα προκύπτοντα μήκη κύματος να συνδυάζονται και να εκπέμπονται ταυτόχρονα πάνω στην ίδια οπτική ίνα. 7

13 Σε ένα WDM σύστημα, ένα πλήθος διαφορετικών σημάτων μεταφέρονται υπό τη μορφή διακριτών μηκών κύματος ή καναλιών μέσω της οπτικής ίνας και αποπολυπλέκονται στο σημείο λήψης. Η ολική χωρητικότητα του μέσου είναι το άθροισμα της χωρητικότητας των εισερχόμενων σημάτων, με τη διαφορά ότι καθένα από τα σήματα αυτά μεταφέρεται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι κάθε κανάλι έχει το δικό του, αποκλειστικό, εύρος ζώνης, δηλαδή μπορεί να επιτευχθεί τεράστια αύξηση (πρακτικά απεριόριστη) της χωρητικότητας μετάδοσης [16]. Η WDM αποτελεί μια αρχιτεκτονική που διέπεται από τρεις βασικές αρχές, τη διαφάνεια (transparency) - που επιτυγχάνει η διασύνδεση διαφόρων υπηρεσιών μέσω του κοινού φυσικού μέσου, την κλιμάκωση (scalability) - που επιτυγχάνεται η καλύτερη δυνατή αξιοποίηση της οπτικής ίνας, ειδικότερα σε επίπεδο, μητροπολιτικών και επιχειρησιακών δικτύων, και της δυναμικής παροχής εύρους ζώνης (dynamic provisioning) - όπου δίνεται η δυνατότητα παροχής υπηρεσιών υψηλών ταχυτήτων για ικανοποίηση αναγκών των χρηστών μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα [17]. Οι εφαρμογές της τεχνολογίας πολυπλεξίας WDM στα συστήματα επικοινωνιών αυξάνουν την αποτελεσματικότητα ευελιξίας και κόστους. Παρά το γεγονός ότι σημειώνεται σταθερή πρόοδος στις συσκευές οπτικής πολυπλεξίας, πηγές φωτός και στους ανιχνευτές, η τεχνολογία είναι ακόμη στα αρχικά στάδια και προτείνεται να δοθεί προτεραιότητα από τους ερευνητές στη μείωση του κόστους των συσκευών πολύπλεξης WDM. Οι εφαρμογές WDM στα ευρυζωνικά δίκτυα συνδρομητών είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρες. Μεγάλη προσοχή δίνεται στις συσκευές γωνιακής διασποράς (angularly dispersive devises), συσκευές διηλεκτρικού φίλτρου (dielectric thin filtertype devises), συσκευές υβριδικού και επίπεδου κυματοδηγού (hybrid and planar waveguide-type devises), ενεργές συσκευές WDM και συσκευές μη εκλεκτικού μήκους κύματος (wavelength-nonselective devises) [18]. 2.2 Τεχνολογίες οπτικών πολυπλεκτών Υπάρχουν δυο κατηγορίες οπτικών πολυπλεκτών, οι ενεργοί και οι παθητικοί. Οι παθητικοί πολυπλέκτες είναι βασισμένοι σε πρίσματα, πλέγματα περίθλασης και φίλτρα φάσματος. Οι ενεργοί πολυπλέκτες είναι βασισμένοι σε ένα συνδυασμό παθητικών διατάξεων και ρυθμιζόμενων ανιχνευτών (tunable detectors), με κάθε ανιχνευτή συντονισμένο σε διαφορετική συχνότητα. Μια απλή τεχνική πολυπλεξίας-αποπολυπλεξίας βασίζεται στη χρήση ενός πρίσματος. Η εικόνα 5 δείχνει τη διάταξη αποπολυπλεξίας. Μια παράλληλη ακτίνα του πολυχρωματικού φωτός προσπίπτει στην επιφάνεια ενός πρίσματος. Κάθε μήκος κύματος διαθλάται με διαφορετική γωνία. Αυτό είναι φαινόμενο αντίστοιχο της ανάλυσης του φωτός στο «ουράνιο τόξο» (rainbow effect). Ένας φακός εστιάζει κάθε μήκος κύματος στο σημείο εισαγωγής ανεξάρτητης οπτικής ίνας. 8

14 Εικόνα 5 Διάταξη αποπολύπλεξης με χρήση πρίσματος (Prism Refraction Demultiplexing) Υπάρχουν διάφορα ήδη οπτικών πολυπλεκτών που χρησιμοποιούνται σήμερα και βασίζονται στα φαινόμενα της περίθλασης η της παρεμβολής. Οι πολυπλέκτες που είναι βασισμένοι στην περίθλαση σχετίζονται με το φαινόμενο περίθλασης του Bragg, το οποίο συνήθως εκτελείται με τη χρησιμοποίηση ορισμένων στοιχείων γωνιακής διασποράς, όπως πλέγματα περίθλασης. Το προσπίπτον σήμα φωτός ανακλάται από το πλέγμα περίθλασης και διασπείρεται χωρικά σε μια σειρά συνιστωσών μήκους κύματος, οι οποίες στη συνέχεια εστιάζονται από φακούς και εισάγονται σε ξεχωριστές οπτικές ίνες. Όταν μία πολυχρωματική πηγή φωτός προσπίπτει σε ένα οπτικό φράγμα κάθε μήκος κύματος ανακλάται με διαφορετική γωνία. Με τη χρήση ενός φακού, μπορούμε να συλλέξουμε τα μήκη κύματος να τα στρέψουμε πάνω σε μεμονωμένες οπτικές ίνες. Το πλέγμα περίθλασης πρέπει να είναι κατάλληλα σχεδιασμένο για να δημιουργείται μια συγκεκριμένη γωνία ανάκλασης ανάλογα με το μήκος κύματος. Εικόνα 6 Κυματοδηγός πλέγματος περίθλασης (Waveguide Grating Diffraction) Η δεύτερη κατηγορία οπτικών πολυπλεκτών, που βασίζεται στο φαινόμενο της παρεμβολής, χρησιμοποιεί οπτικούς συζεύκτες και οπτικά φίλτρα για να συνδυάσει δυο ή περισσότερα κανάλια μήκους κύματος σε ένα σύνθετο σήμα. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι τύποι οπτικών πολυπλεκτών που βασίζονται στο φαινόμενο της παρεμβολής είναι οι πολυπλέκτες διηλεκτρικού φίλτρου λεπτής ταινίας (dielectric thinfilm filter multiplexers) και οι πολυπλέκτες με πλέγμα παρατεταγμένων κυματοδηγών (Arrayed Waveguide Gratings AWG). Μια συσκευή AWG, που πολλές φορές καλείται οπτικός κυματοδηγός δρομολόγησης ή κυματοδηγός δρομολόγησης πλέγματος, αποτελείται από μια σειρά κυματοδηγών -κυρτών καναλιών- µε σταθερή διαφορά στο μήκος μετάδοσης. 9

15 Εικόνα 7 Πλέγμα Κυματοδηγών (Arrayed Waveguide Grating-AWG) Μια διαφορετική τεχνική χρησιμοποιεί φίλτρα υψηλής επιλεκτικότητας σε συσκευές που ονομάζονται φίλτρα λεπτών στρώσεων ή φίλτρα παρεμβολής πολλαπλών στρωμάτων. Με τον προσδιορισμό θέσης των φίλτρων, που αποτελούνται από λεπτές στρώσεις διαφορετικού συντελεστή διάθλασης, τα μήκη κύματος μπορούν να αποπολυπλεχτούν. Εικόνα 8 Φίλτρα πολλαπλών στρωμάτων (Multilayer Interference Filters) Μια ειδική κατηγορία οπτικών πολυπλεκτών, αυτή των οπτικών πολυπλεκτών προσθαφαίρεσης (Optical Add/Drop Multiplexer - OADM) κατέχει σημαντικότατο ρόλο στην προσπάθεια δημιουργίας εξολοκλήρου οπτικών δικτύων. Ο ρόλος τους είναι η εξαγωγή (dropping) από το σύνθετο (aggregate) οπτικό σήμα ή/και η εισαγωγή (adding) σε αυτό, ενός ή περισσοτέρων οπτικών καναλιών. Ένας OADM μπορεί να εκτελέσει τις παραπάνω λειτουργίες απευθείας στο οπτικό επίπεδο (optical layer) χωρίς να υπάρχει η ανάγκη για εξαγωγή των ψηφιακών σημάτων από τα οπτικά κανάλια στο ηλεκτρικό επίπεδο. Η σημαντικότερη παράμετρος για έναν OADM είναι ο αριθμός των καναλιών τα οποία μπορεί να εισάγει/εξάγει. Ανάλογα με τον κατασκευαστή, ο αριθμός αυτός ποικίλει από 4 έως

16 Εικόνα 9 Οπτικός πολυπλέκτης προσθαφαίρεσης (Optical Add/Drop Multiplexer OADM) Οι οπτικοί πολυπλέκτες κατασκευάζονται συνήθως με χρήση φωσφορούχου ίνδιου (InP-based) ή πυριτίου. Η οπτική τεχνολογία με χρήση πυριτίου στους κυματοδηγούς (silicon photonics) προσφέρει μοναδική ευκαιρία δικτύων διασύνδεσης στην κλίμακα των chip με χαμηλό κόστος [19-22]. Σε αντίθεση με τις on-chip ηλεκτρικές διασυνδέσεις όπου πολλαπλά στρώματα μετάλλου μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα για τη μεταφορά σήματος, οι φωτονικές διασυνδέσεις πυριτίου (Si photonics interconnects) χρησιμοποιούν κυματοδηγούς πυριτίου για την δρομολόγηση του σήματος. Πολλές διαφορετικές προσεγγίσεις έχουν πραγματοποιηθεί για WDM πολυπλεξία με χρήση πυριτίου, με πιο διαδεδομένους τους AWG (Array Waveguide Granting) [23], echelle grating [24], MZI based interleaver [25], καθώς και cascaded ring add/drop φίλτρα [26,27]. Τα συγκεκριμένα είδη πολυπλεκτών, όμως, είναι συνήθως μεγάλα σε μέγεθος, και δεν είναι επιθυμητοί για εφαρμογές στο επίπεδο του chip. Αντίθετα, με add/drop φίλτρα βασισμένα σε δαχτυλίδια συντονισμού με κυματοδηγούς πυριτίου υψηλής αντίθεσης (ring resonator based add/drop filters using high index contrast Si waveguide), έχουμε τη δυνατότητα κατασκευής πολύ συμπαγών πολυπλεκτών/αποπολυπλεκτών με την επιθυμητή οπτική απόδοση [28]. 2.2 Πολυπλεξία με ολοκληρωμένους μικροδακτύλιους Οι συσκευές με συντονιστές μικροδακτύλιους (Ring Resonators) είναι μία από τις πιο δημοφιλείς συσκευές για να σχηματίσουν τα βασικά δομικά στοιχεία των on-chip δικτύων και οπτικών διασυνδέσεων, λόγω του μικρού μεγέθους και της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Την τελευταία δεκαετία έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στο σχεδιασμό συσκευών βασισμένες σε μικροδακτύλιους, όπως διαμορφωτές, φίλτρα και λέιζερ [29-31]. 11

17 Εικόνα 10 Φίλτρο προσθαφαίρεσης με μικροδακτυλίους Ένας μικροδακτύλιος συζευγμένος με δυο κυματοδηγούς σχηματίζει ένα φίλτρο προσθαφαίρεσης 4 θυρών, όπως φαίνεται στην Εικόνα 10. Η οπτική μονάδα εισόδου στην θύρα 1, το through output στην θύρα 2 (S21) και το drop output στη θύρα 3 (S31) εκφράζονται στις σχέσεις: S21 = a 1 K 1 σ 1 K 2 e jβ2πr 1 Ge jβ2πr S31 = a2 K 1 K 2 e a2πr e jβ2πr 1 Ge jβ2πr Όπου R είναι η ακτίνα του δακτυλίου, Κ1 Κ2 είναι οι συντελεστές σύζευξης, a είναι η απώλεια εύρους ανά πέρασμα στη σύζευξη του δακτυλίου, β=kneff είναι η σταθερά διάδοσης, k=2π/λ η σταθερά για τα κύματα στο κενό, neff ο δείκτης διάθλασης του κυματοδηγού, α είναι ο συντελεστής εξασθένισης του πλάτους από τις απώλειες του κυματοδηγού, σ = α 2 e α2πr είναι το round trip loss εάν υποθέσουμε ότι οι συζεύκτες έχουν τους ίδιους συντελεστές απώλειας: τα a και G = σ 1 K 1 1 K 2 χρησιμοποιούνται για να απλοποιήσουν τις σχέσεις. Για τη μετάδοση δεδομένων με υψηλή ταχύτητα, πρέπει το φίλτρο προσθαφαίρεσης να χαμηλές απώλειες και ευρεία ζώνη διέλευσης(wide pass band). Δεδομένης της απώλειας του κυματοδηγού του δακτυλίου και της αμελητέας απώλειας του συζεύκτη, οι συντελεστές σύζευξης του κυματοδηγού με το δακτύλιο καθορίζουν τις απώλειες και το εύρος ζώνης του φίλτρου προσθαφαίρεσης για ένα δακτύλιο. Υποθέτοντας ότι έχουμε ίδια σύζευξη στους συζεύκτες και μικρές απώλειες (a=0.999), και 10dB/cm απώλειες κυματοδηγού του δακτυλίου τα προφίλ μετάδοσης του φίλτρου με δακτύλιο 12μm για διάφορους συντελεστές σύζευξης παρουσιάζονται στην Εικόνα 11. Υψηλός λόγος σύζευξης οδηγεί σε μικρότερες απώλειες και ευρύτερη ζώνη διέλευσης για το φίλτρο αφαίρεσης (drop). Ταυτόχρονα, δυστυχώς, οδηγεί και σε μικρότερη απομόνωση 12

18 του καναλιού. Υψηλότερες απώλειες του κυματοδηγού του δακτυλίου αυξάνει τις απώλειες του drop φίλτρου, αλλά δεν επηρεάζει τη ζώνη διέλευσης σε μεγάλο βαθμό διότι το φορτωμένο Q της συσκευής κυριαρχείται από το λόγο σύζευξης. Επίσης, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα είναι ότι ακόμη και μια σημαντική αλλαγή στην αναλογία σύζευξης έχει μικρό αντίκτυπο στην θύρα εξόδου through για τα γειτονικά κανάλια μήκους κύματος [32]. Εικόνα 11 Φίλτρο add/drop με δακτύλιο για διαφορετικούς λόγους σύζευξης του δακτυλίου με το κυματοδηγό για δακτύλιο με συγκεκριμένες απώλειες κυματοδηγού(a=10db/cm) και απώλειες εύρους του συζεύκτη (a=0,999) Οι πολυπλέκτες με συστοιχία συζευγμένων δακτυλίων, όπως παρουσιάζεται και στην Εικόνα 12, είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς, καθώς επιτρέπουν την εκτέλεση της προσθαφαίρεσης (add/drop) με απλές διατάξεις, παρέχουν τη δυνατότητα για έλεγχο του σχήματος του φίλτρου για να πετύχουμε μια σχεδόν τετραγωνική μορφή απόκρισης με χαμηλή αναλογία εύρους ζώνης, ενώ έχουν σημαντικά μικρότερο αποτύπωμα (footprint) σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες όπως AWG και echelle grattings. Είναι εφικτό να γίνουν πολύ συμπαγείς και να σχεδιαστούν με μεγάλη απόσταση καναλιών (Free-Spectral Ranges - FSR) [33]. Εικόνα 12 Πολυπλέκτης με συστοιχία συζευγμένων Ring Resonators 13

19 Η συνάρτηση μεταφοράς για μια σειρά συζευγμένων δακτυλίων μπορεί να εξαχθεί χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση με πίνακες μεταφοράς (transfer matrix). Η σειρά συζευγμένων δακτυλίων αποτελείται από δυο τύπους ζεύξεων: ζεύξεις δακτυλίουκυματοδηγού (ring-to-bus) και ζεύξη ανάμεσα στους δακτυλίους(ring-to-ring). Κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία αντιπροσωπεύεται από τον πίνακα μεταφοράς του. Στη συνέχεια αυτοί οι πίνακες πολλαπλασιάζονται για να εξάγουμε την ανταπόκριση του κυκλώματος. Στην ιδανική περίπτωση, αν δεν υπάρχουν απώλειες στην περιοχή σύζευξης και οι σταθερές διάδοσης των συζευγμένων κυματοδηγών είναι ίσες, τα πλάτη του πεδίου στις θύρες εξόδου της περιοχής σύζευξης ανάμεσα στους δακτυλίους (όμοια και για τη ζεύξη ring-to-bus), που παρουσιάζονται και στην Εικόνα 13, μπορούν να εκφραστούν ως: Όπου το C δίνεται από : C = [ E c2 E c2 ] = C [ E c1 E c1 ] j 1 t [ t 1 1 t ] Εικόνα 13 Περιοχή σύζευξης ανάμεσα στους κυματοδηγούς των δακτυλίων Όπου το t είναι ο συντελεστής μετάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και κ ο συντελεστής σύζευξης του συζεύκτη. Εάν ο συζεύκτης είναι χωρίς απώλειες, κ=1-t και ο πίνακας είναι μοναδιαίος. Η διάδοση στον δακτύλιο, όπως εμφανίζεται και στην Εικόνα 14, μπορεί να εκφραστεί ως: [ E r2 E r1 ] = R [ E r2 E r1 ] 14

20 Όπου: R = [ a 1 2 e jβl 2 0 ] 0 a 1 e jβl 1 Όπου β είναι η σταθερά διάδοσης και ai αναπαριστά τη διαπερατότητα μετά από διάδοση σε μήκος li (i=1 ή 2) στο συντονιστή(resonator). To R αναπαριστά την δεξιόστροφη κυκλική διάδοση και το R -1 την αριστερόστροφη διάδοση. Από αυτό το σύνολο πινάκων μπορούμε να εξάγουμε τον πίνακα μεταφοράς από μία σειρά συζευγμένων δακτυλίων δεύτερης τάξης: [ E D E A ] = C b2 R r2 1 C r1 R r1 C b1 [ E T E I ] Όπου Cb και Cr οι πίνακες σύζευξης για τις περιοχές σύζευξης των ζεύξεων ring-to-bus και ring-to-ring, αντίστοιχα [34]. Εικόνα 14 Αναδρομική γραμμή καθυστέρησης (recursive delay line) του δακτυλίου 2.3 Βασικές παράμετροι ενός πολυπλέκτη Μερικές από τις βασικές παραμέτρους είναι ανεξάρτητες από την δομή πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας. Ένας βέλτιστος σχεδιασμός πρέπει να λαμβάνει υπόψιν τους παρακάτω περιορισμούς: τον αριθμό των καναλιών, το διαχωρισμό των καναλιών σε μήκη κύματος, το εύρος ζώνης του κάθε καναλιού, ή χωρητικότητα καναλιού, απώλειες παρεμβολής (insertion los), που προέρχεται από τις διασυνδέσεις σύζευξης, το φάσμα μετάδοσης για το εύρος ζώνης του κάθε καναλιού (the transmission spectrum over the pasing bandwidth of each chanel), την απομόνωση μεταξύ καναλιών ή το επίπεδο ισχύος λόγω crosstalk, απώλειες λόγω πόλωσης (Polarization-Dependent Los - PDL), η μέγιστη οπτική ισχύς για κάθε κανάλι, και το ποσοστό διεύρυνσης του παλμού από τη συσκευή, τα οποία επηρεάζουν και την ποιότητα του σήματος. 15

21 Επίσης, η φυσική γεωμετρία, το αποτύπωμα (footprint), το βάρος, η κατανάλωση ενέργειας, διεπαφές εισόδου/εξόδου και το κόστος επηρεάζουν την σχεδίαση [35]. Μια μεγάλη ζώνη διέλευσης του καναλιού (Chanel passband) επιτρέπει μεγάλη διακύμανση των μηκών κύματος των πηγών WDM λόγω της διακύμανσης της θερμοκρασίας. Υπάρχουν δυο τρόποι για να διευρυνθεί η ζώνη διέλευσης. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιεί defocusing και φιλτράρισμα Fourier. Η άλλη μέθοδος μειώνει την αναλογία b/d του διαχωρισμού ινών στον πυρήνα της ίνας εξόδου(the ratio b/d of fiber spacing to the core of the output fiber). Στην Εικόνα 15 απεικονίζονται τα χαρακτηριστικά για διάφορα είδη οπτικών πολυπλεκτών. 16

22 Εικόνα 15 Βασικά χαρακτηριστικά για διάφορα είδη πολυπλεκτών 17

23 3. Πειραματική υλοποίηση 3.1 Κατασκευή του chip Η τεχνολογία κατασκευής του chip, που περιγράφεται στην παρούσα διπλωματική, είναι τύπου SOI (silicon-on-insulator πυρίτιο σε μονωτή), χρησιμοποιώντας σε ρόλο μονωτή το διοξείδιο του πυριτίου (silica). Η Εικόνα 16 (α) παρουσιάζει μια σχηματική απεικόνιση του πολυπλέκτη, ενώ στην Εικόνα 16 (β) βλέπουμε τους 2 πολυπλέκτες ενσωματωμένους στο ίδιο chip. Κάθε πολυπλέκτης περιλαμβάνει 8 συνεχόμενα ζεύγη RR 2 ης τάξης τα οποία είναι συζευγμένα σε ένα κοινό κυματοδηγό (through port), καθώς και σε ξεχωριστούς κυματοδηγούς (drop ports) που αντιστοιχούν σε κάθε κανάλι. Εικόνα 16 (a) Σχηματική απεικόνιση, (β) εικόνες μικροσκοπίου των κατασκευασμένων 8 1 RR 2ης τάξης μαζί με τους μικρο-θερμαντήρες τιτανίου Η τεχνική των 2 παράλληλων RR για κάθε κανάλι υιοθετήθηκε για την επίτευξη μεγαλύτερου εύρους ζώνης και χαμηλότερων διακαναλικών αλληλοπαρεμβολών (crosstalk) σε σύγκριση με τα μονά RR [36]. Με αυτόν τον τρόπο, ωστόσο, είναι πιθανό να παρουσιαστούν μη-ευθυγραμμισμένα drop resonances λόγω των μικρών αποκλίσεων στα χαρακτηριστικά των κυματοδηγών κατά την κατασκευή. Για το λόγο αυτό, περιλαμβάνονται μικρο-θερμαντήρες για κάθε RR, παρέχοντας θερμικό συντονισμό για κάθε δακτύλιο ξεχωριστά επιτρέποντας έτσι τον σχηματισμό σωστών resonances με την επιθυμητή απόσταση ανάμεσα στα κανάλια. Στην Εικόνα 17 παρουσιάζεται η δομή ενός δακτυλίου με τον μικρο-θερμαντήρα. Τα 2 ης τάξης RR για κάθε πολυπλέκτη είναι χωρισμένα σε δυο ομάδες με ελαφρώς διαφορετικές ακτίνες (R1, R2), ώστε να ξεπεραστούν οι περιορισμοί που υπαγορεύονται από την ανάλυση της κατασκευής και το μέγιστο δυνατό θερμο-οπτικό συντονισμό(thermo-optical tuning TO) του μήκους κύματος για ένα δακτύλιο [37]. Για τον MUX1 οι ακτίνες των δακτυλίων είναι R1=12μm, R2=11,7μm και οι συντελεστές σύζευξης είναι κ1=0,33, για την ζεύξεις bus-to-ring, και κ2=0,01, για την ζεύξεις ring-to-ring, που αντιστοιχούν στις διαστάσεις του διάκενου g1=170nm και g2=300nm, αντίστοιχα. Οι αντίστοιχες τιμές για τον MUX2 είναι R1=9μm, R2=9,2μm, κ1=0,17, κ2=0,007, g1=190nm, g2=380nm. Επίσης, η απόσταση μεταξύ γειτονικών RR είναι αρκετά μεγάλη ώστε να αποφευχθούν θερμικές αλληλοπαρεμβολές (crosstalk). 18

24 Εικόνα 17 Απεικόνιση ενός δακτυλίου με τον θερμαντήρα Ο συσκευές κατασκευάστηκαν σε ένα εμπορικά διαθέσιμο υπόστρωμα SOI με άνω στρώμα πυριτίου πλάτους 340nm και στρώμα διοξειδίου (BOX) πλάτους 2μm. Οι οπτικοί κυματοδηγοί πυριτίου υλοποιήθηκαν με λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων (Electron Beam Lithography EBL) σε σιλσεσκιοξανίου υδρογόνο (Hydrogen silsesquioxane HSQ) με διαστάσεις 400nm 340nm και πλάκα (slab) 50nm. Η δομή αυτή απεικονίζεται στην Εικόνα 18. Εικόνα 18 Διατομή της δομής του κυματοδηγού πυριτίου Οι συσκευές στην συνέχεια τοποθετήθηκαν στο άνω στρώμα πυριτίου με την τεχνική εγχάραξης δραστικών ιόντων (reactive ion etching RIE) βασισμένη σε χημεία υδροβρωμίου (HBr). Οι διαδικασίες EBL και RIE ήταν σχεδιασμένες ώστε να μειωθεί η τραχύτητα των πλευρικών τοιχωμάτων του κυματοδηγού για να επιτευχθούν χαμηλές γραμμικές απώλειες διάδοσης. Επίσης, οι κυματοδηγοί υποβλήθηκαν σε μία ειδική επεξεργασία καθαρισμού για να επιτευχθούν γραμμικές απώλειες διάδοσης της τάξης των 2,4dB/cm. Οι κυματοδηγοί στην συνέχεια καλύφθηκαν με SOG (spin-on glass) για να παρασχεθεί ένα ηλεκτρικό και οπτικό στρώμα επένδυσης. Στην συνέχεια, οι μικρο-θερμαντήρες κατασκευάστηκαν πάνω από τους RR για τον θερμο-οπτικό συντονισμό (Εικόνα 17). Για το σκοπό αυτό τοποθετήθηκε ένα στρώμα τιτανίου πλάτους 100nm χρησιμοποιώντας RIE επεξεργασία βασισμένη στη χημεία 19

25 τριχλωριούχου βορίου (BCl3) για την ακριβή κατασκευή των μικρο-θερμαντήρων με διάσταση 1μm. Για την ολοκλήρωση της κατασκευής τοποθετήθηκε ένα στρώμα αλουμινίου πλάτους 500nm και δομήθηκε χημικά (wet chemically structured) για να καθοριστεί η ηλεκτρική καλωδίωση για την χρησιμοποίηση των μικρο-θερμαντήρων. Στην Εικόνα 19 παρουσιάζεται το chip μετά την κατασκευή του. Εικόνα 19 Φωτογραφία του chip 3.2 Χαρακτηρισμός και συντονισμός του chip Για τον χαρακτηρισμό του chip χρησιμοποιήθηκε ένας μεταλλικός καθετήρας (probe station), δηλαδή μια κατασκευή σταθερά βιδωμένη στον πάγκο εργασίας, που μας δίνει τη δυνατότητα για σωστή ευθυγράμμιση των εξόδων του chip με τις διατάξεις ινών (fiber array). Παρακάτω στην Εικόνα 20 απεικονίζεται το chip στερεωμένο στο probe station και οι καθετήρες για το θερμο-οπτικό συντονισμό του chip. 20

26 Εικόνα 20 Το probe station για ευθυγράμμιση των ινών και συντονισμό στο chip Οι φασματικές αποκρίσεις των 8 drop resonances (D1-D8) για τα SOI MUX1 και MUX2 πριν το θερμο-οπτικό συντονισμό απεικονίζονται στην Εικόνα 21. Οι drop resonances πριν το θερμο-οπτικό συντονισμό ελήφθησαν στη φασματική ζώνη των nm για το MUX1 και nm για το MUX2. Τα ελεύθερα φασματικά εύρη των resonances που αντιστοιχούν στους δακτυλίους των 12μm-/11,7μm- και 9μm-/9,2μm μετρήθηκαν να είναι περίπου 7/7,2nm και 9,4/9,2nm, αντίστοιχα. Εικόνα 21 Οι drop resonances των (α) MUX1 και (β) MUX2 πριν το θερμο-οπτικό συντονισμό Και στους δυο πολυπλέκτες σχεδόν τα μισά resonances ήταν καλοσχηματισμένα, ενώ τα υπόλοιπα είχαν διπλή κορυφή (double-peak shape) λόγω γεωμετρικών αποκλίσεων κατά την κατασκευή μεταξύ δυο δακτυλίων που συνθέτουν μία διάταξη RR 2 ης τάξης. Επίσης, μικρές αποκλίσεις (<25nm) στις ακτίνες των δακτυλίων επηρέασε ώστε οι drop resonances να βρίσκονται σε ένα πεδίο των ~2nm, αντί της επιθυμητής απόστασης των 3,2nm. Με την εφαρμογή της κατάλληλης τάσης στον κάθε μικρο-θερμαντήρα όπου χρειάστηκε, σχηματίστηκαν με επιτυχία καλοσχηματισμένα resonances με αποστάσεις ~100GHz και για τους δυο πολυπλέκτες. Στην περίπτωση του MUX2, μέσω του θερμο-οπτικού συντονισμού λήφθηκε μια απόσταση καναλιού μεταξύ ~90GHz και 100GHz για τις drop resonances, όπου η μέγιστη μετατόπιση μήκους κύματος ήταν 4nm για την D3. Το 3dB εύρος ζώνης των συντονισμένων resonances κυμάνθηκε μεταξύ ~40GHz(D1) και 50GHz(D8) και οι τιμές του διακαναλικού οπτικού crosstalk μετρήθηκε μεταξύ -20dB(D4) και - 21,8dB(D1). Η μέση αποδοτικότητα του θερμο-οπτικού συντονισμού ήταν 21

27 36μW/GHz/RR, με αποτέλεσμα συνολική κατανάλωση ενέργειας 142mW για τον θερμο-οπτικό συντονισμό του MUX2. Το αποτέλεσμα του συντονισμού για το MUX 2 απεικονίζεται στην Εικόνα 22. Εικόνα 22 Οι drop resonances του MUX2 μετά τον θερμο-οπτικό συντονισμό Όσον αφορά το θερμικό συντονισμό του MUX1, το αποτέλεσμα του οποίου φαίνεται στην Εικόνα 23, η απόσταση καναλιού μεταξύ των συντονισμένων drop resonances βρέθηκε να είναι μεταξύ ~96GHz και 104GHz. Η μέγιστη μετατόπιση μήκους κύματος ήταν ~4,8nm και επιτεύχθηκε για το D5. Επιπλέον, οι τιμές του crosstalk μεταξύ γειτονικών καναλιών ήταν εντός του εύρους των -17,8dB(D1) και -20dB(D8), 2dB υψηλότερα σε σύγκριση με το MUX2, ως αποτέλεσμα του 3dB ευρύτερου εύρους ζώνης των συντονισμένων resonances που κυμαίνονταν μεταξύ ~48GHz(D3) και 65GHz(D4). Η μέση αποτελεσματικότητα του συντονισμού για τον MUX1 μετρήθηκε στα 43μW/GHz/RR, ενώ συνολικά καταναλώθηκαν 210mW. Εικόνα 23 Οι drop resonances μετά τον θερμο-οπτικό συντονισμό για τον MUX1 22

28 4. Πειραματική υλοποίηση πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας δεδομένων 4.1 Πειραματική διάταξη γεννήτριας παλμών PRBS στα 25Gb/s Για να επιτύχουμε παλμούς στα 25Gb/s χρησιμοποιήθηκε οπτική πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου (Optical Time Domain Multiplexing OTDM) με interleavers για τον διπλασιασμό του ρυθμού επανάληψης των παλμών (pulse-repetition-rate). Εικόνα 24 Διάγραμμα διπλασιαστή Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 24, η ροή των παλμών στην είσοδο διασπάται σε δύο ρεύματα σε ένα συμβολόμετρο Mach-Zehnder (MZI). Το σήμα στον κλάδο Α θα πρέπει να καθυστερήσει κατά ½ του κύκλου της ακολουθίας του σήματος (pulse duty cycle) σε σχέση με το δεύτερο σήμα στον κλάδο Β, και στην συνέχεια τα σήματα ξαναενώνονται. Το συνδυαζόμενο σήμα τότε έχει διπλάσιο ρυθμό επανάληψης από το σήμα στην είσοδο. Οι οπτικοί παλμοί που είναι μορφής RZ (return to zero), και η διάρκεια των παλμών εισόδου πρέπει να είναι αρκετά μικρή ώστε οι γειτονικοί παλμοί να έχουν την μικρότερη δυνατή επικάλυψη. Τα πλάτη των παλμών του σήματος στην έξοδο είναι μειωμένα σε σχέση με την είσοδο. Πιο συγκεκριμένα, για να δημιουργηθεί μια ψευδο-τυχαία ακολουθία bit (Pseudo- Random Bit Sequence - PRBS) με διπλασιασμό μίας PRBS με χαμηλότερη επανάληψη (lower repetition), η μία ροή δεδομένων θα πρέπει να καθυστερήσει κατά ½ του κύκλου λειτουργίας των παλμών (pulse duty cycle inter-pulse delay), και η άλλη ροή θα πρέπει να καθυστερήσει κατά ½ του μήκους του μοτίβου (bit-pattern delay). Στην έξοδο το ξαναενωμένο σήμα επαναλαμβάνει την PRBS στο διπλάσιο ρυθμό από ότι στην είσοδο. Ο δύο τύποι καθυστερήσεων χρησιμοποιώντας ένα συμβολόμετρο Mach- Zehnder απεικονίζονται στην Εικόνα

29 Εικόνα 25 Διάγραμμα διπλασιασμού μίας PRBS ακολουθίας Η καθυστέρηση μεταξύ των παλμών (inter-pulse delay) επιτυγχάνεται στον κλάδο Α του συμβολόμετρου και παράγει καθυστέρηση ίση με ½ του κύκλου λειτουργίας των παλμών. Η καθυστέρηση του μοτίβου (bit-pattern delay) στον σταθερού μήκους ίνας κλάδο Β είναι σταθερή ίση με το ½ του μήκους του μοτίβου. Εικόνα 26 Πειραματική διάταξη διπλασιαστή ρυθμού επανάληψης Για το πείραμα υλοποιήθηκε συμβολόμετρο Mach-Zehnder, η διάταξη του οποίου απεικονίζεται στην Εικόνα 26, αποτελούμενο από 3dB συζεύκτες (couplers), ελεγκτές πόλωσης (Polarization Controllers - PC), κατάλληλες οπτικές γραμμές καθυστέρησης (Optical Delay Lines - ODL) και μεταβλητό οπτικό εξασθενητή (Variable Optical Attenuator VOA). Χρησιμοποιήθηκε ως σήμα εισόδου PRBS ακολουθία στα 12,5Gb/s, η οποία έχει μήκος μοτίβου 10,16ns, οπότε η σταθερή καθυστέρηση είναι ίση με 5,08ns. Ισχύει ότι 1cm ίνας παράγει καθυστέρηση 0,05ns, άρα ο κλάδος Β είναι 101,6cm μεγαλύτερος από τον Α. Στον κλάδο Α η καθυστέρηση έχει επιτευχθεί με ένα ODL, αποδίδοντας καθυστέρηση ίση με 40ps. Στην έξοδο του MZI η στάθμη ισχύος του ενός ρεύματος ρυθμίστηκε μέσω ενός VOA, παρέχοντας με τον τρόπο αυτό 24

30 παλμούς RZ με το ίδιο πλάτος ακολουθίας PRBS στα 25Gb/s. Στην Εικόνα 27 απεικονίζεται το φάσμα τεσσάρων πολυπλεγμένων μηκών κύματος ακολουθίας PRBS και στην Εικόνα 28 οι παλμοί του σήματος πριν και μετά τον διπλασιαστή. Εικόνα 27 Φάσμα του σήματος (α) πριν και (β) μετά τον διπλασιαστή Εικόνα 28 Η PRBS ακολουθία (α) στα 12,5Gb/s και (β) στα 25Gb/s 25

31 4.2 Πειραματική διάταξη πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας στα 25Gb/s Προκειμένου να αξιολογήσουμε την απόδοση πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας του chip με δεδομένα αρκετά μεγαλύτερου 3-dB Bandwidth, σε σύγκριση με τις resonances του, και με αυτόν τον τρόπο να αποδείξουμε τη δυνατότητα για υποστήριξη υψηλότερων data rates, όπως NRZ 40Gb/s, χρησιμοποιήθηκαν ως σήματα εισόδου δεδομένα RZ στα 25Gb/s. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν τρεις CW δέσμες φωτός στα 1550nm (λ1), 1550,65nm (λ2), 1551,4nm (λ3) με ισχύ εξόδου 7dB ανά κανάλι, για να εισέλθουν στις κατάλληλες θύρες στον MUX2. Χρησιμοποιήθηκαν οι μη-συντονισμένες drop θύρες του MUX2 D7,D8 και D3, στα 1550nm, 1550,65nm και 1551,45nm, αντίστοιχα, τα φάσματα των οποίων φαίνονται στην Εικόνα 29. Για να παρέχουμε το επιθυμητό σήμα WDM ή τα επιμέρους κανάλια δεδομένων τοποθετήθηκαν σε διάφορα σημεία AWGs. Εικόνα 29 Οι drop θύρες του MUX2 (α) D7, (β) D8, (γ) D3 Τα 3 μήκη κύματος πολυπλέχθηκαν σε έναν AWG. Το πολυπλεγμένο σήμα, στη συνέχεια, διερχόταν σε ένα διαμορφωτή ηλεκτρο-απορρόφησης (Electro-Absorption Modulator EAM) στα 40G, που δούλευε με ένα ηλεκτρικό σήμα ρολογιού στα 12,5Gb/s και ήταν υπεύθυνος για την παραγωγή οπτικών παλμών εύρους ~17ps. Η RZ ακολουθία παράχθηκε μετέπειτα από έναν Ti:LiNbO3 MZM, με αποτέλεσμα την RZ PRBS ακολουθία στα 12,5Gb/s. Το 3 12,5 Gb/s RZ ρεύμα δεδομένων ενισχύθηκε από έναν ενισχυτή ινών ερβίου (Erbium Doped Fiber Amplifier EDFA) υψηλής ισχύος, με αποτέλεσμα 27dBm ισχύ εξόδου. Πριν το σήμα εισέρθει στον MUX2, εισήχθη στον οπτικό MZI διπλασιαστή για να επιτευχθούν τα 25Gb/s δεδομένα. Το φάσμα του πολυπλεγμένου σήματος πριν και μετά τον οπτικό διπλασιαστή φαίνεται στην Εικόνα 30. Το 3-dB bandwidth για κάθε κανάλι ήταν περίπου 40GHz και το crosstalk ανάμεσα στα κανάλια 1-2 και στα κανάλια 2-3 ήταν 15dB και 20dB, αντίστοιχα. Μετά το διπλασιασμό του ρυθμού επανάληψης, το 3 25Gb/s RZ σήμα δεδομένων αξιολογήθηκε σε καταστάσεις πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας μέσω του SOI MUX2 που κατασκευάστηκε. 26

32 Εικόνα 30 Σήμα δεδομένων (a) στα 12,5Gb/s πριν το διπλασιαστή και (β) στα 25Gb/s μετά την έξοδο του οπτικού διπλασιαστή Η πειραματική διάταξη για την περίπτωση της πολυπλεξίας απεικονίζεται στην Εικόνα 31. Πριν το MUX2 χρησιμοποιήθηκε ένας AWG για την αποπολυπλεξία των τριών σημάτων στα μήκη κύματος λ1,λ2 και λ3, τα οποία εισέρχονται στις θύρες drop του MUX2 D7, D8 και D3, αντίστοιχα. Το πολυπλεγμένο σήμα ενισχύεται από έναν EDFA και στην συνέχεια αποπολυπλέκεται ξανά με χρήση ενός ακόμα AWG. Εικόνα 31 Πειραματική διάταξη πολυπλεξίας Στην περίπτωση της αποπολυπλεξίας, της οποίας η διάταξη απεικονίζεται στην Εικόνα 32, το πολυπλεγμένο σήμα εισήλθε απευθείας στην κοινή θύρα του MUX, με αποτέλεσμα τρία αποπολυπλεγμένα κανάλια δεδομένων λ1,λ2, λ3 στις εξόδους του MUX2 D7, D8 και D3, αντίστοιχα. Στην συνέχεια, τα σήματα ενισχύονται με έναν EDFA. 27

33 Εικόνα 32 Πειραματική διάταξη αποπολυπλεξίας Μετά το chip και στις δυο περιπτώσεις, χρησιμοποιήθηκε ένας δεύτερος EAM στα 10G οδηγούμενος από το συμπληρωματικό ηλεκτρικό σήμα ρολογιού, παρέχοντας έτσι το κατάλληλο παράθυρο αποδιαμόρφωσης, με αποτέλεσμα παλμούς εύρους 25ps στα 12,5Gb/s. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε ένα από τα κανάλια RZ δεδομένων στα 12,5Gb/s ήταν εφικτό να ανιχνευτεί από έναν 1,5Gb/s BER tester στον δέκτη. Στην έξοδο του EAM χρησιμοποιήθηκαν EDFA δυο σταδίων για ενίσχυση των σημάτων και ζωνοπερατά οπτικά φίλτρα (Optical Band Pass Filter OBPF), 1nm στην περίπτωση της αποπολυπλεξίας και 3nm για τη πολυπλεξία, για απόρριψη του θορύβου. Επίσης, τοποθετήθηκαν ODL για να συγχρονίσουμε επιτυχώς τα σήματα δεδομένων και ρολογιού. 4.3 Πειραματικά αποτελέσματα πολυπλεξίας στα 25Gb/s Εικόνα 33 Φάσμα του WDM σήματος δεδομένων στα 25Gb/s στην έξοδο του chip 28

34 Το φάσμα του RZ σήματος δεδομένων στα 25Gb/s μετά την πολυπλεξία στο SOI MUX2 απεικονίζεται στην Εικόνα 33. Όπως φαίνεται, επιτεύχθηκε πάνω από 25dB φασματικός διαχωρισμός (spectral separation) μεταξύ γειτονικών καναλιών. Επιπλέον η κεντρική κορυφή και η πρώτη πλευρά αρμονικών κάθε καναλιού συντηρήθηκαν αλλά οι υπόλοιπες φασματικές συνιστώσες κατεστάλησαν περισσότερο από 5dB. Το φάσμα των τριών αποπολυπλεγμένων σημάτων στα 25Gb/s μετά το chip και πριν τον 10G EAM απεικονίζεται στην Εικόνα 34, ενώ τα αντίστοιχα φάσματα μετά την έξοδο του EAM δηλαδή στα 12,5Gb/s φαίνονται στην Εικόνα 35. Εικόνα 34 Φάσμα των σημάτων στα 25Gb/s (α) λ1 (β) λ2 και (γ) λ3 μετά το chip και πριν τον 10G EAM 29

35 Εικόνα 35 Φάσμα σημάτων στα 12,5Gb/s (α) λ1 (β)λ2 και (γ) λ3 μετά την έξοδο από τον 10G EAM Για τις back-to-back (BtB) μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε ένας 4x1 συζεύκτης στη θέση του chip, έτσι ώστε να μην υπάρχει φιλτράρισμα και power penalty εξαιτίας του. Η διάταξη αυτή απεικονίζεται στην Εικόνα 36. Εικόνα 36 Πειραματική διάταξη πολυπλεξίας για BtB μετρήσεις 30

36 Στην Εικόνα 37 απεικονίζεται το φάσμα του σήματος στις back-to-back μετρήσεις μετά τον 4x1 συζεύκτη. Εικόνα 37 Φάσμα του σήματος μετά την έξοδο του 4x1 coupler Το φάσμα των σημάτων στις back-to-back μετρήσεις στα 25Gb/s μετά το chip και πριν την είσοδο στον 10G EAM απεικονίζεται στην Εικόνα 38, και τα αντίστοιχα BtB φάσματα μετά την έξοδο του EAM στην Εικόνα 39. Εικόνα 38 Φάσμα των σημάτων (α) λ1 (β) λ2 (γ) λ3 στα 25Gb/s για τις BtB μετρήσεις 31

37 Εικόνα 39 Φάσμα των (α) λ1 (β) λ2 (γ) λ3 στα 12,5Gb/s μετά την έξοδο του EAM για τις BtB μετρήσεις Στην Εικόνα 40 απεικονίζονται τα διαγράμματα ματιού και για τα τρία κανάλια στα 25Gb/s πριν την είσοδό τους στον 10G EAM σε σύγκριση με τα αντίστοιχα από τις BtB μετρήσεις. Αντίστοιχη σύγκριση παρέχεται και στην Εικόνα 41 για τα σήματα στα 12,5Gb/s πριν τον δέκτη. Τα διαγράμματα ματιού και για τα τρία κανάλια είναι σαφώς ανοιχτά και στα 25Gb/s,πριν τον EAM, και στα 12,5Gb/s στον δέκτη, γεγονός που υποδηλώνει ότι δεν υπάρχει σημαντική υποβάθμιση του σήματος κατά τη χρήση του SOI MUX2 ως πολυπλέκτη. Ωστόσο, όπως μπορεί να παρατηρηθεί και στις εικόνες, μετρήθηκαν παλμοί εύρους 20ps στο κανάλι λ3, και στους δυο ρυθμούς καναλιού, συνιστώντας διεύρυνση των παλμών κατά 3ps σε σύγκριση με τους αντίστοιχους στις BtB μετρήσεις. Στα κανάλια λ1, λ2 η αντίστοιχη διεύρυνση των παλμών ήταν μικρότερη από 1ps. 32

38 Εικόνα 40 Διάγραμμα ματιού των σημάτων (α) λ1, (γ) λ2, (ε) λ3 στα 25Gb/s με χρήση του MUX2 και αντίστοιχα (β),(δ),(ζ) για τις BtB μετρήσεις Εικόνα 41 Διαγράμματα ματιού των σημάτων (α) λ1, (γ) λ2, (ε) λ3 στα 12,5Gb/s με χρήση του MUX2 και αντίστοιχα (β),(δ),(ζ) στις BtB μετρήσεις 33

39 Στην Εικόνα 42 παρουσιάζονται οι καμπύλες bit-error rate(ber) για τα τρία σήματα δεδομένων 25Gb/s PRBS RZ προκειμένου να αξιολογηθεί αποτελεσματικά η επίδραση του SOI MUX2 στην ακεραιότητα του σήματος. Οι καμπύλες αποδεικνύουν ότι επετεύχθη error-free απόδοση και για τα 3 κανάλια με αμελητέο power penalty σε σύγκριση με τις BtB μετρήσεις, με μέγιστο 0,3dB, σε τιμή BER 10-9, για το κανάλι λ3 του στενότερου εύρους ζώνης του αντίστοιχου drop resonance. Εικόνα 42 Καμπύλες BER για τα τρία σήματα RZ δεδομένων στα 25Gb/s μετά την πολυπλεξία με τον MUX2 4.4 Πειραματικά αποτελέσματα αποπολυπλεξίας στα 25Gb/s Το φάσμα μετά την έξοδο του chip των τριών ξεχωριστών καναλιών δεδομένων RZ στα 25Gb/s που αποπολυπλέχτηκαν με χρήση του SOI MUX2 παρουσιάζεται στην Εικόνα 43. Όπως φαίνεται, επετεύχθη απομόνωση καναλιών μεγαλύτερη από 20dB. Το κανάλι λ3 που εκέρχεται από την D3 του MUX2 παρουσίασε τη μεγαλύτερη απομόνωση καναλιού ~25dB, ως αποτέλεσμα της μεγαλύτερης απόστασης καναλιού, περίπου 94GHz σε σύγκριση με την απόσταση ~81GHz των καναλιών λ1 και λ3, και της θέσης του συγκεκριμένου RR 2 ης τάξης #3, αφού φως πέρασε από τα RR #8-#4. Στην Εικόνα 44 απεικονίζονται τα αντίστοιχα φάσματα των τριών σημάτων μετά την έξοδο από τον 10G EAM και πριν τον δέκτη, δηλαδή στα 12,5 Gb/s. 34