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 «ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM» (Experimental analysis of hybridly integrated Silicon Photonic Circuits for optical RAMs) ΠΕΤΡΗΧΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΛΕΡΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2014

2

3

4

5

6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Π Ε Ρ Ι Λ Η Ψ Η Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση των αρχών λειτουργίας και ο πειραματικός χαρακτηρισμός φωτονικών διατάξεων ολοκληρωμένων σε chip πυριτίου με την τεχνολογία Silicon-on- Insulator (SOI) και σχεδιασμένων για την υλοποίηση οπτικών κυττάρων μνήμης. Σκοπός της αμιγώς οπτικής υλοποίησης κυκλωμάτων μνήμης άμεσης προσπέλασης (Random Access Memory RAM) είναι η αντιμετώπιση του προβλήματος χαμηλής ταχύτητας της ηλεκτρονικής μνήμης RAM, γνωστού ως «Memory Wall», αντικαθιστώντας τις ίδιες και τα περιφερειακά τους κυκλώματα με τα αντίστοιχα αμιγώς οπτικά. Τα κυκλώματα αυτά βασίζονται είτε σε κατάλληλα διασυνδεδεμένα συμβολόμετρα Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interferometer - MZI), τα οποία χρησιμοποιούν ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές (Semiconductor Optical Amplifier SOA) στους κλάδους τους και εκμεταλλεύονται μη γραμμικά φαινόμενα, όπως ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM), είτε στη διασύνδεση απλών ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών, κάνοντας χρήση του φαινομένου της ετεροδιαμόρφωση κέρδους (XGM). Περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής των συγκεκριμένων διατάξεων μέσω της υβριδικής (hybrid) ολοκλήρωσής τους πάνω σε πλατφόρμα πυριτίου Silicon-on-Insulator (SOI). Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του πειραματικού χαρακτηρισμού, με αναφορά στα προβλήματα που αναδείχθηκαν κατά τη λειτουργία των διατάξεων, και αναφέρονται οι βελτιώσεις που μπορούν να γίνουν στις διατάξεις, σε μελλοντική δουλειά, ώστε να επιτευχθεί η λειτουργία της ολοκληρωμένης οπτικής μνήμης RAM σε υψηλές ταχύτητες. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM VII

8

9 ABSTRACT A B S T R A C T The subject of the current thesis revolves around the exploration of the operating principles and the experimental characterization of photonic elements, integrated on chip using Silicon-on-Insulator technology, which are combined to create all-optical circuits that will be used as optical memory cells. The purpose of realizing all-optical Random Access Memory (RAM) circuits is to tackle the ever-growing problem of low speed RAM, also known as Memory Wall, by replacing it and its peripherals with the respective all-optical circuits. These circuits are based on accordingly interconnected Mach-Zehnder Interferometers (MZI), which employ semiconductor optical amplifiers (SOA) in their branches and exploit non-linear phenomena, like cross-phase modulation (XPM), or using coupled SOAs, exploiting phenomena like cross-gain modulation (XGM). The construction process of these elements is described, explaining their hybrid integration onto Silicon-on-Insulator (SOI) platforms. Finally, the results of the experimental evaluation of these circuits are presented, referring to the problems that arise during their operation and the improvements that can be done, in future works, so that successful operation of an integrated optical RAM in high speeds can be achieved. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM IX

10

11 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ε Υ Χ Α Ρ Ι Σ Τ Ι Ε Σ Πριν την παρουσίαση των αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας, αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω ορισμένους από τους ανθρώπους που γνώρισα, συνεργάστηκα μαζί τους και έπαιξαν πολύ σημαντικό ρόλο στην πραγματοποίησή της. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω ολόθερμα τον κ. Νίκο Πλέρο, επίκουρο καθηγητή του Α.Π.Θ. και επιβλέποντα της παρούσας διπλωματικής, για τις γνώσεις που μου πρόσφερε κατά τη διδασκαλία των προπτυχιακών μαθημάτων και για το ενδιαφέρον που μου προκάλεσε για το συγκεκριμένο τεχνολογικό τομέα. Επίσης τον ευχαριστώ για την ευκαιρία που μου έδωσε να λάβω μέρος σε μια διαδικασία πειραματικού χαρακτηρισμού μιας πραγματικής διάταξης, προσφέροντάς μου πολύτιμη εμπειρία για τη συνέχεια της ακαδημαϊκής και μη καριέρας μου. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την ψυχολογική και οικονομική στήριξη καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου, καθώς και τους φίλους μου και συμφοιτητές μου για τα αξέχαστα χρόνια φοιτητικής ζωής που ζήσαμε μαζί. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω περισσότερο, για την εκπόνηση αυτής της εργασίας, τους υποψήφιους διδάκτορες Δημήτρη Φίτσιο και Θεώνη Αλεξούδη για την καθοδήγησή τους και τον χρόνο που διέθεσαν για να με βοηθήσουν να συγγράψω την παρούσα εργασία. Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2014 Πετρήχος Νικόλαος ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM XI

12

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α ΠΕΡΙΛΗΨΗ... VII ABSTRACT... IX ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... XI ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... XIII ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... XV ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΤΟΥ CHIP ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΣΥΝΟΨΗ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I: ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ II: ΑΚΡΩΝΥΜΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM XIII

14

15 ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Λ Ι Σ Τ Α Σ Χ Η Μ ΑΤ Ω Ν ΕΙΚΟΝΑ 1.1.1: ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΣΥΜΦΟΡΗΣΗΣ ΣΕ ΜΕΓΑΛΕΣ ΑΠΟΣΤΑΣΕΙΣ ΕΙΚΟΝΑ 1.1.2: ΤΟ ΕΥΡΟΣ ΤΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ, Η ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ, Η ΧΡΟΝΙΚΗ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΚΑΙ Η ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΩΝ ΤΩΝ ΚΥΡΙΟΤΕΡΩΝ ΜΕΣΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 1.1.3: ΤΟ ΟΝΕΙΡΟ ΓΙΑ ΜΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΑΜΙΓΩΣ ΟΠΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ VLSI ΕΙΚΟΝΑ 1.2.1: ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ ΚΑΙ ΤΗΣ ΜΝΗΜΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 2.1.1: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ RAM ΕΙΚΟΝΑ 2.1.2: ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΜΝΗΜΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 2.1.3: ΔΟΜΗ ΚΕΛΙΟΥ ΣΤΑΤΙΚΗΣ (Α) ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ (Β) ΜΝΗΜΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 2.2.1: ΊΝΑ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ. ΌΤΑΝ ΤΟ THROUGH PORT ΕΙΝΑΙ ΚΑΤΕΙΛΗΜΜΕΝΟ ΤΟΤΕ Ο ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΟΣ ΠΑΛΜΟΣ ΔΙΑΔΙΔΕΤΑΙ ΣΤΟΝ ΒΡΟΓΧΟ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΕΙ ΤΗΝ ΚΥΚΛΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΜΕΣΑ ΣΕ ΑΥΤΗ ΜΕΧΡΙ ΝΑ ΒΡΕΙ ΤΗΝ ΕΞΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΕΙΚΟΝΑ 2.2.2: ΠΟΛΥΚΥΜΑΤΙΚΗ ΠΥΛΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ (WDM AG) ΕΙΚΟΝΑ 2.2.3: Α)ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ RAM ΜΕ ΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ, Β) ΧΡΗΣΗ 4-BIT WDM-FORMATTED ΛΕΞΕΩΝ ΓΙΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗ ΣΤΙΣ ΣΤΗΛΕΣ ΜΙΑΣ ΓΡΑΜΜΗΣ, ΜΕΣΩ ΤΟΥ WDM ACCESS GATE ΠΟΥ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΤΗΚΕ ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΩΣ ΕΙΚΟΝΑ 2.2.4: ΠΡΟΤΥΠΟ ΟΠΤΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ 4X4 ΠΟΥ ΥΛΟΠΟΙΕΙ ΜΙΑ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΕΛΙΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 2.2.5: ΣΥΖΕΥΞΗ ΔΥΟ ΜΖΙ ΣΕ ΡΟΛΟ MASTER/SLAVE ΕΙΚΟΝΑ 2.2.6: A) ΔΟΜΗ MODE-LOCKED RING LASER B) ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ FLIP-FLOP ΜΕ MODE-LOCKED RING LASERS ΕΙΚΟΝΑ 2.2.7: FLIP-FLOP ΥΒΡΙΔΙΚΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΜΕ 2 SOA-BASED MZI ΕΙΚΟΝΑ Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ LASER ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΑΝΑΔΡΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 2.2.9: ΤΟ DFB LASER ΣΕ ΡΟΛΟ FLIP-FLOP ΕΙΚΟΝΑ : ΤΟ SRL FLIP-FLOP ΑΠΟΤΕΛΟΥΜΕΝΟ ΑΠΟ 1 SRL ΚΑΙ 4 SOAS ΕΙΚΟΝΑ : Α) ΤΟ MICRODISK-LASER FLIP-FLOP, Β)MICRODISK LASER & WGM PATTERN ΕΙΚΟΝΑ : Α) Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ VCSEL ΩΣ FLIP-FLOP, B) Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΕΝΟΣ VCSEL ΕΙΚΟΝΑ : ΣΥΖΕΥΞΗ 2 SOA ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ XGM ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ ΕΙΚΟΝΑ : A) FLIP-FLOP ΜΕ 2 SOAS ΚΑΙ ΕΝΑΝ ΤΡΙΤΟ ΩΣ AG, B) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΓΙΑ ΕΓΓΡΑΦΗ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΕΙΚΟΝΑ : ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΟΠΤΙΚΟΥ ΑΟ-TFF ΚΑΙ ΤΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ΑΛΗΘΕΙΑΣ ΤΩΝ TFF ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΑ 46 ΕΙΚΟΝΑ 2.3.1: Α) MZI ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΝΑΚΛΑΣΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΩΝ, Β) MZI ΙΝΩΝ-COUPLERS ΚΑΙ INTEGRATED-MZI ΕΙΚΟΝΑ 2.3.2: ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΝΟΣ MZI ΕΙΚΟΝΑ 2.3.3: Α) PACKAGED SOA, Β) SOA ΓΙΑ ΕΠΙΚΟΛΛΗΣΗ FLIPPED-CHIPPED, Γ) FLIPPED-CHIPPED ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΣ SOA ΕΙΚΟΝΑ 2.3.4: ΒΑΣΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΗ ΦΑΣΜΑΤΩΝ ΤΩΝ ΔΥΟ ΕΙΔΩΝ SOAS ΕΙΚΟΝΑ 2.3.5: ΔΟΜΗ ΕΝΟΣ SOA ΕΙΚΟΝΑ 2.3.6: ANGLED-FACET SOA ΜΕ WINDOW REGIONS ΕΙΚΟΝΑ 2.3.7: Α) Ο CROSS-SECTION BURIED WAVEGUIDE SOA ΜΕ WINDOWS, Β) Η INGAASP ΕΝΕΡΓΟΣ ΠΕΡΙΟΧΗ ΒΥΘΙΣΜΕΝΗ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΕΙΚΟΝΑ 2.3.8: ΚΑΜΠΥΛΗ ΚΕΡΔΟΥΣ ΓΙΑ ΤΙΜΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΕΙΚΟΝΑ 2.3.9: GAUSS ΠΑΛΜΟΙ (ΜΠΛΕ), ΚΕΡΔΟΣ(ΓΚΡΙ) ΕΙΚΟΝΑ : Α) ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ XGM ΜΕ CW-CCW ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΟΥ Λ CTRL, Β) XGM ΣΕ SOA-BASED MZI- ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΜΕ XGM ΕΙΚΟΝΑ : Α) XPM ΣΕ MZI ΓΙΑ ΜΕΤΑΓΩΓΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ, Β) ΜΕΤΡΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΕΙΚΟΝΑ : Α) ΘΕΡΜΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ Δ.Δ., Β) ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΔΙΑΤΑΞΗ MZI ΕΙΚΟΝΑ : ΛΟΓΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΞΟΔΟΥ-ΕΙΣΟΔΟΥ ΣΤΟ MZI ΚΑΙ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΕΙΚΟΝΑ : Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟ-ΟΠΤΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΕΙΚΟΝΑ : Η ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΜΕΣΩ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΕΙΚΟΝΑ 3.2.1: Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ SOI UNIBOND ΕΙΚΟΝΑ 3.2.2: ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΑΣΗ RIB ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 3.2.3: Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΧΑΡΑΞΗΣ ΤΟΥ ΟΠΤΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ RIE PHOTOLITHOGRAPHY ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM XV

16 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ ΕΙΚΟΝΑ 3.2.4: ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΔΙΑΚΕΝΟΥ / ΣΤΑΘΕΡΑΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΔΟΜΗΣ (LATTICE CONSTANT) ΒΑΣΗ ΤΩΝ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 3.2.5: ΔΙΑΣΤΡΩΜΑΤΩΣΗ ΤΩΝ 1550NM ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΕΙΚΟΝΑ 3.2.6: ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΩΝ ΚΑΙ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ METALLIZATIONS ΣΤΗΝ DAUGHTERBOARD ΤΩΝ SOAS. ΚΑΤΩ ΦΑΙΝΕΤΑΙ Η ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΤΩΝ 6 ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 3.2.7: A) ΓΩΝΙΑ ΑΠΟΚΛΙΣΗΣ DAUGHTERBOARD, Β) Ο ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΣ ΤΟΥ SOA, Γ) ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ SOA ARRAY ΕΠΑΝΩ ΣΤΟ SOI ΕΙΚΟΝΑ 3.2.8: Α) SOA ΣΕ SOI, Β) ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥ ΣΤΟ FACET ΤΟΥ SOA BOARD, Γ) ΥΠΟΔΟΧΗ ΣΤΟ SOI ΚΑΙ ΕΠΑΦΕΣ ΕΙΚΟΝΑ 3.2.9: ΤΡΟΠΟΣ ΕΠΙΚΟΛΛΗΣΗΣ ΤΟΥ CHIP ΕΠΑΝΩ ΣΕ ΘΕΡΜΟΑΓΩΓΙΜΟ ΥΛΙΚΟ ΕΙΚΟΝΑ : ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΤΟΜΗ ΤΟΥ CHIP ΣΤΟ ΣΗΜΕΙΟ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΤΟΥ SOA-BOARD ΕΙΚΟΝΑ : ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΕΝΟΣ ΜΜΙ ΓΙΑ ΣΥΖΕΥΞΗ 50/50 ΚΑΙ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΟΠΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 4.2.1: AG ΑΠΟ ΕΝΑΝ ΜΟΝΟ ΗΜΙΑΓΩΓΙΜΟ ΟΠΤΙΚΟ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 4.3.1: ΣΥΖΕΥΞΗ 2 ΑΣΥΜΜΕΤΡΩΝ SOA-BASED MZIS ΜΕ PHASE SHIFTERS ΣΤΟΥΣ ΚΛΑΔΟΥΣ ΤΟΥΣ ΕΙΚΟΝΑ 4.3.2: Α) ΣΥΖΕΥΞΗ SOAS ΜΕ ΦΙΛΤΡΟ, Β) ΤΟ ΦΙΛΤΡΟ ΠΟΥ ΕΧΕΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΕΙ & ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΑΠΟΚΟΠΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 4.3.3: ΣΥΖΕΥΞΗ SOAS ΧΩΡΙΣ ΦΙΛΤΡΟ ΕΙΚΟΝΑ 4.3.4: SOA-BASED MZI ΜΕ LOOP ΑΝΑΔΡΑΣΗΣ ΚΑΙ ΦΙΛΤΡΟ ΕΙΚΟΝΑ 5.1.1: Η ΜΑΣΚΑ ΤΟΥ CHIP. ΤΟ «ΦΩΤΕΙΝΟ» ΚΟΜΜΑΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΚΟΜΜΑΤΙ ΤΟΥ CHIP ΤΟΥ ΟΠΟΙΟΥ Ο ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΘΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΤΕΙ ΕΙΚΟΝΑ 5.1.2: BAR E CHIP CLOSE-UP ΕΙΚΟΝΑ 5.1.3: ΤΟ CHIP ΟΠΩΣ ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΑΜΕΡΑ ΕΙΚΟΝΑ 5.1.4: ZOOM ΣΤΙΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΑΙ ΤΟ WIRE BONDING ΕΙΚΟΝΑ 5.1.5: ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑΣ ΕΙΚΟΝΑ 5.1.6: PCB ΚΑΙ D-CONNECTOR ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΙΚΟΝΑ 5.1.7: Η ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑ ΤΟΥ CHIP ΣΥΝΟΛΙΚΑ ΕΙΚΟΝΑ 5.2.1: A) ΤΟ PROBE STATION ΓΙΑ ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΙΣΗ ΙΝΩΝ, B) ΠΑΝΟΡΑΜΙΚΗ ΟΨΗ ΤΗΣ ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΙΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΙΝΩΝ, C) ΕΙΚΟΝΑ ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ ΤΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΙΝΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 5.2.2: Ο ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΣ ΓΙΑ ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΙΣΗ, ΟΠΩΣ ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΣΤΗ ΜΑΣΚΑ ΤΟΥ CHIP ΕΙΚΟΝΑ 5.3.1: Η ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΥΛΟΠΟΙΕΙ Η ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ Ε ΕΙΚΟΝΑ 5.3.2: ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA E1 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ 5.3.3: 5 ΚΑΛΩΔΙΑ ΓΙΑ 6 SOAS. ΛΕΙΠΕΙ ΤΟ ΚΑΛΩΔΙΟ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΤΟΥ Ε ΕΙΚΟΝΑ 5.3.4: ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA E3 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ 5.3.5: ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA E4 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ 5.3.6: ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA E5 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ 5.3.7: ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA E6 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ 5.3.8: ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΟ ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D6 ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΛΛΑΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΣΤΟΝ D ΕΙΚΟΝΑ 5.3.9: ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΗΝ ΚΟΙΝΗ ΕΞΟΔΟ ΤΩΝ SOA D5 ΚΑΙ D6 ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΛΛΑΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟΝ D5 ΜΕ D6 ΣΤΑΘΕΡΟ ΕΙΚΟΝΑ : ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΗΝ ΚΟΙΝΗ ΕΞΟΔΟ ΤΩΝ SOA D5 ΚΑΙ D6 ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΛΛΑΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟΝ D6 ΜΕ D5 ΣΤΑΘΕΡΟ ΕΙΚΟΝΑ : Η ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΥΛΟΠΟΙΕΙ Η ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ D ΕΙΚΟΝΑ : A) ΠΡΙΝ ΤΟ ΛΙΩΣΙΜΟ ΤΩΝ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΔΕΝ ΥΠΑΡΧΕΙ ΕΠΑΦΗ, B) ΜΕΤΑ ΤΟ ΛΙΩΣΙΜΟ ΕΧΟΥΝ ΑΚΟΥΜΠΗΣΕΙ ΤΑ ΔΥΟ ΚΑΛΩΔΙΑ ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D1 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D2 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D3 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D4 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D6 ΓΙΑ ΤΙΜΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΟΠΟΥ ΠΑΡΟΥΣΙΑΖΕΙ ΤΟ ΛΙΓΟΤΕΡΟ LASING ((5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D5 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D5 ΓΙΑ ΤΙΜΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΟΠΟΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΖΕΙ ΤΟ ΛΙΓΟΤΕΡΟ LASING (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D6 ΣΕ ΡΕΥΜΑ 300 MA (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ D6 ΓΙΑ ΤΙΜΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΟΠΟΥ ΠΑΡΟΥΣΙΑΖΕΙ ΛΙΓΟΤΕΡΟ LASING (5DB/DIV, 0.05NM) XVI ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

17 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΚΟΝΑ 5.4.1: A) ΤΟ ΣΧΕΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ D ΠΟΥ ΥΛΟΠΟΙΕΙ ΤΟ ΚΕΛΙ ΜΝΗΜΗΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΦΙΛΤΡΟ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΩΝ SOAS, B) Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΜΕΝΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΒΑΣΙΣΜΕΝΟΣ ΣΕ 3 ΚΛΙΜΑΚΩΤΟΥΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΙΣ ΜΖΙ, C) Η ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 5.5.1: ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΜΑΣΚΑΣ ΤΟΥ T FLIP FLOP ΟΠΟΥ ΛΕΙΠΕΙ Η ΦΥΣΙΚΗ ΕΞΟΔΟΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΚΟΝΑ 5.5.2: RAM CELL CONFIGURATION WITH COUPLED SOAS AND FILTER ΕΙΚΟΝΑ 5.5.3: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΤΙΟΥ (200 PS/DIV) ΣΤΟ 1 GHZ ΕΙΚΟΝΑ 5.5.4: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ. ΑΡΙΣΤΕΡΑ ΣΤΟ 1 GHZ (200 PS/DIV), ΔΕΞΙΑ ΣΤΟ 1.5 GHZ (100 PS/DIV) ΕΙΚΟΝΑ 5.5.5: ΤΟ PATTERN ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΑΜΕ ΕΙΚΟΝΑ 5.5.6: ΜΕΡΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ FLIP-FLOP (ΚΥΡΙΑΡΧΙΑ ΤΟΥ ΕΝΟΣ CW) ΜΕ ΔΥΟ ΣΤΑΘΜΕΣ ΕΙΚΟΝΑ 5.5.7: ΜΕΡΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ FLIP-FLOP ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΠΟΛΩΣΕΙΣ ΕΙΚΟΝΑ 5.5.8: SR FLIP-FLOP WITH COUPLED SOAS ΕΙΚΟΝΑ 5.5.9: ΤΟ ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D5 ΟΤΑΝ ΕΙΣΕΡΧΕΤΑΙ Λ CW=1534NM (I=300MA) (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΤΟ ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ SOA D5 ΟΤΑΝ ΕΙΣΕΡΧΕΤΑΙ Λ CW=1534NM (I=141.99MA) (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ XGM ΣΤΟΝ SOA D5 ΜΕ Λ CW=1541.5NM ΚΑΙ Λ CTR=1546.2NM ΕΙΚΟΝΑ : ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ 0.5, 1 ΚΑΙ 3 GHZ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΧΡΟΝΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ 500 PS/DIV, 200 PS/DIV KAI 100PS/DIV ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΑ ΕΙΚΟΝΑ : RECOVERY TIME OF SOA ΕΙΚΟΝΑ : ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ 1, 5 ΚΑΙ 10 GHZ ΣΕ ΧΡΟΝΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ 200PS/DIV, 50PS/DIV ΚΑΙ 20PS/DIV ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΑ ΕΙΚΟΝΑ : XGM ΣΤΟ CW1 ΣΤΑ ΔΕΞΙΑ ΚΑΙ INVERSE XGM ΣΤΟΝ CW2 ΣΤΑ ΑΡΙΣΤΕΡΑ ΕΙΚΟΝΑ : ΣΤΑ ΑΡΙΣΤΕΡΑ ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΤΗΣ ΕΞΟΔΟΥ ΟΤΑΝ ΔΙΑΔΙΔΕΤΑΙ ΜΟΝΟ ΤΟ CW ΚΑΙ ΣΤΑ ΔΕΞΙΑ ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΟΤΑΝ ΕΙΣΑΓΟΥΜΕ ΤΟ ΣΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ (1DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ 1 GHZ (200PS/DIV ΚΛΙΜΑΚΑ), 3 GHZ, 4 GHZ ΚΑΙ 5 GHZ (50PS/DIV ΚΛΙΜΑΚΑ) ΕΙΚΟΝΑ : ΧΡΟΝΟΣ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑΣ ΤΟΥ SOA ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 10 GHZ (100PS/DIV ΚΛΙΜΑΚΑ) ΕΙΚΟΝΑ : ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ 1 GHZ (200PS/DIV ΚΛΙΜΑΚΑ), 3 GHZ, 4 GHZ ΚΑΙ 5 GHZ (50PS/DIV ΚΛΙΜΑΚΑ) ΕΙΚΟΝΑ : ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΤΙΟΥ (20PS/DIV) ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΑ 10 GHZ ΕΙΚΟΝΑ : ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ 1 GHZ (200PS/DIV ΚΛΙΜΑΚΑ), 5 GHZ, 8 GHZ ΚΑΙ 10 GHZ (50PS/DIV ΚΛΙΜΑΚΑ) ΕΙΚΟΝΑ : ΤΟ ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΤΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 5.6.1: ΟΙ ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΤΗΣ ΜΕΡΙΚΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ FLIP-FLOP ΜΕ 2 ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ 5.6.2: ΦΑΣΜΑ ΣΗΜΑΤΟΣ ΕΞΟΔΟΥ ΑΠΟ ΕΛΕΓΧΟ ΓΙΑ REFLECTIONS. ΜΑΖΙ ΜΕ ΤΟ CW1 ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΚΑΙ Η ΑΝΑΚΛΑΣΗ ΤΟΥ CW2. (5DB/DIV, 0.05 NM) ΕΙΚΟΝΑ 5.6.3: ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ SETUP ΜΕ ΤΟΝ CIRCULATOR ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ ΣΤΟΝ SOA D ΕΙΚΟΝΑ 5.6.4: ΟΙ ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ ΤΟΥ SOA D5. ΠΑΡΑΤΗΡΟΥΝΤΑΙ ΕΠΙΠΕΔΑ ΣΤΟΝ ΑΣΣΟ. (2NS/DIV) ΕΙΚΟΝΑ 5.6.5: ΟΙ ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ ΤΟΥ SOA D6. ΠΑΡΑΤΗΡΟΥΝΤΑΙ ΕΠΙΠΕΔΑ ΣΤΟΝ ΑΣΣΟ ΚΑΙ ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΟΛΩΣΗ. (1NS/DIV) ΕΙΚΟΝΑ 5.6.6: SETUP ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΟΥ SOA D3 ΓΙΑ ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ ΕΙΚΟΝΑ 5.6.7: ΑΡΙΣΤΕΡΑ ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΜΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΚΑΙ ΔΕΞΙΑ ΜΕ ΑΝΟΙΧΤΟ ΕΙΚΟΝΑ 5.6.8: SETUP ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΟΥ SOA E4 ΓΙΑ ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ ΕΙΚΟΝΑ 5.6.9: ΑΡΙΣΤΕΡΑ ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΜΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΚΑΙ ΔΕΞΙΑ ΜΕ ΑΝΟΙΧΤΟ. (5DB/DIV, 0.05NM) ΕΙΚΟΝΑ : ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ FSR ΜΕ ΕΙΣΟΔΟ ΑΠΟ EDFA ΓΙΑ ΤΟΝ SOA E ΕΙΚΟΝΑ : ΠΙΘΑΝΕΣ ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΕΣ ΚΟΙΛΟΤΗΤΕΣ ΟΠΩΣ ΦΑΙΝΟΝΤΑΙ ΣΤΗ ΜΑΣΚΑ ΕΙΚΟΝΑ : SOA FACET TO WAVEGUIDE END-FACET ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM XVII

18

19 Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 1 : Ε Ι Σ Α Γ Ω Γ Η

20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΚΑΙ Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Η ραγδαία εξέλιξη των τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών, μετά την υιοθέτηση του διαδικτύου (Internet) και του παγκοσμίου ιστού (World Wide Web) από το ευρύ κοινό, δημιούργησε την ανάγκη για πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης και πολύ γρηγορότερες ταχύτητες μετάδοσης των δεδομένων. Την προηγούμενη δεκαετία έχει υπολογιστεί πως η κίνηση στο διαδίκτυο διπλασιαζόταν κάθε χρόνο [53], ενώ το 2011, η εταιρεία τηλεπικοινωνιακών συστημάτων CISCO προέβλεψε πως οι απαιτήσεις για εύρος ζώνης θα τετραπλασιαστούν ως το 2015 [1]. Παράλληλα με την ταχύτατη εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών, δημιουργήθηκαν διάφορα ζητήματα που αφορούσαν την ανάγκη δικτύωσης υψηλής ταχύτητας. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκαν αλλαγές στον τύπο της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Η κυκλοφορία φωνής δεν κυριαρχεί στα δίκτυα πλέον, αν και εξακολουθεί να αυξάνεται κάθε χρόνο, ενώ η κυκλοφορία δεδομένων, από την άλλη, έχει επιδείξει πραγματικά εντυπωσιακούς ρυθμούς αύξησης, ειδικά κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, ξεπερνώντας μακράν την κυκλοφορία φωνής. Εικόνα 1.1.1: Εξελικτική πορεία συμφόρησης σε μεγάλες αποστάσεις Μέχρι πριν από μερικά χρόνια, οι τηλεπικοινωνιακές ανάγκες εξυπηρετούνταν από ένα δίκτυο καλωδίων χαλκού και ηλεκτρονικών διατάξεων. Η μετάδοση δεδομένων σε χαλκό περιορίζεται από τις ιδιότητες του χαλκού, δηλαδή τις μεγάλες απώλειες, στη διάδοση σε μεγάλες αποστάσεις, το χαμηλό εύρος ζώνης και τα προβλήματα συνακρόασης (cross-talk), που εμποδίζουν την αντίστοιχη εφαρμογή πολυπλεξίας μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM) που χρησιμοποιείται στην οπτική επικοινωνία. Τα παραπάνω, σε συνδυασμό με τις χαμηλές ταχύτητες επεξεργασίας των ηλεκτρονικών, έθεταν ένα σημαντικό όριο στις εξελίξεις των τηλεπικοινωνιών. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 21

22 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Τη λύση σε αυτό το πρόβλημα ήρθε να δώσει η φωτονική τεχνολογία και η κατασκευή, το 1970, της πρώτης εμπορικά διαθέσιμης οπτικής ίνας και των πρώτων lasers ημιαγωγών από Αρσενικό Γάλλιο (GaAs). Το γεγονός αυτό, έδωσε τη δυνατότητα για ανάπτυξη τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, που θα βασίζονταν στο φως και τις ιδιότητές του, για ανταλλαγή δεδομένων. Γρήγορα τα δίκτυα οπτικών ινών άρχισαν να αντικαθιστούν τα δίκτυα χαλκού, ξεκινώντας από τη ραχοκοκαλιά (backbone) και φτάνοντας σήμερα να συνδέουν τους χρήστες μέχρι το σπίτι τους (Fiber to the home). Σήμερα, οι οπτικές ίνες έχουν βελτιωθεί σε μεγάλο βαθμό, όσον αφορά την κατασκευή τους και τη χρήση τους. Το μέγεθός τους είναι μικρότερο από μια ανθρώπινη τρίχα, οι απώλειές τους φτάνουν τα 0.2 db/km, επιτρέπουν μονότροπη και πολύτροπη διάδοση, δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, λόγω απουσίας διαφεύγοντος πεδίου, και προσφέρουν πολύ καλύτερη ασφάλεια, καθώς η υποκλοπή είναι αδύνατη χωρίς διαταραχή του σήματος. Αναμφίβολα όμως, το σημαντικότερο σημείο υπεροχής της οπτικής ίνας, είναι το τεράστιο διαθέσιμο εύρος ζώνης (περίπου 25 THz γύρω από τα 1550nm), το οποίο είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης οποιουδήποτε άλλου μέσου ενσύρματης ή ασύρματης επικοινωνίας. Για λόγους σύγκρισης αναφέρεται ότι ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης για συνεστραμμένο καλώδιο χαλκού είναι κάποια Mb/s, για ομοαξονικό καλώδιο 1 Gb/s και για δορυφορικές συνδέσεις κάποια Gb/s, ενώ σήμερα είναι εμπορικά διαθέσιμα πολυκάναλα οπτικά συστήματα (μέσω πολυπλεξίας μήκους κύματος, WDM), βασικού ρυθμού 40 Gb/s και συνολικής χωρητικότητας άνω των 3.2 Tb/s. Επιπλέον, λόγω των χαμηλών απωλειών, είναι δυνατή η μετάδοση σήματος σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, πριν να υπάρξει ανάγκη ενίσχυσης ή αναγέννησής του, και έτσι ελαχιστοποιείται ο αριθμός ενισχυτών και αναμεταδοτών, γεγονός που καθιστά οικονομικά εφικτή την εγκατάσταση οπτικών δικτύων που καλύπτουν τεράστιες γεωγραφικές περιοχές. Στην εικόνα παρακάτω φαίνονται συνολικά μερικές πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά διαφορετικών μέσων μετάδοσης. Εικόνα 1.1.2: Το εύρος των συχνοτήτων, η εξασθένηση, η χρονική καθυστέρηση και η απόσταση μεταξύ επαναληπτών των κυριότερων μέσων μετάδοσης Παρά την εκτενή χρήση των οπτικών ινών, δεν είναι δυνατόν να εκμεταλλευτούμε πλήρως τις δυνατότητες που προσφέρουν, αν τα δίκτυα στα οποία εργαζόμαστε βασίζονται σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, καθώς χρειάζονται οπτο-ήλεκτρο-οπτικοί μετατροπείς (O/E/O converters) για την μετέπειτα επεξεργασία του σήματος ώστε να εκτελεστούν οι ευφυείς διεργασίες, όπως επεξεργασία σήματος και μεταγωγή. Οι ταχύτητες επεξεργασίας των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων θέτουν ένα ανώφλι (bottleneck) στην τηλεπικοινωνιακή κίνηση, καθώς η ταχύτητα ενός συστήματος καθορίζεται πάντα από το πιο αργό κομμάτι του. Είναι χαρακτηριστικό ότι η ταχύτητα επεξεργασίας στις ηλεκτρονικές διατάξεις δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 80 Gb/s, ποσό μηδαμινό μπροστά στις δυνατότητες τις οπτικής ίνας, που παρουσιάστηκαν παραπάνω. 22 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένα τυπικό ηλεκτρονικό σύστημα, όπως ένας δέκτης, έχει ταχύτητα επεξεργασίας δεδομένων ίση με 40 Gb/s. Για την πλήρη αξιοποίηση, λοιπόν, της οπτικής τεχνολογίας, είναι απαραίτητη η ολική απαλλαγή του δικτύου από τον περιορισμό αυτό. Εικόνα 1.1.3: το όνειρο για μια μελλοντική ολοκληρωμένη αμιγώς οπτική διάταξη VLSI Τη λύση στο πρόβλημα αυτό έρχεται να δώσει για ακόμη μια φορά η φωτονική, με την ανάπτυξη αμιγώς οπτικών διατάξεων. Στις διατάξεις αυτές η επεξεργασία του σήματος γίνεται με αμιγώς οπτικό τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι, καθώς το σήμα φτάνει από την οπτική ίνα σε κάποιο δικτυακό κόμβο, δεν απαιτείται η μετατροπή του σε ηλεκτρικό, ώστε να πραγματοποιηθεί η επεξεργασία του. Η ταχύτητα των φωτονικών διατάξεων, που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, σε μερικές εφαρμογές ξεπερνά τα 100 Gb/s, συμβάλλοντας έτσι στην καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης της οπτικής ίνας και καθιστώντας τη φωτονική τεχνολογία μια αναπτυσσόμενη και πολλά υποσχόμενη εφαρμοσμένη επιστημονική περιοχή. Όπως προαναφέρθηκε, οι φωτονικές διατάξεις χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία των οπτικών σημάτων. Συγκεκριμένα, μπορούν να υλοποιήσουν λογικές πύλες, καθώς και ευφυείς λειτουργίες, όπως μεταγωγή (switching), δρομολόγηση (routing), μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion), πολυπλεξία (multiplexing), απόπολυπλεξία (de-multiplexing), αναγέννηση οπτικών παλμών (pulse generation), ανάκτηση ρολογιού (clock recovery) κ.α., οι οποίες πραγματοποιούνται σε δικτυακούς κόμβους. Στηριζόμενη στις ίδιες επιστημονικές αρχές, που κατέστησαν το φως ως το πλέον χρησιμοποιούμενο μέσο για μετάδοση δεδομένων, η επιστήμη της φωτονικής στόχευσε περαιτέρω, στη δημιουργία τεχνολογίας και προδιαγραφών για αμιγώς οπτική ψηφιακή επεξεργασία σήματος, κάτι που θα οδηγούσε στην υπέρβαση των ορίων των ψηφιακών ηλεκτρονικών και στη μετάβαση της οικογένειας των επεξεργαστών και των υπολογιστικών συστημάτων σε μια νέα εποχή, όπως ακριβώς η τεχνολογία των οπτικών ινών οδήγησε σε μια νέα εποχή τις τηλεπικοινωνίες. Η παραπάνω απόπειρα συνοδεύτηκε από υποσχέσεις για παντοδύναμες υπολογιστικές μηχανές, με εξωπραγματικές δυνατότητες στην ταχύτητα επεξεργασίας, και από ένα όραμα για επανάσταση στον τομέα των επικοινωνιών. Ο εξοπλισμός, σε κάθε τμήμα των επικοινωνιών, θα μπορούσε να αντικατασταθεί από φωτονικές διατάξεις για την επεξεργασία της πληροφορίας. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 23

24 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ 1.2 ΜΝΗΜΗ RAM ΚΑΙ ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ «MEMORY WALL» Η μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Random Access Memory RAM) είναι ένας τύπος αποθηκευτικής μονάδας για δεδομένα υπολογιστών. Καλείται τυχαίας προσπέλασης, διότι επιτρέπει την ανάγνωση και εγγραφή των δεδομένων σε πρακτικά τον ίδιο χρόνο, ανεξάρτητα από τη σειρά με την οποία είναι αποθηκεμένα. Έτσι, ο χρόνος που απαιτείται για εγγραφή και ανάγνωση των δεδομένων παραμένει σταθερός, ανεξάρτητα από τη φυσική τους τοποθεσία πάνω στο μέσο, και εξαρτάται μόνο από τη μέγιστη ταχύτητα λειτουργίας που επιτρέπει η τεχνολογία του μέσου. Η ανακάλυψη του transistor κατά τα δεκαετία του 1940 και αργότερα η επιτυχημένη κατασκευή του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος, είναι ορόσημα τα οποία οδήγησαν στην ολοκλήρωση μεγάλης κλίμακας (Very Large Scale Integration VLSI) τη δεκαετία του Με τις εξελίξεις αυτές έγινε διαθέσιμη στο κοινό η πρώτη ολοκληρωμένη ηλεκτρονική μνήμη DRAM (dynamic RAM), τον Οκτώβριο του 1970, από την Intel [2]. Από τότε μέχρι σήμερα, μέσα σε 4 δεκαετίες, η χωρητικότητα των μνημών έχει αυξηθεί κατά ένα παράγοντα μεγαλύτερο του 1 δισεκατομμυρίου, ενώ το μέγεθός τους πάνω στο chip πυριτίου, στο οποίο είναι ολοκληρωμένες, έχει συρρικνωθεί σε μεγέθη της τάξης των nm. Παρά την εκθετική αύξηση του αριθμού των ολοκληρωμένων transistor, ανά μονάδα επιφάνειας, που έχει επιφέρει και τρομερή αύξηση στις ταχύτητες επεξεργασίας, η παρούσα τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων έχει φτάσει ένα άνω όριο, όσον αφορά την ταχύτητα επεξεργασίας, που οφείλεται στις φυσικές δυσκολίες που παρουσιάζουν τα ηλεκτρονικά. Οι ταχύτητες επεξεργασίας των σύγχρονων επεξεργαστών δεν μπορούν να ξεπεράσουν ταχύτητες χρονισμού της τάξης των GHz. Παρόλο που έχουν επινοηθεί μια πληθώρα τεχνικών, για αύξηση της υπολογιστικής ισχύος, λόγω των απαιτήσεων των σύγχρονων συστημάτων και εφαρμογών ( bit hungry applications and systems ), όπως παράλληλη επεξεργασία με τη χρήση πολλαπλών πυρήνων στο ίδιο chip, μεγαλύτερων μνημών cache και αποτελεσματικότερων τεχνικών, το αποτέλεσμα μέσω αυτής της οδού δεν πρόκειται ποτέ να ξεπεράσει την τάξη των GHz. Στον τομέα των μνημών RAM, έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για ταχύτερα χρονισμένες ηλεκτρονικές μνήμες. Οι τελευταίες εξελίξεις οδηγούν στην κατασκευή μνημών RAM προτύπου DDR4, με το επίσημο πρότυπο λειτουργίας να έχει ολοκληρωθεί μόλις τον Σεπτέμβριο του 2012 [3]. Με διαφορετική τεχνολογία (20 nm) στην τοπολογία ολοκλήρωσης, και αφαιρώντας την προσέγγιση του multi-drop διαύλου, χρησιμοποιώντας σημείο-προς-σημείο (point-to-point) διασύνδεση του ελεγκτή με κάθε μονάδα, έχει επιτευχθεί ταχύτητα μετάδοσης 3200 Mb/s και χωρητικότητα 128 GB ανά DIMM [4][5]. Όσον αφορά την ταχύτητα, η ηλεκτρονική SRAM είναι ταχύτερη από την ηλεκτρονική DRAM, ωστόσο οι χρόνοι προσπέλασης είναι και πάλι περιορισμένοι στο όριο των 300 psec [55]. Η SRAM χρησιμοποιεί συνολικό αριθμό έξι-τρανζίστορ, και έτσι το πλεονέκτημα στην ταχύτητα σε σχέση με την DRAM αντιπαραβάλλεται με το αυξημένο μέγεθός του και το αντίστοιχο αποτύπωμα (footprint), καθώς και με το υψηλότερο κόστος κατασκευής, κάνοντας την SRAM κατάλληλη για εφαρμογή σε μνήμη cache. Προσπάθειες για ολοκλήρωση μνήμης SRAM σε 3D στοίβες (3D stacked SRAM) γίνονται ερευνητικά, ώστε να λυθεί το πρόβλημα του μεγάλου footprint, και έχει ήδη δημιουργηθεί το μικρότερο κελί SRAM με έξι-τρανζίστορ (six-transistor 6T SRAM), χρησιμοποιώντας διαδικασία 24 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ laser κρυσταλλοποίησης, ώστε να δημιουργηθούν στρώσεις πυριτίου μοναδικούκρυστάλλου πάνω στις άμορφες στρώσεις διοξειδίου του πυριτίου. Το μέγεθος του κελιού SRAM είναι 36 F 2 και 0.36 μm 2 με συμπληρωματική τεχνολογία 100-nm MOS [56]. Επίσης, η Intel έχει παρουσιάσει μια καινούρια αρχιτεκτονική SRAM χρησιμοποιώντας MOSFET τριών-πυλών (tri-gate) σε τεχνολογία 22nm, που συμπεριλαμβάνει τρίτης γενιάς (3 rd generation) high-k metal-gate transistors και πέμπτης γενιάς (5 th generation) τεταμένο πυρίτιο (strained silicon) [57]. Παρά την αύξηση της ταχύτητας των επεξεργαστών και της μετάδοσης μεταξύ RAM και CPU, ο αδύναμος κρίκος στην ταχύτητα λειτουργίας του συστήματος παραμένει η ταχύτητα πρόσβασης στη μνήμη RAM, που παρουσιάζει μικρότερη αύξηση, με άμεση συνέπεια την απόκλιση των δύο μεγεθών. Αυτό το πρόβλημα, το οποίο είχε προβλεφθεί από τη δεκαετία του 90 [54], είναι γνωστό ως «Memory Wall» και έχουμε ήδη φτάσει σε αυτό, με τις υπολογιστικές εφαρμογές να περιορίζονται εξ ολοκλήρου σήμερα από την ταχύτητα πρόσβασης στη RAM. Συγκεκριμένα, ενώ η υπολογιστική ταχύτητα των επεξεργαστών αυξανόταν κατά 80% κάθε χρόνο, η ταχύτητα πρόσβασης στη RAM ακολουθεί έναν πολύ χαμηλότερο ρυθμό, περίπου 10% αύξηση κάθε χρόνο. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να έχει γίνει ένα βήμα πίσω στην προσπάθεια αύξησης της υπολογιστικής ισχύος [41], εφόσον δεν μπορεί να γίνει εκμετάλλευσή της πλήρως, και να επικεντρωθούν οι έρευνες στην ανάπτυξη τεχνολογιών για να ξεπεραστεί το «Memory Wall». Εικόνα 1.2.1: Εξέλιξη της ταχύτητας του επεξεργαστή και της μνήμης Η φωτονική τεχνολογία έρχεται να καλύψει αυτό το κενό, με την έρευνα την τελευταία δεκαετία να περιστρέφεται γύρω από την ανάπτυξη αμιγώς οπτικών στοιχείων μνήμης RAM, τα οποία θα δίνουν τη δυνατότητα για επεξεργασία της πληροφορίας αμιγώς οπτικά. Οι προσπάθειες αυτές ενισχύθηκαν με την ολοένα και αυξανόμενη διείσδυση των οπτικών επικοινωνιών σε μικρού μήκους συνδέσεις, κάτω από τα 10 μέτρα, που έδειξαν ότι είναι εφικτή μια ραγδαία αλλαγή, όχι μόνο στον τρόπο επικοινωνίας μεταξύ των κυκλωμάτων, αλλά στην ίδια τη σύσταση των κυκλωμάτων. Ένα ακόμη παράδειγμα για την ανάγκη για κυκλώματα υπέρ-υψηλής ταχύτητας είναι οι υπέρυπολογιστές (super-computers), όπου είναι έκδηλη η ανάγκη μετάδοσης τεράστιας ποσότητας δεδομένων σε εξαιρετικά μικρό χρόνο. Γενικότερα, όμως, οι ιστορικές εξελίξεις φανερά υποδεικνύουν ότι είναι απλά θέμα χρόνου ώσπου η φωτονική τεχνολογία να διεισδύσει πλήρως στην επικοινωνία μεταξύ των υπολογιστικών κυκλωμάτων, αλλά και ακόμη περισσότερο στον τρόπο λειτουργίας τους, καθιστώντας ικανή την πλήρη εκμετάλλευση του εύρους ζώνης που προσφέρει η οπτική ίνα. Όπως όλα δείχνουν, οι τεχνολογίες που μπορούν να συνδυαστούν αυτή την στιγμή για να υπερκεραστούν τα προβλήματα των ηλεκτρονικών, είναι τα οπτικά συστήματα και ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 25

26 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ τα πολυμερή υλικά (ως η βάση για κρυσταλλοειδείς οπτικές δομές) [45]. Θεωρητικά υποστηρίζεται ότι, ενδεχόμενες λύσεις για να μεταπηδήσει η τεχνολογία από τα ηλεκτρονικά σε κάτι εντελώς πρωτοποριακό, είναι το πεδίο των κβαντικών υπολογιστών. Έντονη ερευνητική προσπάθεια στην φωτονική τεχνολογία έχει γίνει και για τη χρήση του πυριτίου σαν πλατφόρμα ολοκλήρωσης. Το πυρίτιο έχει προφανή πλεονεκτήματα, όπως το γεγονός ότι προσφέρει διαφάνεια στα 1550 nm και επιτρέπει έντονη καμπύλωση των κυματοδηγών, χωρίς να υπάρχουν απώλειες στην κυματοδήγηση του φωτός, οδηγώντας στην πυκνή ολοκλήρωση κυκλωμάτων. Εξίσου σημαντικό είναι και το γεγονός ότι τα φωτονικά στοιχεία σε πυρίτιο μπορούν να ολοκληρωθούν χρησιμοποιώντας την CMOS τεχνογνωσία και τις υπάρχουσες υποδομές [129]. Τέλος, πρέπει να τονιστεί ότι με τη βοήθεια του πυριτίου μπορούν να ολοκληρωθούν φωτονικά και ηλεκτρονικά στοιχεία [130] με την ίδια διαδικασία, οδηγώντας σε πραγματικά οπτοηλεκτρονικά ολοκληρωμένα chips. Ταυτόχρονα, γίνεται μελέτη και για αντικατάσταση των wafers πυριτίου ως μέσο ολοκλήρωσης, με την τεχνολογία των νανοσωλήνων πολυκαρβονικών υλικών (carbon nanotubes) που πρόσφατα πρότεινε η IBM. Παρόλο που οι δύο τελευταίες τεχνολογίες υπόσχονται τρομακτικές ταχύτητες επεξεργασίας, βρίσκονται ακόμη σε πολύ αρχικό στάδιο. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το ότι τα φωτονικά προσφέρουν λύσεις, αντικαθιστώντας κάθε φορά και ένα κομμάτι των οπτικών, κρατώντας έτσι το απαιτούμενο backward compatibility, καθιστούν την φωτονική ως την εν δυνάμη εφαρμόσιμη τεχνολογία για αυτή την χρονική περίοδο. Το Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα Ramplas [REF] αποσκοπεί στην υλοποίηση οπτικών μνημών RAM στα 100 Gb/s. Στο πλαίσιο του συγκεκριμένου προγράμματος, στο οποίο συμμετέχουν πανεπιστήμια, φορείς και εταιρίες από διαφορετικές χώρες της Ευρώπης, πραγματοποιείται έρευνα, σχεδιασμός, κατασκευή και χαρακτηρισμός ολοκληρωμένων οπτικών διατάξεων σε chip πυριτίου, οι οποίες προορίζονται να καλύψουν μετέπειτα τις ανάγκες για μεταγωγικά κυκλώματα και μνήμες RAM. Συγκεκριμένα για την αποθήκευση δεδομένων στην μνήμη, έχουν σχεδιαστεί διατάξεις, όπως συζευγμένα MZI συμβολόμετρα βασισμένα σε οπτικούς ημιαγώγιμους ενισχυτές, που προσομοιώνουν τη λειτουργία flip-flop, ενώ για τη μεταγωγή και τη μετατροπή μήκους κύματος έχουν κατασκευαστεί διατάξεις βασισμένες σε απλά συμβολόμετρα ΜΖΙ, με SOA στους κλάδους τους, καθώς και σε απλούς SOAs. Όσον αφορά την αρχιτεκτονική της μνήμης, στο συγκεκριμένο ερευνητικό πρόγραμμα, έχει πραγματοποιηθεί έρευνα πρόσφατα για τον οπτικό αποκωδικοποιητή γραμμής (Row decoder), τον αποκωδικοποιητή στήλης (Column decoder) αλλά και για τα κύτταρα μνήμης ξεχωριστά, ώστε να επιτευχθεί λειτουργία οπτικής τράπεζας RAM (optical RAM bank). Σκοπός είναι ένα, ολοκληρωμένο σε πυρίτιο-σε-μονωτή( Silicon-on-Insulator, SOI), αμιγώς οπτικό σύστημα μνήμης, κάνοντας χρήση InP/GaAs SOAs, και σύνθετων III-V ημιαγωγών, το οποίο θα λειτουργεί στα 100 Gb/s, και θα χαρακτηρίζεται από σταθερότητα λειτουργίας, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, και θα έχει την δυνατότητα ευρείας παραγωγής λόγω ολοκλήρωσης πολύ μεγάλης κλίμακας, για χρήση ως αυτόνομης μονάδας μνήμης σε οπτικά υπολογιστικά συστήματα μετέπειτα. 26 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.3 ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η παρουσίαση και ο χαρακτηρισμός μιας αμιγώς οπτικής μνήμης RAM, που θα ξεπερνάει τα προβλήματα των ήδη προτεινόμενων αρχιτεκτονικών, και θα δίνει τη δυνατότητα για ακόμη μεγαλύτερη ταχύτητα λειτουργίας, που θα ξεπερνά τα 40 Gb/s. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι σύγχρονες τάσεις στην επεξεργασία δεδομένων και τα συστήματα μετάδοσης, και γίνεται λόγος για την ανάγκη για αμιγώς οπτικά κυκλώματα μνήμης. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια ιστορική αναδρομή στις αρχιτεκτονικές της τελευταίας δεκαετίας, για κατασκευή οπτικής μνήμης. Στη συνέχεια, γίνεται η θεωρητική θεμελίωση των φαινομένων και τον διατάξεων που διέπουν το chip, για το οποίο γίνεται λόγος στην παρούσα διπλωματική. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνική της υβριδικής ολοκλήρωσης στοιχείων βασισμένων σε III/V υλικά, σε SOI. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι αναγκαίο να περιγραφεί η χημική σύσταση και κατασκευή του chip, που θα παίξει τον ρόλο της SOI μητρικής πλακέτας (motherboard), και έπειτα της συστοιχίας των ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών, που ως θυγατρική πλακέτα (daughterboard) θα επικολληθεί με την τεχνική «flip-chip» στο SOI. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά, σύμφωνα με τα οποία κατασκευάζονται τα προαναφερθέντα, καθώς και οι τεχνικές με τις οποίες μειώνονται οι απώλειες, οι ανακλάσεις, γίνεται η ηλεκτρική διασύνδεση κλπ., είναι παρόντα στο συγκεκριμένο κεφάλαιο. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι διατάξεις, που έχουν υλοποιηθεί ολοκληρωμένες στο chip, και δίνεται ένας σχολιασμός για τα χαρακτηριστικά της κάθε μιας, έναντι άλλων διατάξεων, ή ακόμα και μεταξύ τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα, που προέκυψαν ως προϊόν της παρούσης διατριβής, και παρατίθεται αναλυτικός σχολιασμός τους. Η πειραματική αξιολόγηση των διατάξεων έλαβε χώρα στο εργαστήριο της ερευνητικής ομάδας Φωτονικών Συστημάτων και Δικτύων (Photonic Systems and Networks PHOSNET) του Τμ. Πληροφορικής Α.Π.Θ.. Στο τελευταίο κεφάλαιο, γίνεται μια σύνοψη όσων περιεγράφηκαν στη διπλωματική, καθώς και μια σύντομη αναφορά στην πορεία που θα μπορούσε να ακολουθήσει η έρευνα στο συγκεκριμένο τομέα στο μέλλον. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 27

28

29 Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 2 : Θ Ε Ω Ρ Η Τ Ι Κ Η Θ Ε Μ Ε Λ Ι Ω Σ Η

30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται μια αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο που απαιτείται για την παρουσίαση των διατάξεων στο chip πυριτίου στα επόμενα κεφάλαια. Αρχικά, επεξηγείται η λειτουργία της ηλεκτρονικής μνήμης τυχαίας προσπέλασης, πάνω στην οποία βασίστηκε και η φιλοσοφία για την κατασκευή της οπτικής μνήμης. Έπειτα, επεξηγούνται τα στοιχεία με τα οποία δομείται η οπτική μνήμη (πύλες πρόσβασης Access Gates, Flip-Flops, αποκωδικοποιητές γραμμής και στήλης) και παρουσιάζονται ορισμένες υλοποιήσεις που έχουν προταθεί για αυτά στο παρελθόν. Τέλος, εξηγούνται τα φυσικά φαινόμενα στα οποία βασίζεται η λειτουργία των στοιχείων που παρουσιάστηκαν. 2.1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΝΗΜΗ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ (RANDOM ACCESS MEMORY RAM) Η πληροφορία, στον ψηφιακό κόσμο, απεικονίζεται σε δυαδική μορφή, δηλαδή σε συνδυασμούς των ψηφίων «0» και «1». Οι τρόποι με τους οποίους προσομοιώνονται αυτά τα δύο ψηφία διαφέρουν, ανάλογα με την εφαρμογή, το υλικό και την κατασκευή του. Συνήθως, τα «0,1» αντιστοιχούν σε έλλειψη ή ύπαρξη ισχύος ή φορτίου ή τάσης, όπως επίσης και σε επικράτηση μιας δεδομένης κατάστασης έναντι κάποιας άλλης. Η αποθήκευση της πληροφορίας αυτής στα σημερινά συστήματα γίνεται από τη μνήμη τυχαίας προσπέλασης ή RAM. Για να αποθηκευτεί η δυαδική πληροφορία είναι αναγκαία μια αποθηκευτική οντότητα, που ταλαντεύεται μεταξύ δύο καταστάσεων. Η οντότητα αυτή είναι το Flip-Flop, το οποίο σε συνδυασμό με βοηθητικές διατάξεις, για να παρέχει ολοκληρωμένες λειτουργίες Διαβάσματος/Εγγραφής (Read/Write), σχηματίζει το κύτταρο μνήμης (RAM cell). Κάθε κύτταρο μνήμης είναι ικανό να αποθηκεύσει πληροφορία ίση με 1 bit, ενώ μια ομάδα από bits ονομάζεται λέξη (word). Ομαδοποιώντας πολλά κύτταρα μνήμης, συνήθως σε 64x64 δισδιάστατο πλέγμα (2-D grid), δημιουργείται μια συστοιχία μνήμης. Η μνήμη οργανώνεται, επομένως, σε γραμμές και στήλες από ομάδες bits οι οποίες ονομάζονται «wordlines» και «bitlines» αντίστοιχα. Από αυτό συμπεραίνουμε εύκολα πως από κάθε γραμμή έχουμε πρόσβαση σε μια λέξη, ενώ από κάθε στήλη έχουμε πρόσβαση σε ατομικά bits της κάθε λέξης. Η διασταύρωση συγκεκριμένης γραμμής και στήλης μας δίνει τη διεύθυνση ενός κελιού. Εφόσον η RAM οργανώνεται σε μια συστοιχία από Μ λέξεις των Β bits η καθεμιά και η αποθήκευση γίνεται σε γραμμές και στήλες, είναι προφανές πως χρειάζεται κάποιου είδους διευθυνσιοδότηση για πρόσβαση στα κελιά σε άμεσο χρόνο (τυχαία προσπέλαση). Αυτό επιτυγχάνεται με ένα από τα σημαντικότερα, ίσως, κυκλώματα στα σημερινά συστήματα, τον αποκωδικοποιητή. Συγκεκριμένα, σε μια συστοιχία μνήμης, υπάρχει ένας αποκωδικοποιητής γραμμής (row decoder) και ένας αποκωδικοποιητής στήλης (column decoder). Έτσι, όταν πρέπει να γίνει εγγραφή ή ανάγνωση σε κάποιο κελί μνήμης, ενεργοποιούνται όλα τα κελιά της γραμμής και στήλης που ανήκει το συγκεκριμένο κελί, αφού δίνεται η εντολή από τους αποκωδικοποιητές. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 31

32 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 2.1.1: Αρχιτεκτονική ηλεκτρονικής μνήμης RAM Σε μακροσκοπικό επίπεδο, το κύτταρο μνήμης πρέπει να αποτελείται από διατάξεις οι οποίες να δίνουνε την δυνατότητα εγγραφής και ανάγνωσης της πληροφορίας. Το σήμα ελέγχου καθορίζει την χρονική στιγμή που θα γίνει η λειτουργία, το σήμα select είναι η επιλογή του κυττάρου (και των υπολοίπων της ίδιας σειράς). Και τέλος η γραμμή εγγραφής/ανάγνωσης για τα δεδομένα, που προέρχονται/καταλήγουν από/σε θέσεις προσωρινής αποθήκευσης των λέξεων. Οι δύο πιο κοινές κατηγορίες RAM είναι η δυναμική RAM (DRAM) και η στατική RAM (SRAM). Η διαφορά τους έγκειται στην τεχνολογία υλοποίησης, που ακολούθως φέρνει και μεγάλες διαφορές στον τρόπο λειτουργίας τους. Ένα κελί της DRAM είναι υλοποιημένο με ένα τρανζίστορ και έναν πυκνωτή, καθιστώντας το πολύ μικρό σε μέγεθος και απλό σε κατασκευή, ενώ η πληροφορία αποθηκεύεται σε μορφή φορτίου στον πυκνωτή. Είναι όμως πιο αργή σε λειτουργία από την SRAM και πιο δαπανηρή σε ενέργεια, καθώς το φορτίο του πυκνωτή πρέπει να ανανεώνεται τακτικά, ώστε να μην χαθεί η πληροφορία. Η SRAM λειτουργεί με μανδαλωτές (latches), οι οποίοι σχηματίζονται από 6 τρανζίστορ και που με τη σειρά τους Εικόνα 2.1.3: Δομή κελιού στατικής (α) και δυναμικής (β) μνήμης Εικόνα 2.1.2: Λειτουργίες κυττάρου μνήμης συνδυάζονται για να δημιουργήσουν Flip-Flops. 32 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Σήμερα, παρ όλες τις εξελίξεις στην οπτική τεχνολογία, δεν είναι ακόμα δυνατόν να κατασκευασθεί ένα αμιγώς οπτικό κελί δυναμικής μνήμης, διότι δεν υπάρχει κάποιος αξιόπιστος τρόπος να αποθηκευτεί το φως, «παγώνοντάς» το. Από την άλλη μεριά, έχουν προταθεί διατάξεις για προσομοίωση αμιγώς οπτικών Flip-Flop και έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά η λειτουργία τους. Αυτό σημαίνει πως η κατασκευή κελιών οπτικής στατικής μνήμης είναι εφικτή και μια τέτοια προσπάθεια ακολουθεί η παρούσα πτυχιακή. 2.2 ΟΠΤΙΚΗ ΜΝΗΜΗ Αναφερθήκαμε προηγουμένως στο γεγονός πως, ενώ η οπτική τεχνολογία έχει καταφέρει να αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό την ηλεκτρονική στον τομέα των διασυνδέσεων, η έλλειψη λειτουργικών οπτικών μονάδων μνήμης καθιστά αδύνατη την κατασκευή ενός αμιγώς οπτικού συστήματος. Το ουδέτερο φορτίο των φωτονίων εμποδίζει την αποθήκευσή τους και απαγορεύει τη μίμηση της βασικής αρχής αποθήκευσης στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Για το λόγο αυτό, η οπτική αποθήκευση έχει βασιστεί σε ίνες καθυστέρησης ή διατάξεις με βρόγχους (fiber loops), χωρίς όμως δυνατότητες τυχαίας προσπέλασης και αποθήκευσης μοναδικού bit [58], ενώ πρόσφατα κυματοδηγοί Silicon-on-Insulator για καθυστέρηση δεδομένων έχουν επιτύχει μείωση των διαστάσεων των αντίστοιχων buffers, χωρίς ωστόσο να βελτιώνουν την απόδοση [59]. Εναλλακτικές τεχνικές με μέσα «καθυστέρησης» του φωτός που μειώνουν την ταχύτητα ομάδας των δεσμών φωτός έχουν επίσης προταθεί, ωστόσο όλες αυτές οι διατάξεις δεν υποστηρίζουν πραγματική λειτουργία μνήμης [60]. Εικόνα 2.2.1: Ίνα καθυστέρησης. Όταν το through port είναι κατειλημμένο τότε ο εισερχόμενος παλμός διαδίδεται στον βρόγχο και επαναλαμβάνει την κυκλική πορεία μέσα σε αυτή μέχρι να βρει την έξοδο ελεύθερη Οι παραπάνω διατάξεις έχουν χρησιμοποιηθεί κατά κόρον σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα και δίκτυα υπολογιστών, για συσκευές, όπως δρομολογητές (routers), που απαιτούν μνήμες με δομή ουράς για τη λειτουργία τους, με σκοπό να βελτιώσουν την ποιότητα των υπηρεσιών, καθώς και να αυξήσουν την ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων και τη ρυθμοαποδόση των καναλιών, χωρίς να προκαλούν παράλληλα και αύξηση του ρυθμού λήψης λανθασμένων bit (Bit Error Rate, BER). Η εγγενείς αδυναμία τους, ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 33

34 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ όμως, για μόνιμη και ευέλικτη αποθήκευση πληροφορίας (βασικά χαρακτηριστικά μιας μνήμης τυχαίας προσπέλασης), καθώς και η αδυναμία ολοκλήρωσής τους σε chips, λόγω μεγάλου μεγέθους και ασύμβατου τρόπου κατασκευής, τις καθιστά σχεδόν άχρηστες για οπτικούς υπερυπολογιστές και κατά συνέπεια δεν συμβάλλουν στην ανάπτυξη σύνθετων μορφών οπτικής επεξεργασίας. Βάση της ηλεκτρονικής μνήμης, έχουν σχεδιαστεί και πολλές από τις υπομονάδες της οπτικής μνήμης RAM, για την οποία γίνεται λόγος σε αυτήν την πτυχιακή εργασία. Στον τομέα του αποκωδικοποιητή διευθύνσεων, έχει γίνει πειραματική μελέτη στα πλαίσια του ευρωπαϊκού προγράμματος RAMPLAS, για αμιγώς οπτικούς αποκωδικοποιητές γραμμής και στήλης, καθώς και για αμιγώς οπτικά flip-flops Περιφερειακά κυκλώματα οπτικής μνήμης Όσον αφορά την οπτική μνήμη, έχουν προταθεί πολλές αρχιτεκτονικές για την λειτουργία της αποκωδικοποίησης διεύθυνσης. Θα μπορούσε να φανταστεί κανείς εύκολα ότι η αρχιτεκτονική της ηλεκτρονικής μνήμης, δηλαδή η ύπαρξη και αποκωδικοποιητή γραμμής και αποκωδικοποιητή στήλης, για τον καθορισμό της διεύθυνσης των κυττάρων, μπορεί να εφαρμοστεί και στην οπτική μνήμη. Κατά αναλογία με την ηλεκτρονική μνήμη, θα απαιτούνταν αποκωδικοποιητές γραμμής και στήλης. Στην ηλεκτρονική μνήμη, η διεύθυνση του κελιού μνήμης περιείχε τον αριθμό γραμμής και τον αριθμό στήλης. Για να γίνει αυτό, θα έπρεπε να υπάρχει ένας αποκωδικοποιητής m x n (demultiplexer), όπου για είσοδο της m-ψήφιας διεύθυνσης γραμμής, καθόριζε 2 n διαφορετικές γραμμές, και άλλος ένας για τις στήλες. Αντί αυτού, μια αρχιτεκτονική, η οποία εκμεταλλεύεται την ιδιότητα της πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing WDM), δίνει μια απλούστερη και αποτελεσματική λύση[21]. Δεδομένου ότι η επιλογή στήλης, για εντοπισμό του κυττάρου προς λειτουργία, καθορίζεται εμμέσως από το μήκος κύματος, ο ηλεκτρονικός αποπλέκτης, που έπαιζε το ρόλο του αποκωδικοποιητή στήλης, αντικαθίσταται από μία πολυκυματική πύλη πρόσβασης (Multiwavelength Access Gate), η οποία φαίνεται υλοποιημένη στην παρακάτω εικόνα, για την περίπτωση μιας συστοιχίας 4x4 κυττάρων μνήμης. Η λειτουργία της, πολύ συνοπτικά, είναι η εξής: Υπάρχουν 8 διαφορετικά μήκη κύματος (λ1-λ8) και ένα επιπλέον ως σήμα ελέγχου (λa). Η υλοποίηση θεωρεί γραμμή μνήμης μήκους 4 bit, γι αυτό και χρησιμοποιούνται 8 μήκη κύματος (ανά δύο συμπληρωματικά κωδικοποιημένα, με μια ψευδό-τυχαία ακολουθία, που προσομοιάζει πραγματική μεταφορά δεδομένων από τα κελιά μνήμης). Το μήκος κύματος λa, το οποίο έχει μεγάλη ισχύ, επιδρά ως σήμα ελέγχου για ολόκληρη τη σειρά, που αντιπροσωπεύει η πύλη πρόσβασης. Η λειτουργία του βασίζεται στην ετεροδιαμόρφωση κέρδους (Cross-Gain Modulation, XGM) στον SOA, επιτρέποντας ή μη την μετάδοση των υπολοίπων μηκών κύματος λ1-λ8 μέσω του ενισχυτή. Τοποθετείται ένα οπτικό φίλτρο για την αποκοπή του θορύβου ASE του ενισχυτή από πολύ-κυματικό σήμα, όπως επίσης και απομονωτές εκατέρωθεν του ενισχυτή για αποφυγή ανακλάσεων. Τα σήματα, που αντιπροσωπεύουν ανά δύο τις ροές bit και bit για κάθε κύτταρο μνήμης, κωδικοποιούνται συμπληρωματικά και συγχρονίζονται. 34 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εικόνα 2.2.2: Πολυκυματική πύλη πρόσβασης (WDM AG) Για τη διευκόλυνση του πειραματικού χαρακτηρισμού της συσκευής, χρησιμοποιήθηκαν διατάξεις όπως οπτικές γραμμές καθυστέρησης (Optical Delay Lines ODL), για το συγχρονισμό των σημάτων, μεταβλητοί οπτικοί εξασθενητές (Variable Optical Attenuators VOA), για την ελεγχόμενη εισαγωγή απωλειών στην οπτική ίνα (για έλεγχο της ισχύος), απομονωτές (isolators) πριν και μετά τον SOA, για αποφυγή ανακλάσεων, καθώς και ένα ρυθμιζόμενο ζωνοπερατό φίλτρο (tunable filter), για την αποκοπή του ανεπιθύμητου παραγόμενου θορύβου του SOA (amplified spontaneous emission ASE). Η συγκεκριμένη πύλη ελέγχθηκε πειραματικά, χρησιμοποιώντας τη σχεδίαση που φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, σε λειτουργία ανάγνωσης, αλλά είναι προφανές πως λειτουργεί και αντίστροφα, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται εγγραφή πάνω από τα ίδια μήκη κύματος. Για γραμμή μνήμης αποτελούμενη από 4 κύτταρα [126], η χρήση της παραπάνω WDM πύλης πρόσβασης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (2.2.3): ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 35

36 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 2.2.3: α)υλοποίηση γραμμής οπτικής RAM με την αρχιτεκτονική της ηλεκτρονικής μνήμης, β) χρήση 4-bit WDM-formatted λέξεων για πρόσβαση στις στήλες μίας γραμμής, μέσω του WDM Access Gate που παρουσιάστηκε προηγουμένως Δεδομένου ότι η πύλη πρόσβασης που αναφέρθηκε προσφέρει πρόσβαση στα κελιά μιας γραμμής της οπτικής μνήμης, εάν συνδυαστεί ένας αριθμός τέτοιων πυλών στις εξόδους ενός αποκωδικοποιητή γραμμής, μπορεί να επιτευχθεί επιλογή γραμμής. Ένας αμιγώς οπτικός αποκωδικοποιητής γραμμής 2x4, προτάθηκε και ελέγχθηκε πειραματικά στο [23]. Οι έξοδοι του αποκωδικοποιητή γραμμής επιδρούν ως το σήμα ελέγχου λα στην πύλη, ενεργοποιώντας τη γραμμή για λειτουργίες Read/Write. Συνεπώς απομένει η είσοδος της πύλης, που φέρει το πολύ-κυματικό σήμα από όλα τα κελιά της σειράς, να συνδεθεί με το οπτικό κύκλωμα εγγραφής/ανάγνωσης δεδομένων της μνήμης. Ο συνδυασμός των παραπάνω, θα οδηγούσε, για μια συστοιχία οπτικής μνήμης 4x4, στην αρχιτεκτονική που φαίνεται ενδεικτικά στην παρακάτω εικόνα (2.2.4). Εικόνα 2.2.4: Πρότυπο οπτικής μνήμης 4x4 που υλοποιεί μια συστοιχία κελιών Αξίζει να παρατηρηθεί ότι, με τη χρήση του αποκωδικοποιητή στήλης της εικόνας, ο αριθμός των πυλών πρόσβασης, που χρησιμοποιούνται, μειώνεται σε 4, σε σχέση με τις 32 (δύο για κάθε κελί), που θα χρειάζονταν σε μια σχεδίαση βασισμένη στην κλασσική αρχιτεκτονική της ηλεκτρονικής μνήμης. Δηλαδή, απαιτείται μία πύλη πρόσβασης για την πρόσβαση σε κάθε γραμμή της μνήμης, προσφέροντας απλοποιημένη αρχιτεκτονική και κατανάλωση ισχύος. Στην διαδικασία της εγγραφής, το πολύ-κυματικό σήμα, μέσω του κυκλώματος ανάγνωσης/εγγραφής, μεταφέρει την λέξη 4-bit, μέσω συζευκτών, σε όλες τις πύλες πρόσβασης, και στην συνέχεια ανάλογα με το ποια σειρά επιλεχθεί, το σήμα πρόσβασης λa, λειτουργεί ως σήμα ελέγχου για την συγκεκριμένη πύλη σειράς, επιτρέποντας ροή δεδομένων μέσω του SOA. Κατά αναλογία πραγματοποιείται και η 36 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ ανάγνωση, αφού το περιεχόμενο του κυττάρου μνήμης διαμορφώνεται ξανά στο ίδιο ζεύγος μηκών κύματος, και με αντίστροφη φορά τώρα διανύει το κύκλωμα ανάγνωσης/εγγραφής για ανάκτηση δεδομένων. Με την χρήση ενός κυκλοφορητή μπορεί να πραγματοποιηθεί εισαγωγή και εξαγωγή των λέξεων σε αυτό το κύκλωμα Οπτικά flip-flop Ο στόχος της έρευνας που γίνεται στη φωτονική σε μικροσκοπικό επίπεδο, περικλείεται γύρω από τη δημιουργία ενός κυττάρου οπτικής μνήμης, που θα προσφέρει τις ίδιες λειτουργίες με ένα ηλεκτρονικό κύτταρο, και μάλιστα θα πρέπει να είναι αρκετά πιο αποδοτικό, ώστε να το αντικαταστήσει στα σύγχρονα υπερυπολογιστικά συστήματα (hypercomputers). Κρατώντας την φιλοσοφία των ηλεκτρονικών μιας και η αρχιτεκτονική της οπτικής RAM βασίστηκε σε αυτή της ηλεκτρονικής έγινε από αφαιρετική σκοπιά και η προσέγγιση στα οπτικά κύτταρα μνήμης. Για το λόγο αυτό, η έρευνα, τα τελευταία χρόνια, επικεντρώθηκε γύρω από τον σχεδιασμό οπτικών flipflop, που θα λειτουργούν με την ίδια λογική με τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά. Το μεγαλύτερο κομμάτι της έρευνας αφορά την εύρεση ενός λειτουργικού Set-Reset Flip-Flop (SR-FF). Η λειτουργία ενός SR-FF είναι απλή, με τους παλμούς θέσης (SET) και επαναφοράς (RESET) να αλλάζουν την έξοδο σε 0 και 1, ενώ η κατάσταση πρέπει να παραμένει σταθερή σε περίπτωση απουσίας τέτοιων παλμών. Έχουν προταθεί αρκετές αρχιτεκτονικές για οπτικά flip-flop, κατά την αναζήτηση της χρυσής τομής για απλότητα υλοποίησης και όσον το δυνατόν χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, κάποιες από τις οποίες έχουν ολοκληρωθεί και στο chip πυριτίου που θα εξετάσουμε. Στη συνέχεια, θα γίνει μια σύντομη περιγραφή της λειτουργίας των αρχιτεκτονικών αυτών, ακολουθώντας χρονολογική σειρά. Στο τέλος, παρουσιάζεται και μια πρόσφατη αρχιτεκτονική για υλοποίηση ενός Τ flip-flop Υλοποίηση με 2 MZI σε ρόλο master/slave (2001) Μια από τις πρώτες και πιο βάσιμες αρχιτεκτονικές SR-FF που προτάθηκαν, παρουσιάζεται στην εργασία [75]. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική κάνει χρήση δύο συζευγμένων συμβολόμετρων Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interferometer MZI), με τη συνδεσμολογία που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Το κάθε συμβολόμετρο στεγάζει δύο ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές (Semiconductor Optical Amplifier SOA), έναν σε κάθε κλάδο του. Στο κάθε συμβολόμετρο εισάγεται ένα μήκος κύματος συνεχούς κυματομορφής (Continuous Wavelength CW), που παράγεται από κάποια πηγή φωτός (laser). Η λειτουργία του flip-flop βασίζεται στο ποιο από τα δύο μήκη κύματος που εισάγονται στα δύο συμβολόμετρα είναι κυρίαρχο στο κύκλωμα. Ουσιαστικά, επειδή την κυριαρχία του εκάστοτε συμβολόμετρου την καθορίζει το ποσό ισχύος που δέχεται από το άλλο, η θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας βασίστηκε στις εξόδους Pout1 και Pout2. Αποδείχθηκε ότι το σύστημα μπορεί να ισορροπήσει σε 2 σταθερές καταστάσεις οι οποίες μπορούν να προσφέρουν δισταθή (δύο καταστάσεων) λειτουργία (master-slave). Η λογική κατάσταση του flip-flop μπορεί να αναγνωριστεί με παρατήρηση της εξερχόμενης ισχύος του κάθε ΜΖΙ στις συμπληρωματικές εξόδους Output State 1 και Output State 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 37

38 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 2.2.5: Σύζευξη δύο ΜΖΙ σε ρόλο master/slave Το βασικό φαινόμενο στο οποίο στηρίζεται η λειτουργία του συγκεκριμένου flip-flop είναι η ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM) του εισερχόμενου κύματος CW, που γίνεται στους ενισχυτές, με αποτέλεσμα να αλλάζει η ισχύς εξόδου στα άκρα του MZI συμβολόμετρου. Για να καθοριστεί η λογική κατάσταση του κυκλώματος, πρέπει να εισαχθεί κάποιος ισχυρός παλμός (ένα μήκος κύματος με μεγάλη ισχύ) στα ΜΖΙ, που θα λειτουργεί ως σήμα Set ή Reset. Αν ο παλμός εισαχθεί από την είσοδο Set State 2, τότε το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος του θα οδηγηθεί στο ΜΖΙ 1, λόγω της τοποθέτησης των συζευκτών που μεσολαβούν. Συγκεκριμένα, θα φτάσει τελικά 44% της ισχύος στο SOA 1A, το 8% στο SOA 1B και το υπόλοιπο 48% στον SOA 2B του ΜΖΙ 2. Με τον τρόπο αυτό, το ΜΖΙ 1 έρχεται σε μια κατάσταση κορεσμού, ώσπου τελικά δεν μπορεί να ενισχυθεί το CW που περνά από αυτό και δεν εκπέμπεται φως (εκπέμπεται πολύ μικρό ποσοστό) στην έξοδο Pout1, με αποτέλεσμα να μεταπέσει σε ρόλο σκλάβου (slave). Επίσης, ο SOA 2Β φτάνει σε σημείο κορεσμού, με αποτέλεσμα να προκαλείται αστάθεια στο ΜΖΙ 2 και αρχίζει να εκπέμπει περισσότερο φως. Καθώς τώρα η έξοδος Pout2 είναι ενισχυμένη σε σχέση με την Pout1, το ΜΖΙ 2 γίνεται κυρίαρχο στο κύκλωμα και καταπιέζει το κέρδος στους δύο ενισχυτές του ΜΖΙ 1. Η κυριαρχία του ΜΖΙ 2 σημαίνει πως μεγάλο μέγεθος ισχύος θα εξέρχεται από τη θύρα Output State 2, ενώ ελάχιστη ισχύς από την Output State 1, οπότε και το κύκλωμα βρίσκεται στη λογική κατάσταση «1». Η κατάσταση αυτή θα παραμείνει στο κύκλωμα, ώσπου να εισαχθεί ένας ισχυρός παλμός από την είσοδο Set State 1, οπότε και το κύκλωμα θα μεταβεί στη λογική κατάσταση «0», ακολουθώντας την αντίστροφη διαδικασία. Η σχεδίαση του παρόντος flip-flop, αν και από τις πρώτες που προτάθηκαν χρονολογικά, έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Παρατηρήθηκε ότι ανεξάρτητα με την ανάκτηση των φορέων των ενισχυτών SOA, η ισχύς του φωτός που εξέρχεται από κάθε συμβολόμετρο, είναι κατά προσέγγιση σταθερή. Με την χρήση συγκεκριμένης ισχύος των CW Pbias, και του κέρδους των ενισχυτών, ο χρόνος ανάκτησης των φορέων είναι για όλους τους ενισχυτές πρακτικά ο ίδιος. Η σχέση διαφοράς των διαθέσιμων φορέων μεταξύ των SOAs του ίδιου συμβολόμετρου είναι είτε μηδενική, για το καταπιεσμένο (slave) ΜΖΙ, είτε κάποιας σταθερής τιμής για το κυρίαρχο (master) MZI. Συνεπώς, κατά την ανάκτηση των φορέων, η σταθερή διαφορά του αριθμού των φορέων, και συνεπώς η διαφορά φάσης μεταξύ των δύο κλάδων του ΜΖΙ, παραμένει, κατά 38 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ προσέγγιση, σταθερή. Ως εκ τούτου, μπορούν να εισαχθούν και άλλοι παλμοί για αλλαγή κατάστασης στο flip-flop, χωρίς να απαιτείται πλήρης ανάκτηση των φορέων. Το γεγονός αυτό κάνει τη λειτουργία του flip-flop να μην περιορίζεται από το χρόνο ανάκτησης των ενισχυτών, που σε άλλες αρχιτεκτονικές παίζει σημαντικό ρόλο. Το μοναδικό που θα μπορούσε να επηρεάσει την ισχύ εξόδου, είναι η ταχύτητα αποδιέγερσης των μη γραμμικών φαινομένων Kerr του κυματοδηγού, λόγω της συνδιάδοσης του παλμού ελέγχου (Set State) και της εξόδου του ΜΖΙ, αλλά με την ταχύτητα αποκατάστασης της τάξης των fsec, δεν παίζουν κάποιον ανησυχητικό ρόλο ως φαινόμενο Υλοποίηση με σύζευξη 2 mode-locked ring-lasers (2005) Μια αρχιτεκτονική, που κάνει χρήση lasers δακτυλίου (ring lasers) για την υλοποίηση αμιγώς οπτικού SR flip-flop, προτάθηκε στην εργασία [79]. Γίνεται σύζευξη δύο ring lasers συμμετρικά, όπως φαίνεται παρακάτω, με το χαρακτηριστικό ότι είναι ring lasers (με οπτικό ημιαγώγιμο ενισχυτή ως το ενεργό στοιχείο της κοιλότητας) «κλειδωμένων»-τρόπων. Αυτό σημαίνει πως έχει ρυθμιστεί μια σταθερή σχέση φάσης μεταξύ των τρόπων του laser στην κοιλότητα. Η συμβολή των τρόπων στην κοιλότητα σχηματίζει ένα πρότυπο (pattern) το οποίο δίνει τη δυνατότητα στα συγκεκριμένα lasers να δημιουργούν μια ακολουθία παλμών πολύ μικρής διάρκειας, χωρίς την ανάγκη διαμόρφωσης. Οι παλμοί που παράγονται έχουν διάρκεια 3-4 psec, με συχνότητα επανάληψης τα 10 GHz. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται συνδεσμολογία αφέντη-σκλάβου (master-slave), αφού το ένα laser καταπατάει το lasing (δηλαδή την ενίσχυση μηκών κύματος) του άλλου, λόγω συμμετρικότητας. Συνεπώς η κατάσταση στο flip-flop καθορίζεται από το ποιο μήκος κύματος είναι το κυρίαρχο στο κύκλωμα, καταπατώντας το lasing του δεύτερου (παρόμοια φιλοσοφία με συζευγμένα ΜΖΙ). Η μετάβαση σε διαφορετική λογική κατάσταση επέρχεται με την είσοδο ενός εξωτερικού μήκους κύματος στο κυρίαρχο laser (Set-Reset παλμοί), με σκοπό να εκμεταλλευτεί όλο το κέρδος της κοιλότητας στον SOA και να σταματήσουν οι συνθήκες lasing για το κυρίαρχο μήκος κύματος. Αυτό επιτρέπει στο δεύτερο laser να λειτουργήσει (δηλαδή κάποιο μήκος κύματος μέσα στην κοιλότητα να εκμεταλλευτεί το φαινόμενο lasing) και να γίνει πλέον το κυρίαρχο. Μετά την απομάκρυνση του εξωτερικού παλμού, η κατάσταση παραμένει σταθερή, μέχρι την εισαγωγή κάποιου νέου παλμού από την άλλη θύρα Set/Reset. Εικόνα 2.2.6: a) Δομή mode-locked ring laser b) Υλοποίηση flip-flop με mode-locked ring lasers ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 39

40 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Tην ταχύτητα μεταγωγής του flip-flop επηρεάζουν και τα μήκη των κοιλοτήτων και η απόσταση μεταξύ των lasers, καθώς καθορίζουν την ταχύτητα επίτευξης συνθηκών lasing Υβριδική ολοκλήρωση με 2 SOA-MZI και 2 μεταβολείς φάσης (phase shifters) Στην υλοποίηση αυτή [72], χρησιμοποιείται μία διάταξη με δύο συμβολόμετρα ΜΖΙ, με μερική σύζευξη (μόνο ο κάτω κλάδος τους επικοινωνεί), των οποίων οι κλάδοι έχουν μεταβολείς φάσης (επάνω) και ενισχυτές SOA (κάτω). Ονομάζεται υλοποίηση υβριδικής ολοκλήρωσης, διότι είναι το πρώτο flip-flop το οποίο κατασκευάζεται επάνω σε chip πυριτίου (Silicon on Insulator SOI), με τα ενεργά στοιχεία από InP (τους ενισχυτές SOA) να κατασκευάζονται ως ξεχωριστά στοιχεία σε κομμάτια πυριτίου και να προσκολλώνται με ευθυγράμμιση ανάποδα επάνω στην παθητική πλακέτα πυριτίου, με την διαδικασία flip-chip bonding integration (περισσότερα για την διαδικασία αυτή στο κεφάλαιο 3). Εικόνα 2.2.7: Flip-flop υβριδικής ολοκλήρωσης με 2 SOA-based MZI Στη συνέχεια, θα περιγράψουμε την αρχή λειτουργίας της διάταξης. Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα της αρχιτεκτονικής της συσκευής. Η συσκευή αποτελείται από δύο συζευγμένα ΜΖΙ, τα ΜΖΙ 1 και ΜΖΙ 2. Κάθε ΜΖΙ έχει έναν SOA στον ένα κλάδο του. Μια εξωτερική πηγή laser εκπέμπει ένα συνεχές κύμα (CW) οδεύοντος φωτός (bias light) σε μήκος κύματος λ1, το οποίο τροφοδοτείται στο ΜΖΙ 1. Η έξοδος του ΜΖΙ 1 στέλνεται στο ΜΖΙ 2, το οποίο έχει την ίδια δομή, αλλά διασχίζεται από ένα CW σε διαφορετικό μήκος κύματος, λ2. Το σύστημα έχει δύο πιθανές καταστάσεις. Στην κατάσταση 1, η έξοδος του ΜΖΙ 1 καταστέλλει την έξοδο του ΜΖΙ 2, με αποτέλεσμα το λ1 να κυριαρχεί στην έξοδο, ενώ στην κατάσταση 2 συμβαίνει το αντίστροφο. Αυτή η αλλαγή καταστάσεων επιτυγχάνεται ως εξής: Όταν το CW λ1 εισέρχεται στο ΜΖΙ 1, το διεγείρει ώστε η έξοδός του να πηγαίνει περισσότερο στην κατώτερη έξοδο του συζεύκτη 50/50. Το φως αυτό, έπειτα, εισέρχεται στο ΜΖΙ 2 μέσω του άλλου συζεύκτη 50/50 και επηρεάζει το κέρδος και τη μεταβολή φάσης για το φως που διαδίδεται από μέσα του. Το φως από το ΜΖΙ 1 διαταράσσει τις ιδιότητες του SOA2 με τέτοιο τρόπο ώστε το CW λ2, που διαδίδεται μέσω του συγκεκριμένου ενισχυτή και του αντίστοιχου μεταβολέα φάσης, να οδηγείται περισσότερο προς την άνω έξοδο του συζεύκτη 50/50 του ΜΖΙ 2, λόγω ετεροδιαμόρφωσης φάσης (XPM). Αυτό σημαίνει πως το λ2 δεν εισέρχεται στο ΜΖΙ 1, οπότε δεν επηρεάζει και τις ιδιότητες του SOA1. 40 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Το αποτέλεσμα είναι η έξοδος του ΜΖΙ 1 να καταστέλλει την έξοδο του ΜΖΙ 2. Επειδή το σύστημα είναι συμμετρικό, με παρόμοια διαδικασία μπορεί το ΜΖΙ 2 να καταστείλει την έξοδο του ΜΖΙ 1. Η κατάσταση του συστήματος μπορεί να αλλάξει στέλνοντας έναν οπτικό παλμό (μέσω των θυρών SET/RESET) στο κυρίαρχο ΜΖΙ. Το φως αυτό θα αλλάξει την κατεύθυνση τις εξόδου του ενός ΜΖΙ, ώστε να μην καταστέλλει το άλλο ΜΖΙ, επιτρέποντάς το να γίνει κυρίαρχο. Αποδείχθηκε πειραματικά επιτυχής μετάβαση της λογικής κατάστασης σε χρόνο μικρότερο από 200 psec, με βύθισμα ισχύος 3 db στην ισχύ κάθε εξόδου. Το γεγονός ότι τα μοναδικά ενεργά στοιχεία στην διάταξη είναι οι δύο ενισχυτές, καθιστά το flipflop εύκολα υλοποιήσιμο με μικρό μέγεθος και κατανάλωση, δίνοντας τη δυνατότητα για εμπορική ολοκλήρωση. Η φιλοσοφία του συγκεκριμένου flip-flop και η τεχνολογία κατασκευής του, έθεσαν τα θεμέλια για την μετέπειτα υλοποίηση παρόμοιων αμιγώς οπτικών flip-flop στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού προγράμματος RAMPLAS, τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω ως θέμα της παρούσας διπλωματικής Υλοποίηση με laser κατανεμημένης ανάδρασης (DFB laser) (2007) Στο ίδιο πλαίσιο, προτάθηκε η χρήση laser κατανεμημένης ανάδρασης, αποφεύγοντας την χρήση συμβολομετρικών διατάξεων [78]. Το DFB laser είναι ένας τύπος laser που η ενεργός περιοχή του ενσωματώνει ένα φράγμα Bragg. Συνεπώς, δεν υπάρχει η κοιλότητα που σχηματίζεται από δύο ανακλαστικές επιφάνειες, όπως στα συμβατικά laser, άλλα μια κοιλότητα με περιοδικές κοιλίες και ανυψώματα. Εικόνα Η δομή του laser κατανεμημένης ανάδρασης Το φράγμα Bragg λειτουργεί ως ταλαντωτής και σε συνδυασμό με μια, τουλάχιστον, από τις ανακλαστικές επιφάνειες του κυματοδηγού, επιτρέπει την ενίσχυση συγκεκριμένων συχνοτήτων, οι οποίες καθορίζονται από χαρακτηριστικά του φράγματος. Περισσότερο υλικό για τη λειτουργία των DFB lasers μπορεί να βρεθεί στο [128]. Για τη λειτουργία του DFB laser ως αποθηκευτικό στοιχείο, η έρευνα βασίστηκε στο γεγονός πως τα συγκεκριμένα laser αποκτούν δισταθή χαρακτήρα όταν εισαχθεί ένα CW σήμα. Βάση αυτού, και παρατηρώντας ότι για συνθήκες lasing η κατανομή των φορέων κατά μήκος του κυματοδηγού είναι ομοιόμορφη, ενώ με την εισαγωγή εξωτερικού παλμού η κατανομή διαταράσσεται, υπάρχουν δύο καταστάσεις, είτε ενίσχυσης του εξωτερικού μήκους κύματος, είτε συνθήκες lasing. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 41

42 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Πιο συγκεκριμένα, λόγω φαινομένων μη-γραμμικότητας, όταν ένα μήκος κύματος εκπέμπεται σε ένα μέσο με διαθέσιμους φορείς, που μπορεί να τους εκμεταλλευτεί για εκπομπή lasing ή ενίσχυση (π.χ. σε έναν SOA), η εκμετάλλευση των φορέων κατά τον διαμήκη άξονα δεν είναι ομοιόμορφη. Γρήγορα οδηγεί σε αφανισμό των φορέων, στα σημεία των μεγίστων, προκαλώντας ένα φαινόμενο, γνωστό ως spatial hole burning [90], λόγω του σχηματισμού περιοχών με κορεσμένο το διαθέσιμο κέρδος. Κατά παρόμοιο τρόπο, συμβαίνει το ίδιο και με τη συμβολή των κυμάτων σε μια κοιλότητα, όπως αυτή του DFB laser. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ότι μπορεί να οδηγήσει μέχρι και σε ολοκληρωτική απόσβεση του lasing στην κοιλότητα, αφού ένα εξωτερικό CW μπορεί να εκμεταλλευτεί τους φορείς ανά διαστήματα και να διαταράξει την ισορροπία των συνθηκών lasing. Έτσι, λοιπόν, με την εισαγωγή παλμών από το CW στο DFB laser, το σύστημα θα ισορροπήσει σε δύο διαφορετικές καταστάσεις, όπου είτε το λlasing θα ενισχύεται στην κοιλότητα, είτε το λcw καταπατώντας εντελώς το lasing. Η λογική κατάσταση ανιχνεύεται βάση του μήκους κύματος που εξέρχεται εν τέλει με μεγάλη ισχύ. Εικόνα 2.2.9: Το DFB laser σε ρόλο flip-flop Σημαντικό είναι, το μήκος κύματος του CW που εισέρχεται στην κοιλότητα, να είναι φασματικά τουλάχιστον 1 nm μακριά από το λlasing, με σκοπό να μην αλληλοεπιδρά με το φράγμα Bragg. Για λόγους ομοιομορφίας, οι παλμοί Set και Reset, εισάγονται στην κοιλότητα εκατέρωθεν. Στην πειραματική διάταξη που έλαβε χώρα, χρησιμοποιήθηκαν παλμοί Gauss διάρκειας 200 psec και ισχύος 500 fj, επιτυγχάνοντας βύθισμα ισχύος στο εξερχόμενο λlasing 35 db σε ταχύτητα 1.5 GHz Άλλες υλοποιήσεις με χρήση πηγών laser για αποθήκευση δεδομένων Εκτός από την παραπάνω υλοποίηση με DFB laser, έχουν προταθεί και άλλες αρχιτεκτονικές με χρήση πηγών laser, που αξίζουν αναφοράς. Στην αρχιτεκτονική που παρουσιάζεται στο [71], ήταν η πρώτη φορά που υλοποιήθηκε αμιγώς οπτικό flip-flop ολοκληρωμένο σε SOI (Silicon on Insulator). Προτάθηκε η χρήση ενός Ring Laser ημιαγωγού, το οποίο διευκόλυνε την ολοκλήρωση, και είχε μικρή κατανάλωση ισχύος. 42 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εικόνα : Το SRL flip-flop αποτελούμενο από 1 SRL και 4 SOAs Στο ίδιο σκεπτικό, ένα InP laser μικροδίσκου (microdisk laser) με διάμετρο 7.5 μm, ολοκληρωμένο πάνω σε κυματοδηγό SOI, παρουσιάστηκε το 2010 [73] ως αμιγώς οπτικό flip-flop, με λειτουργία με συνεχές κύμα και με κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος αρκετών mw. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στην εναλλαγή κατάστασης ανάλογα με την κυριαρχία δύο ειδών σημάτων μέσα στο ring laser, με φορά ρολογιού (Clockwise) ή με αντίθετη φορά ρολογιού (Counter-Clockwise). Επιτεύχθηκε λειτουργία μεταγωγής λογικής κατάστασης σε 60 psec με παλμούς ενέργειας 1.8 fj. Εικόνα : α) Το microdisk-laser flip-flop, β)microdisk laser & WGM pattern Και στις δύο παραπάνω υλοποιήσεις, η λογική αποθήκευση βασίζεται στην φορά διάδοσης των τρόπων του λlasing, δηλαδή ωρολογιακά ή ανθωρολογιακά. Για να τροποποιήσουμε την λογική κατάσταση του Flip-Flop, πρέπει να εισάγουμε ένα από τα ισχυρά σήματα ελέγχου, λset ή λreset, στις δύο εισόδους αντίστοιχα. Ανάλογα με το σήμα που εισάγεται (set ή reset) διεγείρονται και οι αντίστοιχοι τρόποι του lasing, και η κοιλότητα μένει σε αυτήν την κατάσταση, δίνοντας υψηλής ισχύος έξοδο lasing προς την έξοδο bit, και χαμηλής στην bit, ή το αντίστροφο. Για να αλλάξει η κατάσταση θα πρέπει να εισαχθεί το άλλο σήμα ελέγχου και να διεγερθούν οι τρόποι αντίθετης φοράς. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 43

44 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Τα VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) έχουν επίσης προταθεί για οπτική αποθήκευση [81], επιτυγχάνοντας ταχύτητες μέχρι 500 Mb/s, χρησιμοποιώντας τέσσερα μετασταθή (bistable) VCSELs και βασισμένα στις ίδιες βασικές αρχές. Συγκεκριμένα, όταν ένας παλμός με πολικότητα 0 εισέρχεται στο VCSEL, η πολικότητα του laser αλλάζει από 90 σε 0. Η πολικότητα αυτή διατηρείται ωσότου να εισαχθεί ένας Reset παλμός, ο οποίος επαναφέρει την πολικότητα από 0 σε 90. Αν εισαχθεί ένας νέος παλμός, οποίος έχει την ίδια πολικότητα με την τρέχουσα πολικότητα του laser, τότε η λειτουργία του παραμένει αναλλοίωτη. Εικόνα : α) Η λειτουργία του VCSEL ως Flip-Flop, b) Η αρχιτεκτονική κατασκευής ενός VCSEL Υλοποίηση με 2 συζευγμένους SOA-XGM διακόπτες (2012) Στην αρχιτεκτονική αυτή [61], προτάθηκε η χρήση οπτικών ενισχυτών SOA ως διακόπτες, με την πειραματική υλοποίηση που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Η λειτουργία των διακοπτών βασίζεται στην ετεροδιαμόρφωση κέρδους (XGM), σύμφωνα με την οποία, τα ισχυρά σήματα θέσης/επαναφοράς (Set/Reset) είναι ικανά να απορροφήσουν όλο το κέρδος του ενισχυτή, οδηγώντας τον σε κατάσταση κορεσμού, με αποτέλεσμα να μην επιτρέπουν στα αδιαμόρφωτα συνεχή κύματα (CW) να εκμεταλλευτούν την ενίσχυση και να αποκόπτεται η πορεία τους. Αυτό δίνει τη δυνατότητα λογικής αποθήκευσης, η οποία καθορίζεται από το CW το οποίο είναι κυρίαρχο στο κύκλωμα κάθε στιγμή. Εικόνα : Σύζευξη 2 SOA για λειτουργία ως XGM διακοπτών Βάση σύμβασης, θεωρείται η λογική κατάσταση 0, όταν το λ1 είναι κυρίαρχο, ενώ λογική κατάσταση 1 στην περίπτωση που κυριαρχεί το λ2. Αρχικά εκπέμπονται τα λ1 και λ2 στους SOA 1 και SOA 2 αντίστοιχα, γεγονός που δίνει στιγμιαία μη αποδεκτή κατάσταση στο κύκλωμα, αφού τα δύο μήκη κύματος εξέρχονται ταυτόχρονα από το κύκλωμα. Με τον πρώτο παλμό του ισχυρού λ1 στη θύρα Set, θα κορεστεί το κέρδος του SOA 1, λόγω XGM, και θα καταπατηθεί το λ1, που εισερχόταν ως ασθενές CW 44 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ από την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό δίνει περιθώριο στον SOA 2 να ενισχύσει το λ2, αφού πλέον το λ1 δεν εισέρχεται σε αυτόν, ώστε να καταναλώνει τους ενεργούς φορείς του. Με τον τρόπο αυτό, ο SOA 2 μεταβαίνει σε ρόλο «αφέντη» (master), ενώ ο SOA 1 σε ρόλο «σκλάβου» (slave). Αυτό συμβαίνει, διότι το λ2 είναι πλέον αρκετά ισχυρό ώστε να καταναλώνει το κέρδος στον SOA 1 και να καταστέλλει το λ1, εφόσον οι δύο SOA επικοινωνούν μέσω ενός συζεύκτη 70/30. Το αποτέλεσμα είναι η αλλαγή κατάστασης σε «1», μέχρι την είσοδο ενός παλμού Reset στο κύκλωμα, που θα δώσει το έναυσμα για την αντίστροφη διαδικασία και την κυριαρχία του SOA 1, με αποτέλεσμα λογική κατάσταση «0». Συνεχείς παλμοί από την ίδια είσοδο Set/Reset δεν αλλάζουν την κατάσταση περαιτέρω. Οι κύριοι παράγοντες, που επηρεάζουν την ταχύτητα μεταγωγής κατάστασης στη συγκεκριμένη διάταξη, είναι το μήκος της ενδιάμεσης σύζευξης και η ταχύτητα πραγματοποίησης του φαινομένου XGM, δηλαδή η ταχύτητα επαναφοράς του κέρδους (των φορέων) του κάθε SOA. Σε προσομοίωση η λειτουργία flip-flop ήταν επιτυχείς για ταχύτητα 10 Gb/s. Το κύκλωμα αυτό είναι μία από τις βασικές διατάξεις που χρησιμοποιούνται στο chip πυριτίου, το οποίο εξετάζουμε στην παρούσα διπλωματική Υλοποίηση με 3 SOAs για επίτευξη κυττάρου μνήμης τυχαία προσπέλασης (random access memory cell) (2012) Μετά τα επιτυχή αποτελέσματα της προηγούμενης πειραματικής εργασίας που παρουσιάσαμε, ακολουθήθηκε η ίδια φιλοσοφία επικράτησης ενός εκ των δύο μηκών κύματος στο flip-flop, για τον καθορισμό της λογικής κατάστασης, και προτάθηκε μια διάταξη αμιγώς οπτικού flip-flop 2 ενισχυτών SOA, σε συνδυασμό με έναν τρίτο, ο οποίος λειτουργεί ως πύλη πρόσβασης, αποκόπτοντας το κύκλωμα από εξωτερικές διατάξεις και επιτρέποντας ή μη την πρόσβαση για λειτουργία Ανάγνωσης/Εγγραφής (Read/Write)[65]. Εικόνα : a) Flip-Flop με 2 SOAs και έναν τρίτο ως AG, b) Πειραματική διάταξη για εγγραφή στο κύτταρο Η λειτουργία του flip-flop με τους 2 συζευγμένους ενισχυτές είναι η ίδια, όπως την περιγράψαμε προηγουμένως. Η προσθήκη του τρίτου ενισχυτή ως πύλη πρόσβασης, δίνει τη δυνατότητα για ανάγνωση και αλλαγή της κατάστασης του flip-flop, μόνο κατά επιλογή, ανεξάρτητα αν στο κύκλωμα στέλνονται συνεχώς παλμοί ελέγχου Set/Reset. Η είσοδος και η έξοδος από το κύκλωμα γίνεται μέσω μιας πολυκυματικής πύλης πρόσβασης, υλοποιημένης με ένα Arrayed Waveguide Grating (AWG) και τον τρίτο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 45

46 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ SOA. Ένα μήκος κύματος λc λειτουργεί ως σήμα πρόσβασης (access signal), που ανοιγοκλείνει την πύλη. Αυτό σημαίνει πως, για λογική τιμή 1 της πύλης (δηλαδή απουσία του λc) μπορεί να επιτευχθεί πρόσβαση στο κύτταρο, ενώ διαφορετικά, το κύτταρο διατηρεί την λογική του κατάσταση αποκομμένο από την υπόλοιπη μνήμη. Ο λόγος που η παρουσία του λc δεν επιτρέπει την έλευση σημάτων μέσω της πύλης, είναι η ετεροδιαμόρφωση κέρδους που προκαλεί στον SOA3. Χρησιμοποιήθηκαν δύο διαμορφωτές, ένας για την παραγωγή των δύο ρευμάτων δεδομένων bit και bit, και ο δεύτερος για τη διαμόρφωση του σήματος ελέγχου λc. Η πειραματική διάταξη απέδειξε την αρχή λειτουργίας του, τυπικά στα 8 Mb/s, με επαρκές λόγο απόσβεσης (extinction ratio) 8 db, και πολύ μικρή κυμάτωση στη λογική στάθμη του 1 (<2 db), τη στιγμή που ο λόγος απόσβεσης της ηλεκτρονικής προσέγγισης είναι 3 db Υλοποίηση T flip-flop με MZI βασισμένα σε SOA και βρόγχο ανάδρασης (feedback loop) (2012) Μια από τις τελευταίες αρχιτεκτονικές που προτάθηκαν, ήταν αυτή της υλοποίησης αμιγώς οπτικού Τ flip-flop (toggling flip-flop) [83]. Ένα Τ flip-flop είναι ένα JK flipflop του οποίου οι σύγχρονες είσοδοι Set/Reset έχουν ενωθεί σε μία και, ουσιαστικά, χρειάζεται μόνο ένας παλμός, ώστε να αντιστρέψει την λογική του κατάσταση. Το οπτικό T flip-flop σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας ένα προηγούμενο SR flip-flop, στο οποίο προστέθηκε κυματοδηγός, που τροφοδοτεί την έξοδο ξανά στο συμβολόμετρο Μach-Zehnder. Να σημειωθεί ότι τα T flip-flop είναι χρονισμένα με το ρολόι και τη στιγμή του χτύπου του ρολογιού του συστήματος, ανάλογα με την παρουσία παλμού ή όχι, τροποποιείται ανάλογα ή κατάσταση του κυκλώματος. Πιο συγκεκριμένα, κατά την έλλειψη παλμού (Τ=0), η επόμενη λογική κατάσταση είναι ίδια με την προηγούμενη, ενώ με την παρουσία παλμού (Τ=1), η λογική κατάσταση του flip-flop αντιστρέφεται (δηλαδή η επόμενη κατάσταση είναι η συμπληρωματική της προηγούμενης). Στην υλοποίηση του ηλεκτρονικού T flip-flop, οι συμπληρωματικές έξοδοι ανατροφοδοτούνται στις πύλες του flip-flop, γεγονός στο οποίο βασίζεται η διατήρηση της κατάστασης. Για τον λόγο αυτό, στο σχεδιασμό του αμιγώς οπτικού T flip-flop, τοποθετήθηκε ένα βρόγχος ανατροφοδότησης (feedback loop). Εικόνα : υλοποίηση του οπτικού ΑΟ-TFF και του πίνακα αληθείας των TFF ενδεικτικά Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχεδιάγραμμα, στη θύρα C του συμβολόμετρου διοχετεύεται ένα συνεχές κύμα CW, σε μήκος κύματος λ1, το οποίο μέσω του συζεύκτη 50/50 μοιράζεται ισόποσα στους δύο κλάδους του ΜΖΙ, ενώ στη συνέχεια συμβάλει στη θύρα F, που είναι η θύρα μη μεταγωγής (Unswitched) του συμβολόμετρου, 46 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ αφήνοντας το βρόγχο άδειο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, στην θύρα μεταγωγής (Switched) αναγνωρίζεται ως λογική κατάσταση του flip-flop η κατάσταση «0». Με την εισαγωγή παλμού από τη θύρα Α του συμβολόμετρου, διαταράσσεται η ισορροπία της διάταξης, αναγκάζοντας πλέον το σήμα να συμβάλει στη θύρα μεταγωγής G, να εισέλθει στο βρόγχο, να δώσει ως έξοδο του κυκλώματος την λογική κατάσταση «1» και παράλληλα να επιστρέψει στη διάταξη. Η ανατροφοδότηση του λ1 στη διάταξη, και συγκεκριμένα στον κάτω SOA, θα διατηρήσει την κατάσταση που εγκαθιδρύθηκε, με το σήμα να βγαίνει μονότονα στη θύρα μεταγωγής. Με την εισαγωγή καινούριου παλμού στη θύρα Α, δεδομένου ότι πλέον οι SOAs της διάταξης δέχονται παλμούς εκατέρωθεν ταυτόχρονα, το ΜΖΙ θα εκτελέσει λειτουργία XOR, οδηγώντας τη μεταγωγή του λ1 ξανά στη θύρα F. Παρατηρείται ότι, ανάλογα με την κυκλοφορία ή όχι του λ1 στο βρόγχο, εγκαθίσταται αντίστοιχα και η καινούρια κατάσταση, όταν θα φτάσει παλμός «χρονισμού» Τα στην θύρα Α. Έχει επιτευχθεί έτσι λειτουργία Τ flip-flop. Το φαινόμενο που κυριαρχεί στο συγκεκριμένο συμβολόμετρο και αλλάζει της συνθήκες συμβολής του, είναι η ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM). Πρέπει να σημειωθεί ότι, αυτό που παίζει σημαντικό ρόλο στην ταχύτητα της διάταξης, είναι το μήκος του βρόγχου, ο οποίος, σε πειραματικό στάδιο, υλοποιήθηκε με μήκη 50m, 37.5m και 25m, αυξάνοντας την ταχύτητα λειτουργίας του flip-flop από 4 Mb/s, σε 6 και 8 αντίστοιχα. Δεδομένης της μείωσης του μεγέθους του, λόγω μελλοντικής ολοκλήρωσης, η ταχύτητα ενός τέτοιου flip-flop υπολογίζεται να ξεπεράσει τα 10 Gb/s. 2.3 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Στο κομμάτι αυτό της πτυχιακής, παρουσιάζονται τα φυσικά φαινόμενα (μη γραμμικά φαινόμενα), πάνω στα οποία βασίστηκε ο σχεδιασμός και η λειτουργία των συμβολόμετρων Mach-Zehnder. Παρουσιάζονται με τη σειρά: η λειτουργία των συμβολόμετρων Mach-Zehnder, οι ημιαγώγιμοι οπτικοί ενισχυτές (SOA) και, τέλος, φαινόμενα μετατροπής μήκους κύματος (Wavelength Conversion WC), όπως η ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM), η ετεροδιαμόρφωση κέρδους (XGM), στους SOA, και η μεταβολή φάσης του οπτικού σήματος Συμβολόμετρο Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interferometer) Η χρήση συμβολόμετρων στα πειράματα οπτικής, και συγκεκριμένα σε επικοινωνιακές διατάξεις, δεν είναι καινούριο φαινόμενο. Έχουν προταθεί πολλών τύπων συμβολόμετρα, τα οποία μπορούν να διαχωριστούν, βάση της διάσπασης που επιφέρουν στις συνιστώσες του οπτικού σήματος, που δέχονται στην είσοδό τους. Συνεπώς, μπορούμε να έχουμε είτε πολωτικό διαχωρισμό των συνιστωσών, είτε χωρικό. Στην πρώτη περίπτωση χρησιμοποιούνται συμβολόμετρα, τα οποία αποτελούνται από διπλοθλαστικά υλικά, ώστε να επιτευχθεί διαχωρισμός των πολωτικών συνιστωσών. Στην περίπτωση του χωρικού διαχωρισμού, το σήμα χωρίζεται σε δύο συνιστώσες (με χρήση ανακλαστήρα ή συζεύκτη), οι οποίες ακολουθούν διαφορετικό οπτικό μέσο η κάθε μία, και στην συνέχεια συμβάλλουν στο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 47

48 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ ίδιο (ενώνονται ξανά με χρήση ανακλαστήρα ή συζεύκτη). Στην κατηγορία αυτή εντάσσονται και τα Mach-Zehnder συμβολόμετρα. Η κατασκευή τους μπορεί να γίνει είτε με ανακλαστήρες, είτε με συζεύκτες, ανάλογα με το ποια θα είναι η χρήση τους, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Στις τηλεπικοινωνιακές διατάξεις, χρησιμοποιούνται ΜΖΙ με οπτικές ίνες και συζεύκτες, και όταν πρόκειται για ολοκληρωμένα κυκλώματα, με κυματοδηγούς πυριτίου επάνω στο chip. Στην δεύτερη περίπτωση εντάσσονται και τα MZI που χρησιμοποιούνται στις διατάξεις της παρούσας διπλωματικής. Εικόνα 2.3.1: α) MZI με χρήση ανακλαστήρων και διαχωριστών, β) MZI ινών-couplers και Integrated- MZI Ένα MZI αποτελείται από δύο συζεύκτες και δύο κλάδους. Σε ένα MZI, το οποίο δεν περιέχει στους κλάδους του κάποιο πρόσθετο μη-γραμμικό μέσο, ο εισερχόμενος παλμός θα διαχωρίζεται στο άνω και κάτω άκρο του συμβολόμετρου, θα διασχίζει τις ισομήκεις διαδρομές και θα συμβάλει ξανά στον δεύτερο συζεύκτη, εξερχόμενο από την θύρα μη-μεταγωγής (Un-switching port). Με την πρόσθεση ενός ελεγχόμενου μέσου μεταβολής της φάσης στον έναν κλάδο του συμβολόμετρου, μπορεί να επιτευχθεί τροποποίηση του δείκτη διάθλασης του μέσου και το διερχόμενο κύμα να αποκτήσει την επιθυμητή διαφορά φάσης, σε σχέση με το αντίστοιχο του κάτω κλάδου. Είναι λογικό ότι, ανάλογα με την διαφορά φάσης, θα συμβαίνει από προσθετική μέχρι και αναιρετική συμβολή. Η λειτουργία του βασίζεται στους συζεύκτες, και συγκεκριμένα στην θεωρία των διαφυγόντων πεδίων, στο σημείο που έρχονται σε επαφή οι δύο κυματοδηγοί, και στην μεταβολή της φάσης. Στην περίπτωση που οι συζεύκτες είναι 50/50 (3dB couplers), όταν ένας παλμός εισέρχεται από την θύρα 1 του συζεύκτη, θα χωριστεί σε δύο παλμούς, ίσους σε ισχύ, στις θύρες 3 και 4, δηλαδή στους 2 κλάδους του MZI, οι οποίοι θα αποκτήσουν και μια διαφορά φάσης. Αυτός που θα εισέλθει στην χιαστί διαδρομή (cross) θα αποκτήσει φάση π σε σχέση με αυτόν που θα εισέλθει στην παράλληλη (bar). 2 Αυτή η φάση θα αναιρεθεί, όταν οι δύο παλμοί συμβάλλουν στον δεύτερο συζεύκτη, εφόσον αυτός που αρχικά δεν πήρε διαφορά φάσης, στον δεύτερο συζεύκτη θα αποκτήσει και αυτός π 2, με αποτέλεσμα τον συγχρονισμό των δύο συνιστωσών και εν τέλει την ενισχυτική συμβολή των δύο στην θύρα μη-μεταγωγής του MZI. 48 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εικόνα 2.3.2: Δομή και λειτουργία ενός MZI Για να επιτευχθεί έξοδος των δύο συνιστωσών στην θύρα μεταγωγής του MZI, απαιτείται μεταβολή της φάσης της μίας συνιστώσας, στον κλάδο που διατρέχει. Ουσιαστικά, αυτό μπορεί να γίνει με την μεταβολή του οπτικού δρόμου του μήκους κύματος της συνιστώσας, και μπορεί να επιτευχθεί με αλλαγή του δείκτη διάθλασης του υλικού (θερμικά). Καθώς όμως το φαινόμενο της αλλαγής του δείκτη διάθλασης δεν επιτυγχάνει μεγάλες ταχύτητες, λόγω αργής θερμικής επαναφοράς των υλικών, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε μεταγωγές υψηλών ταχυτήτων, με αποτέλεσμα να προτιμώνται διαφορετικές λύσεις σε συνδυασμό με τα MZI. Για το MZI που παρουσιάστηκε, θεωρούμε ότι αποτελεί ένα σύστημα, και η είσοδος του θα είναι της μορφής μιγαδικών εκθετικών e jωt, για να γίνει η ανάλυση της συνάρτησης μεταφοράς. Σύμφωνα με την αρίθμηση των εισόδων/εξόδων των συζευκτών στο σχήμα: Η είσοδός του στην θύρα 1, έχει την εξής εξίσωση για το ηλεκτρικό πεδίο: E in = E in e jωt p, όπου E in το πλάτος του ηλεκτρικού πεδίου, και p το διάνυσμα κατά το οποίο είναι πολωμένο. Κατά την έξοδό του από τον πρώτο συζεύκτη, δεδομένου ότι ο συζεύκτης είναι 50/50, η κάθε συνιστώσα έχει το μισό της ισχύος του αρχικού σήματος. Επίσης γνωρίζουμε ότι η συνιστώσα που έχει εξέλθει χιαστί (cross) από τον συζεύκτη, αποκτάει διαφορά φάσης π, με αποτέλεσμα οι συνιστώσες να έχουν πλέον ώς εξής: 2 E 1 = (E in e jωt p ) 1 2 E 2 = (E in e jωt p ) 1 { 2 e jπ 2 Ως E 1 θεωρείται αυτή της θύρας 3, και ως E 2 αυτή της θύρας 4. Μετά από την μετάδοση της κάθε μιας συνιστώσας, κατά το μήκος L και L+ΔL, του κάτω και του επάνω κλάδου αντίστοιχα, θεωρείται ότι η συνιστώσα που διένυσε το μήκος L, απέκτησε φάση e jβl, όπου β η σταθερά μετάδοσης του μήκους κύματος, και αντίστοιχα αυτή που διένυσε το L+ΔL, φάση e jβ(l+δl). Συνεπώς, θεωρώντας μηδενικές απώλειες κατά την διάδοση στους κλάδους του MZI, το ηλεκτρικό πεδίο της κάθε συνιστώσας καταλήγει να έχει την εξής μορφή, στις εισόδους 5 και 6 του δεύτερου συζεύκτη: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 49

50 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ E 1 = (E in e jωt p 1 2 ) e jβ(l+δl) { E 2 = (E in e jωt p 1 2 e jπ 2) e jβl Τα δύο αυτά σήματα, συμβάλουν στον δεύτερο 3dB συζεύκτη. Δεδομένου ότι η χιαστί μετάβαση εισάγει διαφορά φάση π, ενώ η παράλληλη όχι, οι συνισταμένες των δύο 2 κυμάτων, σε κάθε μια από τις εξόδους 7 (Switching Port, S) και 8 (Unswitching Port, U), θα είναι οι εξής: E S = 1 2 (E 1 + E 2 e jπ 2 ) = 1 2 [(E ine jωt p 1 2 e jβ(l+δl) ) + (E in e jωt p 1 2 e jπ 2 e jβl )e jπ 2)] { E U = 1 2 (E 1 e jπ 2 + E 2 ) = 1 2 [(E ine jωt p 1 2 e jβ(l+δl) e jπ 2) + (E in e jωt p 1 2 e jπ 2 e jβl )] E S = ( 1 = { 2 (1 + e jβl ) 1)E in e jβl e jωt p E U = ( 1 2 (1 + e jβl ))E in e jπ 2e jβl e jωt p Αντίστοιχα, οι συναρτήσεις μεταφοράς ισχύος, για πλήρη ισχύ, σε μία από τις δύο εισόδους, δίνονται από την διαφορά ισχύος εξόδου προς την είσοδο, δηλαδή των E S και E U ως προς την ισχύ εισόδου E in. H S = E 2 S = (1 2 (1 + e jβl ) 1)E in e jβl e jωt p E in E in e jωt p H U = E 2 U = (1 2 (1 + e jβl ))E in e j π 2e jβl e jωt p E { in E in e jωt p 1 cos 2 (πf n = { c ΔL) = sin2 (πf n c ΔL) cos 2 (πf n c ΔL) = cos2 (πf n c ΔL) 2 2 = ( 1 2 (1 + e jβl ) 1) e jβl = = ( 1 2 (1 + e jβl )) e jπ 2e jβl = Δεδομένου ότι β = ω n, και αντίστοιχα ω = 2πf, με αντικατάσταση στις συναρτήσεις c μεταφοράς, προκύπτει για τις 2 εξόδους του συμβολόμετρου: H S = sin 2 (πf n ΔL) = c sin 2 (2βΔL), και αντίστοιχα H U = cos 2 (πf n c ΔL) = cos2 (2βΔL). Αυτό δείχνει ξεκάθαρα ότι η μεγιστοποίηση της ισχύος, σε κάθε μια από τις εξόδους του συμβολόμετρου, και προφανώς της μεταγωγής ή όχι, επηρεάζεται άμεσα από τον οπτικό δρόμο, που θα ακολουθήσει το σήμα στην διαδρομή του, δηλαδή το γινόμενο βδl, πράγμα που επιτυγχάνεται με την εισαγωγή στον έναν κλάδο του MZI του μη γραμμικού μέσου, που περιεγράφηκε προηγουμένως. 50 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Ημιαγώγιμος Οπτικός Ενισχυτής (Semiconductor Optical Amplifier SOA) Οι ημιαγώγιμοι οπτικοί ενισχυτές ερευνήθηκαν, για πρώτη φορά, την δεκαετία του 1960, μαζί με την ανακάλυψη των laser ημιαγωγού. Αρχικά, εφόσον μιμούνταν την λειτουργία των laser ημιαγωγών, κατασκευάζονταν από ομογενή συνένωση επαφών του ιδίου υλικού (GaAs, αρσενίδιο του γαλλίου), και με στρώματα αντιανακλαστικότητας (antireflection,ar) ασύμμετρα στις άκρες του κυματοδηγού, οδηγώντας σε φαινόμενα lasing. Στην συνέχεια, με την κατασκευή συσκευών διπλής ανομοιογενούς συνένωσης (με στρώματα από επαφές n-p-n ή p-n-p, δημιουργώντας την ενεργό περιοχή στο κέντρο και τα υποστρώματα εκατέρωθεν), αναζωπυρώθηκε το ενδιαφέρον για την έρευνα των SOAs, και κατασκευάστηκαν ενισχυτές αποτελούμενοι από ημιαγωγούς III-V (δηλαδή ενώσεις μεταξύ των στοιχείων από την 3 η και 5 η ομάδα του περιοδικού πίνακα), όπως AlGaAs (αλουμινούχο αρσενίδιο του γαλλίου), για την περιοχή των 830nm, και InP/InGaAsP (φωσφίδιο του ινδίου/συνδυασμός αρσενίου, γαλλίου, φώσφορου και ινδίου), για την περιοχή των και nm. Ταυτόχρονα, με την εξέλιξη στην κατασκευή και στην ακριβέστερη τοποθέτηση AR στρωμάτων, επιτεύχθηκαν οι πρώτοι ενισχυτές SOA οδεύοντος φωτός (travelling wave), πετυχαίνοντας έτσι συμμετρικότητα και λειτουργία αμφίδρομα. Τα τελευταία χρόνια, με τις εξελίξεις στην τεχνολογία των ημιαγωγών, έχει επιτευχθεί μεγαλύτερη ποιότητα και ακρίβεια στην κατασκευή των στοιχείων που αποτελούν τους SOAs, μειώνοντας το κόστος κατασκευής. Το κέρδος των ενισχυτών SOA δεν ξεπερνάει τα 30dB, με αντίστοιχες εσωτερικές απώλειες της τάξης των 6-10dB. Ο θόρυβος της αυθόρμητης εκπομπής των SOAs είναι υψηλότερος σε σχέση με άλλους τύπους ενισχυτών (5-20dB), και παρουσιάζονται ισχυρές μη-γραμμικότητες. Επίσης, η ενίσχυση εξαρτάται σημαντικά από την πόλωση (polarization dependent gain, PDG). Ωστόσο, δεδομένου ότι η ενίσχυση γίνεται με την ροή ηλεκτρικού ρεύματος, υπάρχει η δυνατότητα ολοκλήρωσης, λόγω του μικρού μεγέθους τους (<1mm), και, σε συνδυασμό με τις δυνατότητες για μετατροπή μήκους κύματος και της υψηλές ταχύτητες μεταγωγής, κρίνονται ως οι πλέον ιδανικοί για ολοκληρωμένες φωτονικές διατάξεις και για συστήματα επεξεργασίας οπτικού σήματος. Σημειώνεται ότι με χρήση SOΑ-based MZIs, έχει επιτευχθεί επίσης και αναγέννηση με ενίσχυση (re-amplify), επανασυγχρονισμό (re-timing) και αναδιαμόρφωση του σχήματος των παλμών (reshaping), γνωστή ως 3R αναγέννηση, με εκρηκτική ροή λήψης (burst-mode reception) στα 40Gb/s στο [88], επιδεικνύοντας τις δυνατότητες χρήσης των SOA στις περισσότερες των επικοινωνιακών αναγκών. Ένας SOA μπορεί να χρησιμοποιηθεί σχεδόν σε κάθε λειτουργία ενίσχυσης. Κάποιες από τις εφαρμογές του περιλαμβάνουν τη χρήση του ως ενισχυτή ισχύος (power booster), αμέσως μετά από συστήματα, τα οποία εκπέμπουν ασθενές σήμα (πχ ένα tunable laser), ως ενισχυτή γραμμής (in-line amp), σε τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις, καθώς και ως προ-ενισχυτή (preamp), πριν από μια φωτοδίοδο, για αύξηση της ισχύος στο ασθενές σήμα εισόδου. Εκτός αυτών, υπάρχει μια πληθώρα εφαρμογών των SOAs, συνδυασμένων σε διατάξεις, όπως διαμόρφωση πλάτους και φάσης, μετατροπή μήκους κύματος, οπτική μεταγωγή, λειτουργία ως λογική πύλη, πολυπλεξία Add/Drop, λειτουργία ως ρυθμιζόμενο οπτικό φίλτρο, δημιουργία παλμών, ανάκαμψη ρολογιού συστήματος, αντιστάθμιση διασποράς και τέλος ως φωτοανιχνευτής, με αντιστροφή της πόλωσης της ηλεκτρικής τροφοδοσίας. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 51

52 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Οι SOAs, δεδομένου ότι βασίστηκαν στο laser ημιαγωγού, αποτελούνται από έναν επίπεδο κυματοδηγό με υψηλό δείκτη διάθλασης, που αποτελεί την ενεργό περιοχή, και από το εξωτερικό υπόστρωμα, με μικρότερο δείκτη διάθλασης. Η μορφή τους ποικίλει, ανάλογα με την χρήση για την οποία προορίζονται, είτε ως εντελώς αυτόνομα στοιχεία συσκευασμένα ξεχωριστά (packaged SOA), είτε ως ολοκληρωμένα στοιχεία, τα οποία προορίζονται για χρήση σε chip, όπως φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 2.3.3: α) packaged SOA, β) SOA για επικόλληση flipped-chipped, γ) flipped-chipped ολοκληρωμένος SOA Οι SOAs μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες, τους SOAs κοιλότητας Fabry- Perot και του SOAs οδεύοντος φωτός. Η διαφορά έγκειται στο ότι, στην πρώτη περίπτωση, οι αντί-ανακλαστικές επιφάνειες (Antireflection Coating), που καλύπτουν τις εξόδους του κυματοδηγού, δεν είναι 100% ανακλαστικές, αλλά αντίστοιχα με το Fabry-Perot laser (90%,1-20%) επιτρέπουν μικρό ποσοστό διέλευσης της ακτινοβολίας (<0.1%). Κατά συνέπεια, η είσοδος του φωτός προς ενίσχυση, μπορεί να γίνει από οποιαδήποτε πλευρά του κυματοδηγού, ενώ η έξοδος, λόγω ανακλάσεων, και από τις δύο πλευρές. Η μορφή του φάσματος ενίσχυσης, ενός τέτοιου SOA, θα έχει την μορφή του φάσματος μιας κοιλότητας Fabry-Perot, συνδυασμένο με το φάσμα ενός ιδανικού ενισχυτή SOA. Συγκεκριμένα, το ιδανικό φάσμα ενίσχυσης ενός απολύτως ιδανικού SOA, όπως και οι SOA οδεύοντος φωτός, χωρίς εσωτερικές ανακλάσεις, θα είχε την λεία μορφή μιας παραβολής. Δεδομένης της κοιλότητας Fabry-Perot, επειδή στον χώρο των συχνοτήτων οι φασματικές αποκρίσεις πολλαπλασιάζονται, το αποτέλεσμα θα είναι μια παραβολή με κυμάτωση, λόγω των συντονισμών συγκεκριμένων μηκών κύματος στην καμπύλη, ακριβώς όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Με την παραπάνω θεωρητική προσέγγιση, επεξηγούνται εύκολα προβλήματα και φαινόμενα, που παρουσιάστηκαν στην πειραματική μελέτη των διατάξεων, που περιείχαν SOA, στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, και τα οποία συζητούνται στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Φυσικά, οι SOAs κοιλότητας Fabry-Perot, δεν χρησιμοποιούνται στις MZI διατάξεις, που αναφέρθηκαν για λειτουργία ως flip-flop, δεδομένης της απαίτησης για ομαλότητα της καμπύλης του φάσματος ενίσχυσης και αποφυγής φαινομένων lasing. 52 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εικόνα 2.3.4: Βασική λειτουργία και μορφή φασμάτων των δύο ειδών SOAs Η κατασκευή των SOAs πραγματοποιείται με διπλή ετερογενή ένωση υλικών, p-τύπου και n-τύπου, επάνω και κάτω από τον κυματοδηγό που χαρακτηρίζεται ως ενεργός περιοχή. Το γεγονός ότι χρησιμοποιείται ετεροδομή, και μάλιστα διπλή, για την πλαισίωση του κεντρικού κυματοδηγού, οφείλεται στην απαίτηση για διατήρηση της ενεργού περιοχής σε μικρό μέγεθος. Με αυτόν τον τρόπο επίσης, η επανένωση τον φορέων, που εκμεταλλεύονται για ενίσχυση, γίνεται τοπικά στην ενεργό περιοχή, η οποία έχοντας μεγαλύτερο δείκτη διάθλασης από τα εξωτερικά υποστρώματα, κυματοδηγεί την ενισχυόμενη οπτική δέσμη, αποτελεσματικά και συγκεντρωτικά, κατά τον διαμήκη άξονα της. Εικόνα 2.3.5: Δομή ενός SOA Η λειτουργία των SOAs, είναι εφάμιλλη της λειτουργίας των laser. Βασίζεται, κατά κύριο λόγο, στην εξαναγκασμένη επανασύνδεση οπών-ηλεκτρονίων. Συγκεκριμένα, όταν πρόκειται για τα άτομα των ημιαγωγών, σε κατάσταση ισορροπίας, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται εξωτερικά στο άτομο, στην ζώνη σθένους, μεταπηδούν, κατά τυχαίο τρόπο, με απορρόφηση ενέργειας, στη ζώνη αγωγιμότητας, και αντίστροφα, εκπέμποντας ενέργεια. Σε κατάσταση ισορροπίας, οι μεταβάσεις αυτές είναι ισάριθμες. Για την επίτευξη συνθηκών lasing/ενίσχυσης απαιτείται «αναστροφή πληθυσμού», μια διαδικασία αύξησης του χρόνου παραμονής των ηλεκτρονίων στην διεγερμένη κατάσταση στην ζώνης αγωγιμότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με την εισροή ηλεκτρικού ρεύματος. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 53

54 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Σε αυτή την κατάσταση θα συνεχίσουν να υπάρχουν, αν και ελάχιστες πλέον, οι αυθόρμητες επανασυνδέσεις ηλεκτρονίων-οπών, παράγοντας φωτόνια τυχαίας διεύθυνσης και φάσης. Με την είσοδο φωτός στην ενεργό περιοχή, θα προκληθεί εξαναγκασμένη αποδιέγερση των ηλεκτρονίων, λόγω των διερχόμενων φωτονίων, παράγοντας φωτόνια ταυτόσημα, της ιδίας φάσης, διεύθυνσης και συχνότητας. Είναι προφανές ότι, ανάλογα με τον όγκο (το εμβαδό της διατομής και το μήκος) της ενεργού περιοχής, που διαθέτει ο ενισχυτής, καθορίζεται και το ποσοστό ενίσχυσης του εισερχόμενου σήματος. Επίσης η περιοχή συχνοτήτων, στην οποία θα λειτουργήσει ο SOA, καθορίζεται από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγώγιμου υλικού, μεταξύ ζωνών σθένους και αγωγιμότητας. Έτσι, συνδυάζοντας χημικές ενώσεις, αποτελούμενες από Ίνδιο(In), Γάλλιο (Ga), Αρσενικό (As) και Φώσφορο (P), ανά δύο συμπληρωματικά, στην μορφή (In1-xGax)(As1-yPy), επιτυγχάνεται ενεργειακό χάσμα ev, φωτονίων συχνοτικού περιεχομένου nm, παρέχοντας ενίσχυση και στις 3 μπάντες των οπτικών συστημάτων Εξισώσεις ροής του SOA Ουσιαστικά, ενίσχυση του εισερχόμενου σήματος, μπορεί να επιτευχθεί, αν ο ρυθμός εξαναγκασμένης εκπομπής φωτονίων υπερτερεί του ρυθμού απορρόφησής τους. Συνήθως, όπως είπαμε, η απαιτούμενη αναστροφή πληθυσμού, επιτυγχάνεται μέσω ηλεκτρικής διέγερσης, δηλαδή έγχυσης ηλεκτρικού ρεύματος στην ενεργό περιοχή. Ωστόσο, η αυθόρμητη και η εξαναγκασμένη εκπομπή, δρουν αντίθετα προς την έγχυση ηλεκτρικού ρεύματος, και κατ επέκταση προς τη δημιουργία φορέων, αφού μειώνουν τη συγκέντρωση των φορέων στη ζώνη αγωγιμότητας (έστω Ν η πυκνότητα των φορέων). Το αποτέλεσμα των παραπάνω φαινομένων περιγράφεται από την εξίσωση ροής, η οποία εκφράζει τη μεταβολή της πυκνότητας των φορέων σε χωρικό σημείο z, κατά μήκους του διαμήκη άξονα του ενισχυτή και κατά τη χρονική στιγμή t: Όπου: dn(z, t) dt Ι: ρεύμα έγχυσης e: φορτίο ηλεκτρονίου V: όγκος ενεργού περιοχής τc: χρόνος ζωής των φορέων = I ev Γ g [N(z, t) N T] P(z, t) A h ω 0 Γ: οπτικός παράγοντας σύμπτυξης οπτικής ισχύος (optical confinement factor) g: παράγοντας κέρδους ΝΤ: πυκνότητα φορέων στην περιοχή διαφάνειας του ενισχυτή Α: εμβαδόν διατομής ενεργού περιοχής ημιαγωγού h: σταθερά Planck ω0: φέρουσα συχνότητα εισερχόμενου οπτικού πεδίου P(z,t): ισχύς εισερχόμενου οπτικού σήματος 54 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Ο πρώτος όρος, του δεξιού σκέλους της σχέσης, I, αποδίδει τη διέγερση φορέων λόγω ev έγχυσης ρεύματος, ενώ ο δεύτερος και τρίτος όρος αποδίδουν την αποδιέγερση και, επομένως, τη μείωση των φορέων, λόγω εξαναγκασμένης και αυθόρμητης επανασύνδεσης αντίστοιχα [30]. Η διάδοση, ενός οπτικού ασθενούς σήματος, που εισέρχεται στο SOA, κατά μήκος του z-άξονα (διαμήκης άξονας) του ημιαγωγού, περιγράφεται από τη σχέση: dp(z, t) = [Γ g [N(z, t) N dz Τ ] ( a s )] P(z, t) Όπου η σταθερά as εκφράζει της εσωτερικές απώλειες ισχύος του ενισχυτή, λόγω σχεδίασης του κυματοδηγούμενου πεδίου Ελαχιστοποίηση συντονισμού στην κοιλότητα των SOAs Στην προσπάθεια να αποφευχθούν οι συνθήκες lasing στην κοιλότητα των SOAs, έτσι ώστε να δίνει ομοιόμορφη ενίσχυση, και να μην λειτουργούν ως εν δυνάμη ταλαντωτές συγκεκριμένων συχνοτήτων, τοποθετούνται τα στρώματα αντί-ανακλαστικότητας (AR coatings). Η εφαρμογή στρώματος αλουμινίου (Al) με επιταξία, στην αρχή και το τέλος του κυματοδηγού, έχει ως ρόλο να μειώσει το ποσοστό της ανακλαστικότητας, στο σημείο που ο κυματοδηγός των SOAs έρχεται σε επαφή με ένα δεύτερο υλικό, και να απομονώσει την κοιλότητα, ώστε να ενισχύεται το σήμα μία μόνο φορά κατά την διέλευσή του. Επίσης, η τοποθέτηση πολλαπλών τέτοιων στρωμάτων, με διαφορετικό δείκτη διάθλασης το κάθε ένα, έχει επίσης εφαρμοστεί, έτσι ώστε να μειωθεί η εξάρτηση της ανακλαστικότητας από το μήκος κύματος του εισερχόμενου σήματος, και να διαθλάται αποτελεσματικά η τυχόν επιστρεφόμενη ακτινοβολία προς το υπόστρωμα του κυματοδηγού των SOAs. Μία αποτελεσματική τεχνική, για την μείωση της ανακλώμενης ακτινοβολίας, είναι και η κατασκευή των SOAs υπό γωνία, σε σχέση με τους κυματοδηγούς που έρχεται σε επαφή (angled-facet SOAs). Η ενεργός περιοχή περικόπτεται υπό κατάλληλη γωνία, και οι τυχόν ανακλώμενες ακτίνες, στις επαφές με τους εξωτερικούς κυματοδηγούς, εκτρέπονται στο υπόστρωμα των SOAs και εξασθενούν, δίχως να κυματοδηγούνται στην κοιλότητα ενισχυμένες, καταναλώνοντας το διαθέσιμο κέρδος. Με την αύξηση της γωνίας τοποθέτησης, η ανακλαστικότητα μειώνεται, όπως επίσης και με την διάμετρο του κυματοδηγού της ενεργού περιοχής. Με αυτόν όμως τον τρόπο, διεγείρονται και άλλοι τρόποι εκτός από τους βασικούς, που είναι ανεπιθύμητο. Μια επιλογή είναι η κατασκευή των SOAs υπό γωνία, αλλά με αυξημένο μόνο το μέγεθος στις άκρες της ενεργού περιοχής, έτσι ώστε να μειωθεί η ανακλαστικότητα με κυματοδήγηση μόνο των βασικών ΤΕ και ΤΜ τρόπων(angled-facet flared SOAs). Τέλος, ένας ακόμη τρόπος, για να μειωθούν περαιτέρω οι ανακλαστικότητες, είναι η κατασκευή της ενεργού περιοχής, βυθισμένης εκατέρωθεν σε ένα κομμάτι διάφανους υλικού, το οποίο έχει ενεργειακό διάκενο μεγαλύτερο από το μήκος κύματος του σήματος, έτσι ώστε να μην το ενισχύει κατά την διάβασή του(window-buried facets). Συνεπώς, το σήμα κατά την έξοδό του, από την ενεργό περιοχή, θα εξέρχεται διαθλώμενο, από την διαχωριστική επιφάνεια του «παραθύρου» με το εξωτερικό υλικό, και τυχόν ανακλάσεις θα διασπείρονται προς τα πίσω, στο υπόστρωμα, εκατέρωθεν την ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 55

56 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ ενεργού περιοχής. Η κατασκευή υπό γωνία και με την χρήση επιπλέον υλικού σε ρόλο «παραθύρου», φαίνονται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 2.3.6: angled-facet SOA με window regions Ευαισθησία των SOA στην πόλωση και λύσεις Οι ημιαγώγιμοι οπτικοί ενισχυτές παρουσιάζουν σημαντικά ανομοιόμορφη ενίσχυση σε διαφορετικά πολωμένα οπτικά σήματα. Αυτή η ιδιαιτερότητα βασίζεται στο υλικό της ενεργού περιοχής, και στις αντί-ανακλαστικές επιστρώσεις, που από κατασκευής λειτουργούν με γνώμονα την πόλωση. Η αντιστάθμιση στην επιλεκτική ενίσχυση των σημάτων, γίνεται με χρήση πολλών SOAs, σε σειρά, περιεστρεμμένων, έτσι ώστε να αλληλοαναιρεθεί το φαινόμενο. Βεβαίως, δεδομένου του προβλήματος, αναπτύχθηκαν αποτελεσματικότερες μέθοδοι σχεδίασης της ενεργού περιοχής, για οικονομικότερη ολοκλήρωση, σε έναν μόνο SOA. Τέλος, θεωρώντας ότι οι τρόποι που κυματοδηγούνται στην ενεργό περιοχή είναι δύο, οι ΤΜ και οι ΤΕ, η πολωτική ευαισθησία του SOA θεωρείται η διαφορά, μεταξύ του TE-κέρδους και του TM-κέρδους, δηλαδή η G TE G TM (db). Έχουν προταθεί συγκεκριμένες αρχιτεκτονικές, για την αποφυγή εξάρτησης από την πόλωση. Μερικές από αυτές είναι η κατασκευή SOAs, με την ενεργό περιοχή να έχει σχήμα τετραγωνικό/τραπεζοειδές, με τις άκρες του να στενεύουν σταδιακά, και με τον κυματοδηγό να βρίσκεται πλαισιωμένος από μια διαφανή περιοχή παραθύρου (window regioned square-cross-section active waveguide). Η τοποθέτηση των στρωμάτων σε έναν SOA τέτοιας δομής, γίνεται με την βύθιση της ενεργού περιοχής, πλαισιωμένης αρχικά από ένα στρώμα p-inp, τοποθετώντας την, έπειτα, σε ένα άλλο στρώμα τύπου n-inp. Τα δύο αυτά στρώματα, είναι ενωμένα με στρώματα εμπλουτισμένων με κατιόντα υδρογόνου (H + -InP), με αποτέλεσμα να υπάρχει ισχυρός περιορισμός από την πόλωση, δεδομένου ότι οι διαθέσιμοι φορείς δεν διαρρέουν εύκολα από την ενεργό περιοχή, όπως φαίνεται στην εικόνα (σχήμα α). 56 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εικόνα 2.3.7: α) ο cross-section buried waveguide SOA με windows, β) η InGaAsP ενεργός περιοχή βυθισμένη στο εσωτερικό Επίσης, έχουν κατασκευαστεί SOAs με βυθισμένο κυματοδηγό μεγάλου μεγέθους, που μειώνουν αρκετά τις ανακλαστικότητες των τρόπων, τόσο για αρχιτεκτονικές με πλάγια περικοπή, όσο και για χρήση αντί-ανακλαστικών στρωμάτων(bulk ridge-waveguide cross-section). Με την συγκεκριμένη, αποφεύγεται η χρήση παραθύρων, για πλαισίωση της ενεργού περιοχής. Τέλος, κρατώντας σταθερό το σχήμα της ενεργού περιοχής, αλλά αλλάζοντας τον τύπο κατασκευής, μπορεί να επιτευχθεί επιλεκτική αύξηση της ενίσχυσης (π.χ. των ΤΜ τρόπων σε σχέση με τους ΤΕ, ώστε να ενισχύονται ισόποσα), και για αυτό έχουν προταθεί δομές με πολλαπλές εναλλασσόμενες λεπτές στρώσεις υλικών (strained-layer superlattices), με στρώσεις υλικών υπό τάση, ώς πηγάδια δυναμικού (strained tensile QW), και, τέλος, με εναλλασσόμενες στρώσεις υλικών υπό πίεση και τάση εναλλάξ (strained tensile/compressive strained QW) Σύζευξη των SOAs με τα εξωτερικά στοιχεία Είτε γίνεται χρήση packaged SOΑ, είτε ολοκληρωμένων επάνω σε ένα chip πυριτίου, η διασύνδεση των SOAs, με ελάχιστες απώλειες, είναι σημαντική. Πρέπει, στην είσοδο, να μειωθούν οι απώλειες και ο εισαγόμενος θόρυβος, και στην έξοδο, να επιτευχθεί μικρή διάχυση του σήματος εκτός του κυματοδηγού που συζευγνύεται, καθώς και να ελαχιστοποιηθούν, όσο περισσότερο γίνεται, οι ανακλάσεις στην διαχωριστική επιφάνεια, οι οποίες θα προκαλέσουν φαινόμενα lasing, στην κοιλότητα που θα δημιουργήσουν. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή φακών διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης, σχήματος κυλινδρικού (graded-index rod lenses), οι οποίοι προσαρμόζουν την ακτίνα φωτός, για εισαγωγή στους SOAs από τον κυματοδηγό, αλλά και αντίστροφα. Η επεξεργασία των οπτικών ινών, ώστε στο τέλος τους να παίρνουν την μορφή φακού (lensed fibers), χρησιμοποιείται επίσης, για κυματοδήγηση του σήματος σε ειδικές κοιλότητες, στην αρχή και το τέλος της ενεργού περιοχής του SOA. Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωση της ολοκλήρωσης, το πρόβλημα έγκειται στην προσαρμογή των ολοκληρωμένων παθητικών κυματοδηγών, μεγέθους ~4μm, στους SOAs, οι οποίοι ως ενεργά στοιχεία, τα οποία θα επικολληθούν αργότερα στο παθητικό υπόστρωμα πυριτίου, έχουν ενεργό περιοχή μεγέθους nm. Η διαδικασία που ακολουθείται για την προσαρμογή, περιγράφεται στο αντίστοιχο κεφάλαιο. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 57

58 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ SOAs με σταθεροποιημένο κέρδος (Gain-clamped SOAs) Με την αύξηση της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος, στην ενεργό περιοχή του ενισχυτή, θα αυξηθεί και το διαθέσιμο κέρδος (μέχρι ένα άνω όριο). Όμως, σε συγκεκριμένες περιπτώσεις, είναι επιθυμητή η σταθεροποίηση του κέρδους, ανεξάρτητα από την παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύ. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί, όταν αναπτυχθούν συνθήκες lasing στην κοιλότητα του SOA. Πιο συγκεκριμένα, η τιμή στην οποία σταθεροποιείται το κέρδος του ενισχυτή, τείνει να είναι ίση με τις απώλειες του ταλαντωτή. Η κοιλότητα αφήνεται να αναπτύξει συνθήκες lasing, αλλά σε συχνότητες μακριά από αυτή του οπτικού σήματος προς ενίσχυση, και επιτυγχάνεται σταθεροποίηση του κέρδους, για αυξομειώσεις της ηλεκτρικής ισχύος. Σε αυτές τις συνθήκες, σταθεροποιείται το κέρδος σε μια τιμή, ελέγχοντας την πυκνότητα των διαθέσιμων φορέων, σταθεροποιώντας τον ενισχυτή, και περιορίζοντας την ενέργεια που κρατάει αποθηκεμένη. Η κατασκευή ενός τέτοιου τύπου SOA (GC-SOA), πραγματοποιείται με την τοποθέτηση φραγμάτων Bragg, είτε σε ολόκληρο το υπόστρωμα του ενισχυτή, είτε τμηματικά, με σκοπό η οπτική ανάδραση, που δέχεται η ενεργός περιοχή από το ανακλώμενο εισερχόμενο σήμα, να ευνοεί τις συνθήκες lasing, με αποτέλεσμα να σταθεροποιείται η πυκνότητα των διαθέσιμων φορέων κατά μήκος της Spatial hole burning Όπως προαναφέρθηκε και στην υλοποίηση του flip-flop με κοιλότητα κατανεμημένης ανάδρασης (DFB), εμφανίζεται το συγκεκριμένο φαινόμενο. Σύμφωνα με το spatial hole burning, υπάρχει τροποποίηση του φάσματος ενίσχυσης των SOA, που βασίζεται στην δημιουργία σημείων, στην ενεργό περιοχή, που οι διαθέσιμοι φορείς είναι λιγότεροι, και αλλού περισσότεροι. Πιο συγκεκριμένα, το γεγονός πως το ηλεκτρομαγνητικό κύμα, από την κυματική φύση του, έχει συνημιτονοειδή μορφή, με μέγιστα και ελάχιστα, έχει ως αποτέλεσμα, στα σημεία που βρίσκονται τα μέγιστα του κύματος, να υπάρχει κορεσμός των φορέων, λόγω μεγάλης ενίσχυσης, ενώ στα σημεία που διαδίδονται τα ελάχιστα, να απομένουν φορείς ανεκμετάλλευτοι. Αυτό οδηγεί, μετά από κάποια χρονική στιγμή, στην δημιουργία περιοχών κατά μήκους του οπτικού μέσου, στις οποίες ο πληθυσμός των φορέων ανανεώνεται τάχιστα και συνεχώς, λόγω ενίσχυσης των μεγίστων του κύματος, και σε άλλες, που θα παραμένει ανεκμετάλλευτο ένα μέρος τους ή και όλοι. Με την διάδοση του κύματος, που προκάλεσε αυτή την ανομοιομορφία στην κατά μήκους κατανομή των φορέων, δημιουργούνται «τρύπες» στο φάσμα ενίσχυσης του SOA, σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Το χαρακτηριστικό αυτών των μηκών κύματος, είναι ότι, εάν εισέλθουν στον SOA ενώ είναι σε εξέλιξη αυτό το φαινόμενο, τα μέγιστά τους θα συμπέσουν χωρικά στα σημεία που έγινε εξασθένηση των φορέων από το αρχικό σήμα, και τοιουτοτρόπως δεν θα ενισχυθούν. Η λύση για αυτό το φαινόμενο είναι, όπως προαναφέρθηκε, η σταθεροποίηση της πυκνότητας των διαθέσιμων φορέων, χρησιμοποιώντας φράγματα στο εσωτερικό του ενισχυτή. 58 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Ετεροδιαμόρφωση κέρδους (XGM) Για την περιγραφή του συγκεκριμένου φαινομένου, θα πρέπει να επεξηγηθούν αρχικά κάποιες έννοιες, που σχετίζονται άμεσα με αυτό. Η ενεργός περιοχή του ενισχυτή έχει μια πληθώρα διαθέσιμων φορέων, με συγκεκριμένο αριθμό όμως, ο οποίος καθορίζεται, πρώτον, από το υλικό το οποίο χρησιμοποιείται, και, δεύτερον, από το ρεύμα το οποίο προκαλεί την αναστροφή πληθυσμού των ηλεκτρονίων στην ζώνη αγωγιμότητας. Είναι λογικό πως για περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν ενισχυτή SOA, αυξάνεται μέχρι κάποιο σημείο και ο αριθμός των διαθέσιμων ηλεκτρονίων, για ακτινοβολούσα μετάβαση, και, συνεπώς, για ενίσχυση του διερχόμενου φωτός. Όμως, υπάρχει ένα άνω όριο στην ενισχυτική ικανότητα του ενισχυτή, εφόσον περισσότερο ρεύμα από αυτό δεν πρόκειται να προκαλέσει διέγερση ηλεκτρονίων, μιας και όλα θα βρίσκονται στην διεγερμένη κατάσταση (επίσης αυτό θα προκαλούσε και καταστροφή στο υλικό του ενισχυτή λόγω αυξημένης θερμοκρασίας). Συνεπώς, υπάρχει ένα άνω όριο τροφοδοτούμενου ρεύματος λειτουργίας Imax (driving current), που, κατά προσέγγιση, για αυτόνομους SOAs, ενδέχεται να φτάσει τα 750mA, ενώ για ολοκληρωμένους SOAs, τα 400mA. Μέσα σε αυτά τα όρια, ο ενισχυτής SOA μπορεί να προσφέρει ενίσχυση ~30dB, στο εισερχόμενο σήμα, στην περιοχή ασθενούς σήματος. Δεδομένης της ενέργειας που δέχεται ένας ενισχυτής για λειτουργία, υπάρχει ένα όριο ισχύος Psat του εισερχόμενου σήματος, πάνω από το οποίο η ενίσχυση δεν θα προσφέρει σημαντικά αποτελέσματα. Όταν το εισερχόμενο σήμα έχει ισχύ, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη ή κοντά στην Psat, η ενίσχυση που προσφέρεται θεωρείται, κατά προσέγγιση, γραμμικά σταθερή, και η περιοχή λειτουργίας του ενισχυτή ονομάζεται περιοχή ασθενούς σήματος. Όταν, όμως, η ισχύς ξεπερνάει την Psat, τότε η προσφερόμενη ενίσχυση, στο ήδη ισχυρό σήμα, αρχίζει και μειώνεται, θεωρώντας αυτή την περιοχή λειτουργίας, ως περιοχή ισχυρού σήματος/ περιοχή κορεσμού του ενισχυτή. Εικόνα 2.3.8: Καμπύλη κέρδους για τιμές ισχύος εισερχομένου σήματος Πιο συγκεκριμένα, η ισχύς Psat, θεωρείται εκείνη η ισχύς, για την οποία το κέρδος του ενισχυτή έχει μειωθεί στο μισό (3dB), σε σχέση με το κέρδος της περιοχής ασθενούς σήματος, όπως φαίνεται στο σχήμα. Για λειτουργία στην περιοχή ασθενούς σήματος, το κέρδος ασθενούς σήματος περιγράφεται (για κάθε χρονική στιγμή της μετάδοσης ενός παλμού κατά μήκους του SOA) από την σχέση: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 59

60 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Όπου: G0: μέγιστο κέρδος ενισχυτή G 0 = e (ΓgN tot (t) a sl) Γ: παράγοντας σύμπτυξης οπτικής ισχύος g: παράγοντας κέρδους as: απώλεια λόγω σκέδασης Ntot(t): αριθμός φορέων ανά διατομή την χρονική στιγμή t Εννοείται πως, για συστήματα WDM, για λειτουργία στην περιοχή ασθενούς σήματος, πρέπει η συνολική ισχύς όλων των καναλιών, να μην ξεπερνάει την Psat, και πως η ενίσχυση ανά κανάλι διαφοροποιείται, μιας και, από το φάσμα ενίσχυσης του SOA, παρατηρείται εξάρτηση της ενίσχυσης από το μήκος κύματος. Όταν πρόκειται, όμως, για σήμα με ισχύ μεγαλύτερη από την ισχύ κορεσμού του ενισχυτή, τότε δεν μπορεί να περιγραφεί το κέρδος από την παραπάνω σχέση. Ο κορεσμός του ημιαγώγιμου οπτικού ενισχυτή από εισερχόμενο σύντομο οπτικό παλμό μπορεί να περιγραφεί από την σχέση: G(t) = [1 (1 1 ) exp ( U in(t) )] 1 G 0 U sat Όπου Uin(t) είναι η ενέργεια του παλμού, την χρονική στιγμή t, και Usat είναι η ενέργεια κορεσμού του SOA. Σημειώνεται ότι η Uin(t) και η Usat, σχετίζονται με την Pin και την t Psat, με τις σχέσεις U in (t) = P in (t)dt και U 0 sat = P sat τ c αντίστοιχα (για t=0 η στιγμή εισόδου του παλμού στο SOA). Συνεπώς, με την είσοδο ενός σύντομου αλλά ισχυρού παλμού (Ppeak > Psat) στον ενισχυτή, διαφορετικά σημεία του θα δεχτούν διαφορετικό κέρδος. Για παράδειγμα, εάν θεωρηθεί παλμός Gauss, ο οποίος εισέρχεται στον SOA, αρχικά το μέτωπό του θα ενισχυθεί σε διαφορετικό βαθμό σε σχέση με την κορυφή του, μιας και η ισχύς κάποιου μέρους του μετώπου βρίσκεται στην περιοχή ασθενούς κέρδους. Συνεπώς, μέχρι την χρονική στιγμή που εισάγεται η κορυφή του παλμού στον ενισχυτή, η καμπύλη του κέρδους θα διαμορφώνεται σχηματικά όμοια με τον παλμό. Το λογικό θα ήταν, μετά το πέρας της κορυφής, το κέρδος του παλμού, να ανέκυπτε σχηματικά το ίδιο με τον παλμό, αλλά αυτό εξαρτάται από την περίοδο του παλμού, σε σχέση με τον χρόνο ανάκαμψης των φορέων στην ενεργό περιοχή του SOA. Το κέρδος, κατά τον χρόνο ανάκαμψης, δίνεται από την σχέση: G(t) = G 0 [ G(t s ) ] G 0 ts exp [ (t tc )], t ts: στιγμή εξόδου του παλμού από τον SOA ενώ ο χρόνος ανάκαμψης τr του κέρδους (gain rise time 10%-90%) υπολογίζεται λύνοντας την παραπάνω ως: ln 0.1 τ r = τ c ln( ) 3.13τ ln 0.9 c. Από την παραπάνω, γίνεται κατανοητό ότι, ο χρόνος ανάκαμψης των φορέων του υλικού, παίζει σημαντικό ρόλο στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται SOAs. Ο συγκεκριμένος χρόνος αποκατάστασης του κέρδους στους SOAs υπολογίζεται σε μερικές δεκάδες psec, ανάλογα με την περίπτωση, προσφέροντας ταχύτητες διακόπτη >40Gb/s, φαινόμενο που επηρεάζεται άμεσα από την παρεχόμενη ηλεκτρική ενέργεια (υψηλότερο ρεύμα ταχύτερη λειτουργία καθαρότερα διαγράμματα ματιού). 60 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Προφανώς, εάν ξεπεραστεί ο ρυθμός μετάδοσης και γίνει υψηλότερος από το ρυθμό αποκατάστασης του κέρδους, τότε κάθε νέος παλμός θα δέχεται πολύ μικρότερη ενίσχυση, γιατί το κέρδος δεν θα προλαβαίνει να ανακάμψει, όπως φαίνεται στο σχήμα. Συνεπώς, η ενίσχυση που δέχεται κάθε επόμενος παλμός, θα έχει εκθετική μείωση σε αυτή την περίπτωση. Για αυτό τον λόγο, εάν απαιτείται πλήρης εκμετάλλευση της ενίσχυσης σε κάθε παλμό, φροντίζεται να διατηρείται το όριο του χρόνου ανάκαμψης. Όμως, σε μερικά συστήματα, προτιμάται να αυξηθεί ο ρυθμός μετάδοσης, ακόμη και εάν το κέρδος του ενισχυτή δεν είναι το μέγιστο, αλλά επαρκεί (ο ενισχυτής λειτουργεί συνεχώς ημί-κορεσμένος). Εικόνα 2.3.9: Gauss παλμοί (μπλε), κέρδος(γκρι) H ετεροδιαμόρφωση κέρδους (Cross Gain Modulation, XGM) είναι ένα φαινόμενο, που βασίζεται στην παραπάνω θεώρηση. Δεδομένου ενός σήματος, με ισχύ στην περιοχή λειτουργίας ασθενούς σήματος, και ενός σήματος ελέγχου, με ισχύ μεγαλύτερη από την Psat, μπορεί να επιτευχθεί έλεγχος λειτουργίας του SOA από το ισχυρό. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται χρήση καναλιών, με ισχύ συνολικά μικρότερη από την Psat, για την ροή δεδομένων, και χρήση ενός εξωτερικό λctrl, το οποίο, δεδομένης της ισχύς του, με την διάδοσή του στο εσωτερικό του SOA, θα κορέσει το κέρδος του, εκμεταλλευόμενο την διαθέσιμη ενίσχυση ολοκληρωτικά για αυτό, καταπατώντας οποιοδήποτε κέρδος είχαν στην διάθεσή τους τα υπόλοιπα μήκη κύματος. Η λειτουργία είναι διακοπτική. Στο παρακάτω σχήμα, φαίνεται αρχικά η λειτουργία του SOA με τις δύο επιλογές εισαγωγής του σήματος ελέγχου, με την ίδια και με αντίθετη φορά με την ροή δεδομένων, και στη συνέχεια η λειτουργία XGM σε MZI βασισμένο σε SOA, δεδομένου ότι με αυτές τις διατάξεις υλοποιούνται πολλές από τις λειτουργίες που αναφέρθηκαν, και που πραγματεύεται η παρούσα διπλωματική. Στην β φαίνεται επίσης η μετατροπή μήκους κύματος ενδεικτικά, παίρνοντας ανεστραμμένη λογική στο νέο μήκος κύματος. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 61

62 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα : α) λειτουργία XGM με CW-CCW διάδοση του λctrl, β) XGM σε soa-based MZI- μετατροπή μήκους με XGM Ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM) Η ετεροδιαμόρφωση φάσης (Cross Phase Modulation, XPM) είναι ένα μη γραμμικό φαινόμενο, το οποίο λαμβάνει χώρα στους οπτικούς κυματοδηγούς. Δεδομένου ότι αποτελεί φαινόμενο Kerr, είναι ανάλογη με το τριπλάσιο της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου ενός διαδιδόμενου σήματος. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, διεγείρονται μη γραμμικά φαινόμενα στο οπτικό μέσο, βάση της ισχύος του διαδιδόμενου κύματος. Με την διέγερση των μη γραμμικοτήτων, ο οπτικός δρόμος που αντιλαμβάνεται το σήμα αλλάζει, μιας και ο δείκτης διάθλασης τροποποιείται μη γραμμικά. Κατά συνέπεια, το σήμα αποκτάει μη γραμμική στροφή φάσης, ανάλογης του τριπλασίου της συνολικής ισχύος που υπάρχει στο οπτικό μέσο. Ο χρόνος αποδιέγερσης των μη γραμμικοτήτων, στο οπτικό μέσο, είναι ανάλογος της ισχύος του σήματος, με συνέπεια να επηρεάζεται η φάση του διαδιδόμενου κύματος, λόγω της ιδίας ισχύος, φαινόμενο που ονομάζεται αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM). Στην συγκεκριμένη περίπτωση όμως, περιγράφεται η επίδραση που έχει η ισχύς, ενός ισχυρού σήματος, στην φάση ενός ασθενέστερου, λειτουργία που χρησιμοποιείται στις διατάξεις που αναφέρθηκαν (και δεδομένου ότι χρησιμοποιείται ένα ισχυρό σήμα ως σήμα ελέγχου, η SPM σε αυτό δεν λαμβάνεται υπόψιν). Συνεπώς, κατά την συνδιάδοση δύο σημάτων, με την ισχύ του ενός ικανή για διέγερση μη γραμμικών φαινομένων, και μεγαλύτερη από του δεύτερου, μπορεί να επιτευχθεί κατάλληλη στροφή φάσης στο ασθενέστερο. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί, ώστε, εάν χρησιμοποιήσουμε ως ροή δεδομένων το ασθενέστερο σήμα, και ως σήμα ελέγχου το ισχυρό, στον κλάδο ενός MZI, να επιτευχθεί κατάλληλη στροφή φάσης στην μία συνιστώσα των δεδομένων, με αποτέλεσμα, στον δεύτερο συζεύκτη του MZI, να πραγματοποιηθεί καταστρεπτική συμβολή και τα δεδομένα να εξέλθουν από την θύρα μεταγωγής. Επίσης, με παρόμοια συμβολομετρική διάταξη Mach-Zehnder, μπορεί να επιτευχθεί μετατροπή μήκους κύματος. Συγκεκριμένα, με χρήση ενός σήματος ροής δεδομένων λ1, και με την χρήση ενός δεύτερου συνεχούς κύματος (CW) λ2, μπορεί να μεταφορτωθεί η πληροφορία του λ1 με XPM στο λ2, όπως αυτό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 62 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εικόνα : α) XPM σε MZI για μεταγωγική λειτουργία, β) μετρατροπή μήκους κύματος Αλλαγή φάσης Phase shifting Η αλλαγή φάσης μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς τρόπους, είτε μέσω γραμμικών φαινομένων, είτε μέσω μη γραμμικών, ανάλογα με την κατηγορία στη οποία εντάσσεται. P = ε 0 [χ ((1)) Ε eff + χ ((2)) Ε eff 2 + χ (3) Ε eff 3 + ] χ (n) : τανυστής διηλεκτρικής επιδεκτικότητας, ε0: διηλεκτρική σταθερά Εάν ένα φαινόμενο είναι γραμμικό, όπως η διασπορά κυματοδηγού, κάθε φασματική συνιστώσα του παλμού αποκτά γραμμική στροφή φάσης. Γραμμικό φαινόμενο σημαίνει ότι η στροφή φάσης που αποκτάει ο παλμός, είναι ανάλογη με το ηλεκτρικό πεδίο (Εeff), που υπάρχει την συγκεκριμένη χρονική στιγμή στην διατομή του μέσου που μελετάται, και η αντιστροφή του φαινομένου θεωρείται πλήρως διαχειρίσιμη και αναστρέψιμη. Στην αντίστοιχη περίπτωση, που η στροφή φάσης είναι μη γραμμική τετραγωνική (Pockel s effect), δηλαδή ανάλογη του Ε eff 2, και αντίστοιχα μη γραμμική κυβική (Ε eff 3 ) (Kerr s effect), το φαινόμενο δεν είναι διαχειρίσιμο και αναστρέψιμο, αλλά μπορεί να εκμεταλλευτεί τοιουτοτρόπως, ώστε να προκληθεί μόνο η αλλαγή φάσης, χωρίς να απαιτείται επαναφορά, όπως για παράδειγμα στον κλάδο ενός MZI. Η αλλαγή φάσης μπορεί να προκληθεί, όπως προαναφέρθηκε, αλλάζοντας τον οπτικό δρόμο που ακολουθεί το συγκεκριμένο μήκος κύματος, είτε αυτόνομα με την ισχύ των διαδιδόμενων κυμάτων(spm-xpm), είτε εξωτερικά με την τροποποίηση του δείκτη διάθλασης του κυματοδηγού. Οι τρόποι αλλαγής του δ.δ. του υλικού, κατά αύξουσα σειρά ταχύτητας του φαινομένου, είναι οι εξής: μηχανικά, θερμικά, ακουστικά, μέσω ήλεκτρο-απορρόφησης και ήλεκτρο-οπτικά. Στα πλαίσια της παρούσης πτυχιακής, δεν χρησιμοποιούνται, στους μεταβολείς φάσης (phase shifters) των διατάξεων, μηχανικές ή ακουστικό-οπτικές τεχνικές αλλαγής του δ.δ. Συγκεκριμένα, οι phase shifters των διατάξεων, δεν έχουν απαιτήσεις για γρήγορη μεταγωγή, μιας και χρησιμοποιούνται απλά ως στοιχεία βελτιστοποίησης της εξόδου των MZIs, ώστε να παρέχεται ευελιξία στην λειτουργία των SOAs, στους οποίους βασίζεται και η λειτουργία. Για τον λόγο αυτό, περιγράφονται ενδεικτικά κάποιες από τις μεθόδους αλλαγής φάσης, ώστε να γίνει κατανοητή οποιαδήποτε λειτουργία αργότερα Θερμική αλλαγή δείκτη διάθλασης Κατά την διαδικασία αυτή, με αύξηση της θερμοκρασίας του κυματοδηγού, επιτυγχάνεται μετατόπιση του δείκτη διάθλασης. Πιο συγκεκριμένα, η μετατόπιση φάσης δίνεται από την γραμμική σχέση: Δφ = n 2π ΔΤL, με τον θερμό-οπτικό T λ 0 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 63

64 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ συντελεστή n να είναι μοναδικός για κάθε υλικό κυματοδηγού, και να καθορίζει την T θερμοκρασία που απαιτείται για στροφή φάσης ίση με π, όπως αυτός ορίζεται παρακάτω: ΔΤ π = λ 0 2L ( n T ) 1, με λ 0 = 1550nm. Εικόνα : α) θερμική μεταβολή δ.δ., β) χρήση σε διάταξη MZI Όπως φαίνεται στη εικόνα, η χρήση ενός θερμικού στοιχείου, στον έναν κλάδο του MZ συμβολόμετρου μπορεί να επιφέρει διακοπτική λειτουργία, σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: P out = P in 2 e jβl + P in 2 e j(βl+π ΔΤ ) P ΔΤ in ΔΤ π = [1 ± cos (π )] 2 ΔΤ π Εικόνα : Λόγος ισχύος εξόδου-εισόδου στο MZI και της μεταβολής θερμοκρασίας Η θερμική αλλαγή του δείκτη διάθλασης δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υψίρυθμες λειτουργίες, που βασίζονται σε διατάξεις MZI. Ο λόγος είναι ότι η θερμική αδράνεια στις μεταβολές της αύξησης και της μείωσης της θερμοκρασίας του υλικού, είναι αργό φαινόμενο, και επηρεάζεται άμεσα από άλλους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία περιβάλλοντος χώρου Αλλαγή δείκτη διάθλασης ήλεκτρο -οπτικά Στην περίπτωση της ήλεκτρο-οπτικής μεταβολής του δείκτη διάθλασης, χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια επικολλημένα στην επιφάνεια του κυματοδηγού, στα άκρα των οποίων εφαρμόζεται τάση, όπως φαίνεται στην εικόνα. Ανάλογα με το επιθυμητό βάθος της ηλεκτρικής διαταραχής, καθώς και από το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένος ο κυματοδηγός, ενδείκνυνται οι παρακάτω τοποθετήσεις, με το ηλεκτρικό πεδίο να είναι (α) παράλληλο με την επιφάνεια του κυματοδηγού, και (β) κάθετο σημειακά κοντά στα ηλεκτρόδια (για να αποφευχθεί η απώλεια οπτικής ισχύος στην 2 η περίπτωση, λόγω επαφής των μεταλλικών ηλεκτροδίων με τον κυματοδηγό, μπορεί να τοποθετηθεί ένα υπόστρωμα). 64 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εικόνα : Η υλοποίηση με βάση το ήλεκτρο-οπτικό φαινόμενο Στην συγκεκριμένη περίπτωση, δεν τροποποιείται ευθέως ο δ.δ., αλλά λόγω της ομοιόμορφης ηλεκτρικής διαταραχής στο οπτικό μέσο, υπάρχει μεταβολή της σταθεράς διάδοσης β, η οποία σχετίζεται άμεσα με τον οπτικό δρόμο 2Βl, που θα ακολουθήσει το μήκος κύματος. Η ταχύτητα αλλαγής του δείκτη διάθλασης, σε αυτή την περίπτωση, δέχεται άμεση επιρροή από την λειτουργία του ηλεκτρικού κυκλώματος, στα άκρα των συνδεδεμένων ηλεκτροδίων. Το κύκλωμα που σχηματίζεται με τους αγωγούς, τα ηλεκτρόδια, και το οπτικό μέσο σε ρόλο αντίστασης, είναι ένα κύκλωμα RC. Συνεπώς, μιας και οι ταχύτητες διαμόρφωσης ενός RC κυκλώματος δεν μπορούν να ξεπεράσουν τα 1-2 Gb/s, η μεταγωγή βάση αυτού του φαινομένου, παραμένει περιορισμένη στις ίδιες περίπου τιμές. Μία άλλη προσέγγιση, μέσω της ήλεκτρο-οπτικής οδού αλλαγής του δ.δ., για μεγαλύτερες ταχύτητες απόκρισης πολλών Gb/s, φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Ο κυματοδηγός εδώ δεν θεωρείται ως ένας αντιστάτης, στον οποίο μπορεί να προκληθεί ηλεκτρική διαταραχή μονής κατεύθυνσης από ένα συνεχές κύκλωμα. Αντί αυτού, ο κυματοδηγός θεωρείται οδεύοντος κύματος, και πλαισιώνεται από ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος. Συνεπώς, η διηλεκτρική διαταραχή, στην οποία εκτίθεται ο κυματοδηγός, σχετίζεται άμεσα με τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος και το μήκος κύματος του διερχόμενου φωτός. Γενικά, όμως, είναι δύσκολο να ταυτιστεί η ταχύτητα των μικροκυμάτων της ηλεκτρικής διαταραχής, με την ταχύτητα φάσης του διερχόμενου κύματος, ώστε να επιτευχθεί διαμόρφωση. Εικόνα : Η προσέγγιση μέσω κυκλώματος εναλλασσόμενου ρεύματος ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 65

66

67 Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 3 : Κ ΑΤ Α Σ Κ Ε Υ Η Ο Λ Ο Κ Λ Η Ρ Ω Μ Ε Ν Ω Ν Φ Ω Τ Ο Ν Ι Κ Ω Ν Κ Υ Κ Λ Ω Μ ΑΤ Ω Ν Π Υ Ρ Ι Τ Ι Ο Υ

68

69 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Στο παρόν κεφάλαιο, περιγράφεται η διαθέσιμη τεχνολογία για ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα (Photonic Integrated Circuits), δίνοντας μια γενική εικόνα. Ξεχωρίζονται οι κατηγορίες υλοποίησης, μονολιθική και υβριδική, και τα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται, με απώτερο σκοπό να περιγραφεί μετέπειτα και να γίνει κατανοητός ο τρόπος κατασκευής των διατάξεων της παρούσας διπλωματικής. 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Ένα ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα, είναι ένα οπτικό κύκλωμα, το οποίο έχει κατασκευαστεί σε ένα chip. Κατά αντιστοιχία με τα ηλεκτρονικά στοιχεία ενός κυκλώματος, τα φωτονικά περιέχουν lasers, εξασθενητές, διαμορφωτές, ενισχυτές, φωτοανιχνευτές και φυσικά κυματοδηγούς. Υπάρχουν δύο τεχνικές ολοκλήρωσης, ενός οπτικού κυκλώματος, πάνω σε ένα chip: η μονολιθική και η υβριδική. Με τον όρο μονολιθική ολοκλήρωση χαρακτηρίζεται εκείνη η τεχνική, κατά την οποία, όλα τα στοιχεία του κυκλώματος, ενεργά και παθητικά, κατασκευάζονται στο ίδιο chip πυριτίου, αποτελώντας εν τέλει μία ενιαία μονάδα. Αντίστοιχα, ως υβριδική ολοκλήρωση χαρακτηρίζεται η ξεχωριστή κατασκευή των ενεργών διατάξεων, σε ξεχωριστά chip, κατασκευή του κυρίως chip, με όλες τις παθητικές διατάξεις (κυματοδηγούς, συζεύκτες, παθητικά φίλτρα κλπ.) ενσωματωμένες, και εν τέλει την επικόλληση των ενεργών στοιχείων, μέσω συγκεκριμένων διαδικασιών, σε προσδιορισμένες θέσεις επάνω στο κυρίως chip. Μέχρι πρότινος, η επικρατούσα τεχνολογία για PICs (Peripheral Interface Controllers), ήταν αυτή της μονολιθικής ολοκλήρωσης, με επιτομή αυτήν της εταιρίας Infinera, η οποία κατασκεύασε μονολιθικά ολοκληρωμένο DWDM (Dense WDM) πομποδέκτη των 100Gb/s, σε ένα chip InP, ικανό να λειτουργήσει με 10 διαφορετικά κανάλια των 10Gb/s. Η ίδια εταιρία, μετά από χρόνια ερευνών, κατάφερε να αναβαθμίσει το προηγούμενο, σε ταχύτητες των 1.6 Tb/s, θέτοντας γερά θεμέλια για την φωτονική ολοκλήρωση. Η επιλογή για μονολιθική ολοκλήρωση, έχει να κάνει με το γεγονός ότι οι τεχνικές της υβριδικής για την επικόλληση των ενεργών στο παθητικό motherboard, συναντούσαν σημαντικές δυσκολίες. Οι μηχανικοί PICs είχαν να επιλέξουν ανάμεσα στην μονολιθική, με την δυσκολία να έγκειται στο γεγονός ότι τα ενεργά στοιχεία (LD, PD, SOAs κλπ.) κατασκευάζονται από σύνθετους ημιαγωγούς (δύσκολα συνενώσιμων χημικά με τους κυματοδηγούς του SOI πάνω στο παθητικό board), και την υβριδική να απαιτεί τοποθετήσεις και ευθυγραμμίσεις τεράστιας ακρίβειας της τάξης των μm, εισάγοντας μεγάλες απώλειες με την παραμικρή γεωμετρική απόκλιση, τόσο κατασκευής όσο και τοποθέτησης χωρικά. Όμως, με την εξέλιξη μεθόδων τοποθέτησης υψηλής ακρίβειας, και την βελτιστοποίηση των τεχνικών κατασκευής τόσο των ενεργών στοιχείων, όσο και των παθητικών board που θα τα φιλοξενήσουν, μειώνοντας σημαντικά τις απώλειες, το ενδιαφέρον για αυτή την μέθοδο ολοκλήρωσης αναζωπυρώθηκε τα τελευταία χρόνια.

70 Το γεγονός ότι, για την επεξεργασία οπτικού σήματος, απαιτούνται πολλά ενεργά στοιχεία τοποθετημένα σειριακά, οδηγεί μερικές φορές στη υβριδική ολοκλήρωση ως την μοναδική λύση, μιας και η δημιουργία τους μονολιθικά είναι χρονοβόρα διαδικασία. Επίσης, επειδή η κατασκευή των ξεχωριστών ενεργών στοιχείων σε μεγάλο αριθμό, και η αυτοματοποίηση της ένωσης τους με τα παθητικά boards, θεωρείται εγχείρημα οικονομικότερο και ευκολότερο σε σχέση με την αμιγώς μονολιθική ολοκλήρωση, η υβριδική τεχνολογία κερδίζει έδαφος λόγω των προοπτικών για παραγωγή PICs σε μεγάλη κλίμακα. Μέχρι στιγμής η χρήση InP ως βασικό υλικό μονολιθικά ολοκληρωμένων φωτονικών, ήταν εκτεταμένη. Με την εισαγωγή του πυριτίου στα ολοκληρωμένα φωτονικά, και την ευκολία συνδυασμού του με ημιαγώγιμες ενώσεις τύπου III-V, οι προοπτικές για ευκολότερη, οικονομικότερη και πιο αποτελεσματική ολοκλήρωση αυξήθηκαν. Η σύζευξη των κυματοδηγούμενων τρόπων, από υλικά III-V, με κυματοδηγούς πυριτίου, είναι η βέλτιστη. Επίσης, με την κατασκευή των κυκλωμάτων επάνω σε wafer πυριτίου, υπάρχει μικρότερη θερμική απαγωγή, μιας και το πυρίτιο μπορεί να απομακρύνει μεγαλύτερα ποσά θερμότητας. Συγκεκριμένα, ο στόχος ο οποίος έχει τεθεί, είναι να εκμεταλλευθούν πλήρως οι δυνατότητες των InP/III-V ενεργών ενώσεων, οι οποίες προσφέρουν υψίρυθμα οπτικά στοιχεία, και το πυρίτιο ως το βέλτιστο υλικό κυματοδήγησης και κατασκευής υποστρώματος. Ερευνητικές και πειραματικές προσεγγίσεις, όπως αυτής του προγράμματος BOOM [101], ανέδειξαν τις δυνατότητες παρείσφρησης του πυριτίου στην κατασκευή φωτονικών, μειώνοντας τις απώλειες στους κυματοδηγούς (0.1dB/cm) και το κόστος, ανοίγοντας τον δρόμο για ρυθμούς επεξεργασίας εξαιρετικά μεγάλους σε συσκευές, όπως δρομολογητές, μετατροπείς μήκους κύματος και υψηλής πυκνότητας WDM πομποδέκτες (UDWDM), με έως και 160Gb/s πληροφορίας σε μορφή πακέτων. Στην συνέχεια, παρουσιάζονται οι τεχνικές και τα χαρακτηριστικά του ολοκληρωμένου φωτονικού κυκλώματος, που περιέχει τις διατάξεις που θα συζητηθούν αργότερα. 3.2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ MOTHERBOARD 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). Για την δημιουργία του SOI chip, χρησιμοποιείται η τεχνική UNIBOND. Κατά αυτή την τεχνική χρησιμοποιείται αρχικά ένα wafer πυριτίου. Στο wafer αυτό εφαρμόζεται η τεχνική της θερμικής οξείδωσης (Thermal oxidation), στην οποία υπό πολύ υψηλή θερμοκρασία (1000 ο ) και υψηλή πίεση διοχετεύεται οξυγόνο στην επιφάνεια του πυριτίου. Μέσα σε μερικά λεπτά, το πυρίτιο αρχίζει να οξειδώνεται και μετατρέπεται σε SiO2 (σε μερικές ώρες μπορούν έτσι να δημιουργηθούν στρώματα SiO2 μερικών μm). Στην συνέχεια εμφυτεύεται υδρογόνο σε συγκεκριμένο βάθος. Αφού το wafer αναστραφεί (flipping), επικολλάται σε ένα δεύτερο wafer πυριτίου και διασπάται εύκολα κατά τον άξονα που εμφυτεύτηκε υδρογόνο. Η επιφάνεια του πυριτίου λειαίνεται για να σχεδιαστούν στην συνέχεια τα κυκλωματικά παθητικά στοιχεία.

71 Εικόνα 3.2.1: Η διαδικασία κατασκευής SOI UNIBOND Το στρώμα πυριτίου το οποίο απομένει μετά την λείανση, έχει πάχος 4 μm, και θα εφαρμοστούν τεχνικές για την σχεδίαση των κυματοδηγών σε αυτό, που περιγράφονται παρακάτω Κατασκευή κυματοδηγών και συζευκτών στην motherboard Οι κυματοδηγοί που χρησιμοποιούνται για την δημιουργία των οπτικών κυκλωμάτων στο chip, έχουν την γεωμετρία που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (rib/strip waveguides), και αποτελούνται από πυρίτιο (nsi =3.45). Η χρήση του διοξειδίου του πυριτίου (SiO2, nsio2 = 1.3), γίνεται δεδομένου του μικρού δείκτη διάθλασης, για να περιορίζεται ισχυρά η κυματοδηγούμενη ισχύς στο κέντρο του κυματοδηγού (λόγω ολικής ανάκλασης). Εικόνα 3.2.2: Δομή και σύσταση rib κυματοδηγού Για την δημιουργία των κυματοδηγών και των υπολοίπων παθητικών διατάξεων, χρησιμοποιείται το αρχικό SOI wafer. Στην κορυφή υπάρχει το διαθέσιμο στρώμα πυριτίου 4μm που προαναφέρθηκε. Η δημιουργία των rib κυματοδηγών, των strip κυματοδηγών, των γωνιών 90 ο ως ανακλαστήρες, των rib-σε-strip μετατροπέων και των συμβολόμετρων πολλών τρόπων (MMIs), που χρησιμοποιούνται ώς οι συζεύκτες της διάταξης, γίνεται με μια πολύπλοκη διαδικασία λιθογραφίας, στην οποία χρησιμοποιούνται 7 διαφορετικές μάσκες, και η χάραξη γίνεται με την βολή ιόντων (reactive ion etching). ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 71

72 Στην συγκεκριμένη διαδικασία, αρχικά σχηματίζεται η μάσκα, δηλαδή το αρνητικό του οπτικού κυκλώματος που θα ολοκληρωθεί. Στην συνέχεια η μάσκα χαράσσει επάνω σε ένα υλικό το κανονικό κύκλωμα, δεδομένου ότι με υπεριώδη ακτινοβολία οι εκτιθέμενες περιοχές πολυμερίζονται και σταθεροποιούνται. Αυτές που δεν πολυμερίστηκαν είναι ευαίσθητες και μπορούν να απομακρυνθούν με χρήση διαλύτη. Το στρώμα αυτό ονομάζεται photoresist, γιατί είναι μη διαπερατό από ακτινοβολία, και εφαρμόζεται στην επιφάνεια του πυριτίου. Έπειτα, το chip εκτίθεται σε δέσμη ιόντων, τα οποία καταστρέφουν σταδιακά τα στρώματα του wafer ανάλογα με την ισχύ και την χρονική διάρκεια έκθεσης. Τέλος, το photoresist στρώμα απομακρύνεται και το αποτέλεσμα είναι το επιθυμητό οπτικό κύκλωμα. Σημειώνεται ότι, για διαφορετικές λειτουργίες, η χάραξη γίνεται και σε μεγαλύτερα βάθη. Για την κατασκευή των rib κυματοδηγών, καθώς και τον MM (Multimode) συμβολόμετρων, σε ρόλο συζεύκτη, επιθυμείται χάραξη μόνο στο στρώμα πυριτίου. Για την τοποθέτηση της συστοιχίας των SOA, που θα περιγραφούν στην συνέχεια, απαιτείται βαθύτερη χάραξη, μέχρι και το στρώμα διοξειδίου (BOX), όπως φαίνεται στο σχήμα, δεδομένου του υλικού συγκόλλησης, το οποίο θα τοποθετηθεί, ώστε να επικολληθεί και να μικρό-ευθυγραμμιστεί η συστοιχία. Εικόνα 3.2.3: Η διαδικασία χάραξης του οπτικού κυκλώματος RIE photolithography Ο κυματοδηγός μπορεί να αφεθεί εκτεθειμένος στον αέρα, από την επάνω πλευρά, είτε να επικαλυφθεί περαιτέρω με ένα στρώμα SiO2, ώστε η ολική εσωτερική ανάκλαση (total internal reflection TIR) να μην εξαρτάται από την θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα. Η πιθανή εναπόθεση του οξειδίου, γίνεται με την τεχνική υδρόλυσης με φλόγα (Flame Hydrolysis Deposition), κατά την οποία χλωριούχο πυρίτιο (SiCl4) εναποτίθεται με καύση οξυυδρικής φλόγας (H2-02) σε υψηλή θερμοκρασία, και στην συνέχεια, λόγω μικρών ανωμαλιών, λειαίνεται θερμικά (annealing process), δίνοντας υψηλής καθαρότητας στρώματα SiO2. Σημειώνεται ότι τα θερμικά στοιχεία (heaters), που εφάπτονται στους κυματοδηγούς, για μεταβολή της φάσης, αποτελούνται από μόλυβδο (Mο). Επίσης, οι κυματοδηγοί, στο σημείο που ενώνονται με τις εξωτερικές οπτικές ίνες (fiber pigtailing), αυξάνουν σταδιακά το μέγεθός τους μέχρι και τα 10μm, έτσι ώστε να υπάρχει βέλτιστη προσαρμογή στους τρόπους της ίνας. Το ίδιο συμβαίνει και στο σημείο που ένας μονότροπος rib κυματοδηγός προσαρμόζεται σε stripe πολύτροπο, για να εισαχθεί το φως στο ΜΜ συμβολόμετρο. Οι άκρες των κυματοδηγών, που πρόκειται να οδηγήσουν το φως στις εισόδους των SOAs, κατασκευάζονται υπό τέτοια μορφή, ώστε να υπάρχει ομαλή μετάβαση κυματοδήγησης του φωτός, όπως φαίνεται ξεκάθαρα και σε παρακάτω φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.

73 3.2.2 Κατασκευή daughterboard συστοιχίας InP SOAs Οι ενισχυτές που χρησιμοποιούνται είναι τύπου InGaAsP/InP. Αυτού του τύπου οι ενισχυτές, για υβριδική ολοκλήρωση, έχουν μελετηθεί εκτεταμένα [96][103], και επιλέγονται δεδομένης της γνώσης κατασκευής τους από την μονολιθική ολοκλήρωση. Στα πλαίσια της βέλτιστης επιλογής των ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών, στόχος του RAMPLAS είναι να ερευνηθεί και η χρήση InGaAsNSb, που κατασκευάζονται με ενώσεις βασισμένες σε GaAs και διάλυμα αζώτου (N) και αντιμονίου (Sb). Τα υλικά αυτά έχουν μεγαλύτερη ανοχή σε υψηλότερες θερμοκρασίες, δηλαδή η αύξηση της θερμοκρασίας κατά τη λειτουργία των διατάξεων προκαλεί μικρότερη διαφοροποίηση της λειτουργίας τους, χαρακτηριστικό σημαντικά απαιτούμενο για την μετάβαση σε ολοκλήρωση μεγαλύτερης κλίμακας. Στόχος της χρήσης των υλικών αυτών είναι η λειτουργία χωρίς έλεγχο της θερμοκρασίας του chip. Ενισχυτές αυτού του τύπου θα χρησιμοποιηθούν σε επόμενες πειραματικά ολοκληρωμένες διατάξεις, και δεν αναφέρονται εδώ τα χαρακτηριστικά τους. Σημαντικό χαρακτηριστικό στην κατασκευή ενός ημιαγώγιμου ενισχυτή ή laser, είναι η δομή του κρυσταλλικού πλέγματος. Συγκεκριμένα, ο συνδυασμός στοιχείων των ομάδων ΙΙΙ και V του περιοδικού πίνακα, έχει ως αποτέλεσμα την διαφορά στο μέγεθος του κρυσταλλικού πλέγματος, όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Η προσθήκη χημικών στοιχείων, στους ημιαγωγούς στις ενώσεις τύπου III-V, δίνει μικρότερα ενεργειακά διάκενα σε σχέση με τους συνδυασμούς που χρησιμοποιούνταν μέχρι τώρα, δεδομένου ότι μειώνεται to μέγεθος της κρυσταλλοδομής (lattice constant) της νέας ένωσης. Εικόνα 3.2.4: μεταβολή ενεργειακού διάκενου / σταθεράς κρυσταλλοδομής (lattice constant) βάση των προσμίξεων Είναι αυτονόητο ότι για βέλτιστα αποτελέσματα στην κατασκευή των SOAs, πρέπει να μελετηθούν οι βέλτιστες συνθήκες επιταξίας και θερμικής επεξεργασίας, για το υλικό που θα αποτελεί τον ενισχυτή. Πιο συγκεκριμένα, πρέπει να καθοριστούν παράμετροι, όπως η θερμοκρασία και η πίεση των υλικών τύπου III και As, που θα διοχετευθούν επάνω στην προς ανάπτυξη επιφάνεια, με την διαδικασία της επίταξης μοριακής ακτινοβολίας (Molecular Beam Epitaxy - MBE). ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 73

74 Για να επιτευχθεί η διαδικασία της επίταξης, χρησιμοποιείται ένας αντιδραστήρας MBE, ο οποίος περιέχει τα στοιχεία προς εναπόθεση (Ga, In, Al, Be, and Si), καθώς και τα As,P,Sb [124]. Ο χώρος του αντιδραστήρα λειτουργεί σε υπερβολικά χαμηλή πίεση, θεωρητικά κοντά στο κενό (~10-10 torr). Χρησιμοποιείται μια πηγή αερίου (τετραβρωμιούχου άνθρακα) για την πρόσθεση άνθρακα, και η εισαγωγή του αζώτου γίνεται με την βοήθεια πλάσματος, το οποίο θερμαίνεται για αρκετά λεπτά, ώστε να σταθεροποιηθεί η κατάστασή του πριν την διαδικασία. Τα υποστρώματα GaAs καθαρίζονται (~ ο C) σε ξεχωριστό μέρος, προτού εισαχθούν στον αντιδραστήρα για επιταξία. Για να μην υπάρχει πρόωρη αλληλεπίδραση του πλάσματος και των στοιχείων που δεν περιέχουν άζωτο, αυτό φυλάσσεται σε ξεχωριστό μέρος, μέχρι το στάδιο εισαγωγής. Ένας ιονιστής προσφέρει απομόνωση από διάφορα ανεπιθύμητα στοιχεία τα οποία μπορεί να επικολληθούν στην διάταξη. Η θερμοκρασία, κατά την διαδικασία της επιταξίας, παίζει σημαντικότατο ρόλο, με πολύ χαμηλές θερμοκρασίες επιταξίας να μην φέρουν το επιθυμητό αποτέλεσμα ένωσης των επί μέρους στοιχείων, ενώ πολύ υψηλές να προκαλούν διαχωρισμό των υλικών μέσα στην ένωση. Οι βέλτιστες συνθήκες είναι απαραίτητες για να αναπτυχθεί αντίστοιχα η καλύτερη φωταύγεια του υλικού (photoluminescence -PL), δηλαδή η ιδιότητα του υλικού να απορροφά φωτόνια και να τα επανεκπέμπει. Ύστερα από έρευνα βρέθηκε πως, χαμηλώνοντας την θερμοκρασία επιταξίας, αυξανόταν η ένταση της PL, έως ότου να καθίσταται άχρηστο το υλικό, όταν αναπτυσσόταν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Οι κατάλληλες συνθήκες για θερμική επεξεργασία (annealing) θα επηρεάσουν το τελικό αποτέλεσμα. Βάση υπολογισμών, ο βέλτιστος συνδυασμός θερμοκρασίας επιταξίας/ύστερης θερμικής επεξεργασίας βρέθηκε να είναι ο εξής: επιταξία σε θερμοκρασία 434 ο C και θερμική επεξεργασία έπειτα, ή επιταξία στους 321 ο C και καθόλου θερμική επεξεργασία έπειτα. Η επιλογές αυτές δίνουν την βέλτιστη τιμή PL, και μάλιστα βρέθηκε ότι με την σωστή επιλογή των δύο αυτών παραμέτρων η PL αυξανόταν στο υλικό περισσότερο από 2 φορές ως μέγεθος. Η πλακέτα (daughterboard) για τους ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές, ήταν μια συστοιχία από 6 SOAs. Δεδομένης της αποτελεσματικότητας της υβριδικής ολοκλήρωσης από μονολιθικά ολοκληρωμένα στοιχεία, συνδυασμοί των ενεργών σε συστοιχίες και σχεδιασμός του επίπεδου παθητικού οπτικού κυκλώματος (PLC), ώστε να υποδεχτούν τα ενεργά στοιχεία, μπορούν να δώσουν πολύ αποτελεσματικές αρχιτεκτονικές και να οδηγήσουν σε μεγαλύτερη ολοκλήρωση ευκολότερα. Οι SOAs που περιεγράφηκαν, για την μπάντα των 1550nm, όπου και λειτουργούν οι διατάξεις που σχολιάζονται στην διπλωματική, υλοποιήθηκαν με τον τρόπο που περιγράφεται στην παρακάτω εικόνα. Αποτελούνται από το υπόστρωμα InP, στο οποίο σχεδιάζεται μια διαστρωμάτωση InGaAsP/InP. Ο κεντρικός κυματοδηγός αποτελείται από InGaAsP, και πλαισιώνεται από InP, σε μια προσπάθεια να επιτευχθεί προφίλ του δείκτη διάθλασης σχήματος W, και να μειωθεί το ποσοστό κυματοδήγησης της οπτικής ισχύος στο περίβλημα. Αφού δημιουργηθεί το κυρίως μέρος των SOAs, στην συνέχεια προσκολλάται στην p πλευρά της διόδου (επάνω πλευρά του ενισχυτή) η παροχή τάσης, και στην n-πλευρά (κάτω πλευρά του ενισχυτή) η γείωση της διόδου. Η ηλεκτρική σύνδεση επιτυγχάνεται με επικόλληση πολύ λεπτών στρωμάτων χρυσού (Au) εκατέρωθεν του υλικού του ενισχυτή, για να ελαχιστοποιηθεί η ηλεκτρική αντίσταση και εκπεμπόμενη θερμότητα κατά την λειτουργία. Δεδομένου όμως ότι ο χρυσός δεν μπορεί να επικολληθεί απευθείας στο υλικό του ημιαγωγού, χρησιμοποιείται μια διαστρωμάτωση μετάλλων.

75 Συγκεκριμένα, αφού κατασκευαστεί με επιταξία η πλακέτα των ενισχυτών, ακολουθεί η διαδικασία φωτολιθογραφίας, για τη χάραξη των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του ridge κυματοδηγού, όπως περιγράφεται σε προηγούμενο υποκεφάλαιο. Στην συνέχεια ακολουθείται η διαδικασία τοποθέτησης των μεταλλικών διεπαφών (metallization), κατά την οποία τοποθετούνται, στην p-περιοχή (τάση) του ημιαγωγού, φύλλα τιτανίου (Ti), λευκόχρυσου (Pt), και χρυσού (Au), ενώ αντίστοιχα, στην n- περιοχή, μια διαστρωμάτωση νικελίου (Ni), χρυσού (Au), γερμανίου (Ge) και ξανά χρυσού (Au) με πάχος που προσδιορίζεται στην εικόνα Εικόνα 3.2.5: Διαστρωμάτωση των 1550nm που χρησιμοποιούνται Στην περίπτωση της συστοιχίας που περιεγράφηκε, επειδή οι κυματοδηγοί των ενισχυτών είναι και αυτοί τύπου ridge, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, τα φύλα χρυσού είναι διαφορετικά εκατέρωθεν. Συγκεκριμένα, από την μεριά του υλικού που είναι οι κυματοδηγοί (η τάση της διόδου), ο χρυσός επικολλάται σε λωρίδες, επάνω σε κάθε ένα από τους 6 κυματοδηγούς, ενώ στην κάτω επιφάνεια (γείωση της διόδου), ο χρυσός αποτελεί ένα ενιαίο στρώμα (άρα η γείωση είναι ενιαία για τους 6 SOAs). Για να επιτευχθεί η κατασκευή και επικόλληση των μεταλλικών επαφών στο board των ενισχυτών, ακολουθείται μια σειρά από βήματα για την p-περιοχή [127]: Διαμορφώνονται οι ridge κυματοδηγοί στο υπόστρωμα InP, με την διαδικασία της φωτολιθογραφίας (όπως αυτή παρουσιάστηκε στο υποκεφάλαιο 3.3). Ελέγχεται το προφίλ του δείκτη διάθλασης και το πάχος του κυματοδηγού που υλοποιήθηκε, με την χρήση ειδικής συσκευής (profilometer). Εφαρμόζονται στρώματα υλικών, τα οποία στην συνέχεια, με χρήση δεύτερης μάσκας, και έκθεση σε UV ακτινοβολίας, επικαλύπτουν τα προηγούμενα στα σημεία εκτός κυματοδηγών. Σχηματίζεται μια κοιλότητα, στην οποία τοποθετείται, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, η διαστρωμάτωση Ti/Pt/Au, και το εξωτερικό στρώμα του photoresist απομακρύνεται, αφήνοντας εκτεθειμένη μόνο την μεταλλική επαφή. Ακολουθείται η ίδια διαδικασία, και για την n-περιοχή, για δημιουργία των στρωμάτων Ni/Au/Ge/Au. Το αποτέλεσμα είναι αυτό της εικόνας ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 75

76 Εικόνα 3.2.6: Διαδικασία κατασκευής κυματοδηγών και τοποθέτησης metallizations στην daughterboard των SOAs. Κάτω φαίνεται η συστοιχία των 6 ενισχυτών. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό κατασκευής των SOAs, όπως περιεγράφηκε στο θεωρητικό κεφάλαιο, είναι αυτό της κατασκευής τους υπό γωνία σε σχέση με τον παράλληλο άξονα του chip, ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι ανακλάσεις. Στην συγκεκριμένη περίπτωση η γωνία απόκλισης ήταν 10 ο, και δεδομένου ότι, κατά την τοποθέτηση, ο SOA απέχει από το τέλος του κυματοδηγού περί τα 2.5 μm, το φως διαθλάται υπό γωνία 32.5 ο στον παρεμβαλόμενο αέρα, και έπειτα κατά 8.9 ο στο SOI. Για να ελαχιστοποιηθούν τα φαινόμενα lasing στην κοιλότητα τους, εφαρμόστηκαν στο τέλος του κυματοδηγού του κάθε SOA στρώματα αντιανακλαστικότητας, που αποτελούνταν από διοξείδιο του πυριτίου (silicon dioxide-sio2) και διοξείδιο του τιτανίου (titanium dioxide TiO2). Εικόνα 3.2.7: a) γωνία απόκλισης daughterboard, β) ο κυματοδηγός του SOA, γ) ολοκληρωμένο SOA array επάνω στο SOI Για να υποστηριχθούν οι δομές που αποτελούν της πύλες πρόσβασης και τα Flip-flop που ολοκληρώθηκαν, χρειάστηκαν 12 ημιαγώγιμοι οπτικοί ενισχυτές, οι οποίοι εφόσον ήταν σε συστοιχίες των 6, οργάνωσαν και τις διατάξεις επάνω στο chip σε δύο διαφορετικές ομάδες E και D. Σημειώνεται ότι ολόκληρη η δομή, όπως περιεγράφηκε, πρόκειται να αναποδογυριστεί για να προσκολληθεί στις υποδοχές, που έχουν κατασκευαστεί πάνω στο motherboard για αυτή, κατά την διαδικασία flip-chip που περιγράφεται στην συνέχεια Τεχνική flip-chip Η υβριδική υλοποίηση δεν θα μπορούσε να υπάρχει, χωρίς μια διαδικασία επικόλλησης των ενεργών στοιχείων στο παθητικό motherboard, η οποία θα χαρακτηριζόταν από υψηλή ακρίβεια και σταθερότητα, με σκοπό να επιτευχθούν ευθυγραμμίσεις που θα ελαχιστοποιούν τις απώλειες. Η διαδικασία ξεκινάει με τον σχηματισμό της κοιλότητας, που θα δεχθεί το ενεργό στοιχείο στο SOI. Η διαδικασία περιεγράφηκε πριν, με σημαντικό στοιχείο το γεγονός ότι, στην περίπτωση της υποδοχής των SOA, η κοιλότητα διανοίγεται μέχρι και το

77 στρώμα διοξειδίου, δεδομένου ότι πρέπει να ευθυγραμμιστεί ο κυματοδηγός του SOA με τους κυματοδηγούς στο SOI, που είναι σχεδιασμένοι στο επίπεδο του πυριτίου. Αφού διανοιχθούν οι κοιλότητες, που θα φιλοξενήσουν το daughterboard με την συστοιχία SOAs, γίνεται κατάλληλη επεξεργασία της περιοχής του SiO2, ώστε να σχηματιστούν: τα σημεία που θα χρησιμεύσουν ως βάσεις στερέωσης του board, ρυθμίζοντας έτσι την ευθυγράμμιση του στο ύψος, παθητικά. τα ηλεκτρικά κυκλωματικά στοιχεία, σε περαιτέρω διάνοιξη στο στρώμα SiO2, που θα λειτουργήσουν ως διεπαφές για την τροφοδοσία τάσης των SOAs. Επόμενο στάδιο είναι η τοποθέτηση μείγματος χρυσού-κασσίτερου (Au-Sn) κατά βούληση (on-demand) επάνω στις ηλεκτρικές διεπαφές του SOI. Η διαδικασία της επικόλλησης του daughterboard σε αυτό το σημείο, δε μπορεί να γίνει με απλά μέσα. Επειδή απαιτείται εξαιρετική ακρίβεια, χρησιμοποιούνται εξειδικευμένες συσκευές σύζευξης (flip-chip bonders), με ακρίβεια 1μm, ώστε το board να επικαθήσει στην προτεινόμενη θέση. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται ευθυγράμμιση ενεργητικά κατά πλάτος και κατά μήκος. Εικόνα 3.2.8: α) SOA σε SOI, β) προσαρμογή του κυματοδηγού στο facet του SOA board, γ) υποδοχή στο SOI και επαφές Μετά την διαδικασία της επικόλλησης, πραγματοποιείται μια σειρά από ελέγχους (διαδικασία που δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί στη μονολιθική ολοκλήρωση). Αυτοί οι έλεγχοι περιλαμβάνουν μηχανικό έλεγχο κινητικότητας του επικολλημένου board, μικροσκοπικό οπτικό έλεγχο (Scanning Electron Microscope - SEM), για την ακεραιότητα και την γεωμετρία της κόλλησης, και πρώτες πειραματικές μετρήσεις των απωλειών με χρήση ινών. Ως τελικό στάδιο, το chip επικολλάται σε κομμάτι θερμό-αγώγιμου υλικού με εποξική κόλλα, πρώτον για να σταθεροποιηθούν υπάρχουσες μικροκάμψεις, που θα καταστρέψουν τις διατάξεις, και, δεύτερον, για να υπάρχει αποβολή της θερμότητας των ενεργών. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 77

78 Εικόνα 3.2.9: τρόπος επικόλλησης του chip επάνω σε θερμοαγώγιμο υλικό Όπως προαναφέρθηκε, το πυρίτιο, ως το χαμηλότερο υπόστρωμα του chip, έχει ικανότητα να αποβάλει την θερμότητα που παράγεται στα υψηλότερα στρώματα πυριτίου/sio2, και σε συνδυασμό με το θερμό-αγώγιμο υλικό στο οποίο επικολλάται, πραγματοποιείται ευκολότερος έλεγχος της θερμοκρασίας λειτουργίας, από το TEC (temperature controller) Διασύνδεση καλωδίων (Wire Bonding) Ως wire bonding θεωρείται εκείνη η διαδικασία, κατά την οποία γίνονται οι ηλεκτρικές διασυνδέσεις των ενεργών στοιχείων του chip, με εξωτερικές θύρες, για παροχή ηλεκτρικής ισχύος. Στο chip που παρουσιάστηκε, απαιτήσεις ισχύος ώς ενεργά στοιχεία έχουν οι συστοιχίες των SOAs, οι θερμαινόμενοι κυματοδηγοί, που λειτουργούν ως μεταβολείς φάσης, και τα οπτικά φίλτρα που χρησιμοποιούνται σε κάποιες διατάξεις. Δεν επιλέχθηκε να γίνει η ηλεκτρική σύνδεση με αγωγούς επάνω στο SOI, για να μην υπάρχει διασταύρωση και επαφή με τους κυματοδηγούς. Η λύση που προτάθηκε και υλοποιήθηκε ήταν η εναέρια διασύνδεση των pads που προέρχονται από το κάθε ενεργό, με αντίστοιχα pads στα άκρα του SOI, που με την σειρά τους δίνουν έπειτα μεγαλύτερη ευελιξία για συνδεσμολογία μακριά από το SOI. Τα μικροκαλώδια, τα οποία χρησιμοποιούνται σε αυτή την διαδικασία, αποτελούνται από χρυσό, για υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα, και εφαρμόζονται στα επιθυμητά σημεία με την βοήθεια μηχανήματος (wire bonder), το οποίο επικολλά αυτόματα συγκεκριμένου μεγέθους κομμάτια. Στο παρακάτω σχήμα βρίσκεται μια κάθετη τομή της διάταξης, στη οποία φαίνονται όσες τεχνικές περιεγράφηκαν, από την χάραξη της περιοχής για επικάθηση του SOA board (μέχρι το Box υπόστρωμα), διαδικασία flip-chip soldering, και wire bonding. Σημειώνεται, στο σχήμα, το νοητό επίπεδο στο οποίο θα πρέπει εν τέλει να βρίσκονται ευθυγραμμισμένοι οι κυματοδηγοί του ενισχυτή και του SOI.

79 Εικόνα : εγκάρσια τομή του chip στο σημείο τοποθέτησης του SOA-board Η κατασκευή των SOA που αναφέρεται παραπάνω έγινε στο κέντρο ερευνών οπτοηλεκτρονικών (ORC) του πανεπιστημίου Tampere της Φινλανδίας. Η κατασκευή του chip πυριτίου και η διαδικασία flip-chip έγιναν στο τεχνικό κέντρο έρευνας (Technical Research Center VTT) της Φιλανδίας. Η διασύνδεση καλωδίων (wire bonding) έγινε στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου (Technische Universität Berlin TUB) Πολύτροπα συμβολόμετρα (Multi-mode Interferometers MMI) Οι διατάξεις του παρόντος chip, απαιτούν συζεύκτες με δύο διαφορετικούς λόγους σύζευξης, 50/50 και 70/30 συγκεκριμένα. Δεδομένου ότι το μέγεθος του chip, ως προς κάθε διάσταση, πρέπει να παραμείνει μικρό, επιλέχθηκαν (συγκεκριμένα για το ύψος) συμβολόμετρα multi-mode στον ρόλο συζευκτών, δεδομένου του μικρού μεγέθους τους και της εύκολης κατασκευής στο SOI, σε σχέση με κατευθυντικούς συζεύκτες. Ένα MM συμβολόμετρο κατασκευάζεται επάνω στο SOI με παρόμοια διαδικασία με αυτή των κυματοδηγών, που περιεγράφηκαν νωρίτερα. Η διάτρηση του στρώματος πυριτίου (etching) γίνεται προσεκτικά, για την δημιουργία της κοιλότητας του MMI, γιατί διαφορετικά θα προκληθούν ανωμαλίες στον κυματοδηγό, λόγω εισόδου στο στρώμα SiO2 (underetching). Η είσοδος του φωτός, από τους μονότροπους rib κυματοδηγούς, στα συμβολόμετρα MM, μπορεί να γίνει μόνο με μετάβαση σε strip πολύτροπο κυματοδηγό, και όχι άμεσα. Το MM συμβολόμετρο, ανάλογα με τον επιθυμητό ρόλο συζεύκτη που καλείται να παίξει, έχει και την αντίστοιχη αρχιτεκτονική. Για παράδειγμα στις διατάξεις του chip απαιτούνται μόνο συζεύκτες 2x1 και 2x2, για την δημιουργία των συμβολομετρικών διατάξεων MZI. Για τη δημιουργία ενός τέτοιου συμβολόμετρου, πρέπει να ληφθεί υπόψιν ότι το μήκος και το πλάτος του είναι τετραγωνικά ανάλογα. Επίσης, όσο μικρότερος είναι ο λόγος πλάτους κυματοδηγού / κενού κυματοδηγού - εισόδου του MMI, τόσο μεγαλύτερες απώλειες εισάγονται. Ύστερα από μελέτη, υπολογίστηκε ότι για σύζευξη 50/50 στα 1550nm το επιθυμητό μήκος κυματοδηγού του MMI είναι 111.6μm, πολύ μικρότερο από έναν κατευθυντικό κυματοδηγό. Για να επιτευχθεί σύζευξη 50/50 έχει εφαρμοστεί ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 79

80 τροποποίηση του πλάτους των κυματοδηγών στο ΜΜΙ με αντίθετο πρόσημο (+0.5,- 0.5). Εικόνα : υπολογισμός των χαρακτηριστικών ενός ΜΜΙ για σύζευξη 50/50 και κατανομή οπτικού πεδίου Μέσω υπολογισμών, τα αντίστοιχα στοιχεία, για να επιτευχθεί σύζευξη 70/30, είναι μήκος κυματοδηγού 35 μm και αντίστοιχη μετατροπή του πλάτους των κυματοδηγών +0.3 και -0.3 αντίστοιχα. Η επιλογή των ΜΜΙ για σύζευξη, δίνει το πλεονέκτημα για αποφυγή κατασκευαστικών λαθών και ατελειών ευθυγράμμισης, που θα εισήγαγαν απώλειες, και θα αύξαναν το μέγεθος του chip.

81 Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 4 : Δ Ι ΑΤ Α Ξ Ε Ι Σ Τ Ο Υ C H I P

82

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΤΟΥ CHIP ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΤΟΥ CHIP Στο παρόν κεφάλαιο θα γίνει μια αναφορά στις διατάξεις του chip, τη σχεδίασή τους και τη θεωρητική τους λειτουργία,. Οι διατάξεις που θα αναλύσουμε είναι κατασκευασμένες χρησιμοποιώντας τις μεθόδους που αναφέραμε στο κεφάλαιο ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Απώτερος σκοπός του πειράματος είναι, όπως αναφέρθηκε, να ξεπερασθεί το πρόβλημα του «Memory Wall», υλοποιώντας οπτική τεχνολογία RAM και σχεδιάζοντας ένα υπολογιστικό περιβάλλον που θα χρησιμοποιεί την τεχνολογία αυτή, το οποίο θα παρουσιάζει αυξημένη αποδοτικότητα και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας. Για να λειτουργήσει ένα κύτταρο μνήμης τυχαίας προσπέλασης (RAM cell) βασισμένο σε οπτική τεχνολογία, χρειάζονται διατάξεις αντίστοιχες με αυτές στην ηλεκτρονική RAM. Σε αυτές συμπεριλαμβάνονται οπτικά flip-flop για λογική αποθήκευση των οπτικών δεδομένων και πύλες πρόσβασης (access gates) οι οποίες λειτουργούν ως αποκωδικοποιητές γραμμής και στήλης (word line). Για το chip που εξετάζουμε συνολικά προτάθηκαν προς υλοποίηση 2 πύλες πρόσβασης βασισμένες σε SOAs και 5 εναλλακτικές αρχιτεκτονικές για flip-flop μηχανισμούς αποθήκευσης. Με σκοπό την εξοικονόμηση χώρου στο chip, κάθε τέτοια διάταξη έχει τοποθετηθεί μεμονωμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ανεξάρτητη από τις υπόλοιπες διατάξεις, ενώ η διασύνδεση με τους κυματοδηγούς έγινε με τρόπο που να επιτρέπει τον συνδυασμό των διατάξεων για τη δημιουργία διαφορετικών κυττάρων μνήμης. Η τακτική αυτή μας δίνει μεγαλύτερη πειραματική ευελιξία, εφόσον καθιστά ευκολότερη την ανίχνευση ελλαττωματικών στοιχείων και επιτρέπει στη λειτουργία των υπολοίπων διατάξεων αγνοώντας τα ελλαττωματικά. Για τις πύλες πρόσβασης στα οπτικά κελιά μνήμης επιλέχθηκαν μόνο SOA μεταγωγοί και ο βασικός φυσικός μηχανισμός που χρησιμοποιήθηκε σε αυτούς είναι το φαινόμενο ετεροδιαμόρφωση κέρδους (Cross Gain Modulation XGM). Ωστόσο, επιλέχθηκαν δύο διαφορετικές περιπτώσεις, με την πρώτη να εφαρμόζει δύο διακριτούς SOA ως πύλες πρόσβασης σε κάθε κελί μνήμης και με την δεύτερη να χρησιμοποιεί πολυπλεξία μήκους κύματος (WDM) σε SOA εκμεταλλευόμενη την ποικιλία μηκών κύματος στο οπτικό σήμα, ώστε να χρειάζεται μόνο μία μόνο πολυκυματική πύλη πρόσβασης ανά κελί μνήμης. Συνολικά στο chip πυριτίου ολοκληρώθηκαν ως πύλες πρόσβασης τα εξής: 1) 4 μεμονωμένοι SOA ως πύλη πρόσβασης, 2 σε κάθε κελί μνήμης (Access Gate 1- AG1) 2) 2 WDM SOAs ως πύλη πρόσβασης, 1 σε κάθε κελί μνήμης (Access Gate 2- AG2) Όσον αφορά τα flip-flop, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές αρχιτεκτονικές μεταγωγής, βασισμένες σε δύο διαφορετικούς μηχανισμούς μεταγωγής (ετεροδιαμόρφωσης κέρδους και ετεροδιαμόρφωσης φάσης), χρησιμοποιώντας συζευγμένους SOAs και συμβολομετρικές διατάξεις SOA-MZIs αντίστοιχα. Αυτό μας επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία εκμεταλλευόμενοι τα πλεονεκτήματα του κάθε μηχανισμού μεταγωγής. Για ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 83

84 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ τα SOA-MZIs επιλέχθηκε ασύμμετρη διαμόρφωση, έχοντας έναν SOA ανά μεταγωγό, αντικαθιστώντας τον SOA στον άνω κλάδο του MZI με έναν αντιστάτη (resistor). Συνολικά στο chip ολοκληρώθηκαν οι εξής διατάξεις flip-flop: 1) Σύζευξη δύο ασύμμετρων SOA-MZIs (FF1) 2) 2 συστοιχίες 2 συζευγμένων SOAs με ενσωματωμένο φίλτρο (FF2) 3) 2 συστοιχίες 2 συζευγμένων SOAs χωρίς φίλτρο (FF3) 4) Ένα SOA-MZI με βρόχο ανάδρασης με ενσωματωμένο φίλτρο (FF4) Συνδυάζοντας τα παραπάνω στοιχεία οδηγούμαστε σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές για τα οπτικά κύτταρα μνήμης και ο χαρακτηρισμός αυτών ως προς τις οπτικές απώλειες, την κατανάλωση ενέργειας και την σωστή λειτουργία τους θα παρουσιαστεί αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο. Όσον αφορά τα φαινόμενα λειτουργίας, γίνεται ξεκάθαρο ότι οι διατάξεις που βασίζονται σε ετεροδιαμόρφωση κέρδους έχουν χαμηλότερο ανώτατο όριο στην ταχύτητα μεταγωγής τους από αυτές που λειτουργούν βάσει του φαινομένου ετεροδιαμόρφωσης φάσης, εξαιτίας της γρηγορότερης χρονικής απόκρισης του φαινομένου της ετεροδιαμόρφωσης φάσης (Cross Phase Modulation, XPM). 4.2 ΠΥΛΕΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ (ACCESS GATES) ΣΤΟ CHIP Ημιαγώγιμος οπτικός ενισχυτής ως πύλη πρόσβασης (AG1) Πρόκειται για την πρώτη και πιο απλή υλοποίηση πύλης πρόσβασης στο κύτταρο μνήμης και περιλαμβάνει την ολοκλήρωση ενός μεμονωμένου SOA με τη συνδεσμολογία που φαίνεται στην Εικ Φυσικά η συνδεσμολογία αυτή είναι ίδια για όλους τους SOAs στο chip μας, αφού, όπως αναφέραμε ήδη, οι SOAs είναι κατασκευασμένοι σε 2 συστοιχίες των 6 ενισχυτών. Εικόνα 4.2.1: AG από έναν μόνο ημιαγώγιμο οπτικό ενισχυτή Στην εικόνα παρουσιάζεται ένας SOA ως πύλη πρόσβασης ικανή να ελέγχει την πρόσβαση των οπτικών δεδομένων στο κελί της μνήμης, χρησιμοποιώντας το φαινόμενο ετεροδιαμόρφωση κέρδους. Πιο συγκεκριμένα, ένα ισχυρό σήμα ελέγχου εφαρμόζεται στην είσοδο της πύλης, το οποίο δεν επιτρέπει στα πιο αδύναμα εισερχόμενα οπτικά σήματα δεδομένων να λάβουν κέρδος από τον ενισχυτή, με αποτέλεσμα να εμποδίζεται η διέλευσή τους στο οπτικό κελί μνήμης (διαδικασία ανάγνωσης Read operation). Στην αντίθετη περίπτωση, δηλαδή κατά την απουσία του σήματος ελέγχου, τα σήματα δεδομένων λαμβάνουν κέρδος από τον ενισχυτή και μπορούν να εισαχθούν και να εγγραφούν στο κελί της μνήμης (διαδικασία εγγραφής 84 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΤΟΥ CHIP Write operation). Είναι φανερό πως, λόγω της χρήσης ενός μόνο SOA, η διάταξη αυτή αποτελεί την απλούστερη υλοποίηση πύλης πρόσβασης, καθώς το μέγεθος του προτύπου πάνω στο chip είναι μικρό και έχει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. 4.3 ΑΜΙΓΩΣ ΟΠΤΙΚΑ FLIP-FLOPS (ALL OPTICAL FLIP- FLOPS) ΣΤΟ CHIP Στο υποκεφάλαιο αυτό, θα γίνει μια περιγραφή των αρχιτεκτονικών στις οποίες βασίζονται τα διαφορετικά flip-flop, τα οποία έχουν υλοποιηθεί στο chip που εξετάζουμε Συζευγμένα Ασύμμετρα MZI με χρήση SOA (FF1) Στην εικόνα απεικονίζεται ένα πειραματικό σχέδιο ενός αμιγώς οπτικού Flip-Flop αποτελούμενο από δύο συζευγμένα ασύμμετρα SOA-MZI συμβολόμετρα. Την λειτουργία της συγκεκριμένης διάταξης την περιγράψαμε αναλυτικά στο κεφάλαιο 2, ωστόσο θα αναφερθούμε ξανά σε αυτήν περιληπτικά σε αυτήν την παράγραφο. Στον ένα κλάδο (κάτω) του MZI υπάρχει ένας SOA και στον άλλο κλάδο υπάρχει κάποιο ενεργό στοιχείο για μεταβολή φάσης (μεταβολέας φάσης phase shifter), στο οποίο εφαρμόζουμε κάποια τάση ώστε να μεταβάλουμε τις ιδιότητες ενός οπτικού κύματος που το διαπερνά. Για τη λειτουργία των στοιχείων που επιτυγχάνουν μεταβολή φάσης στο οπτικό κύμα αναφερθήκαμε αναλυτικότερα νωρίτερα, όταν περιγράψαμε το φαινόμενο αυτό (κεφ. 2). Υπάρχουν διάφορες διατάξεις που λειτουργούν ως μεταβολείς φάσης, όπως θερμικά στοιχεία (heaters) και αντιστάτες (resistors). Στο chip που εξετάζουμε, ως μεταβολείς φάσης χρησιμοποιούνται αντιστάτες. Εικόνα 4.3.1: σύζευξη 2 ασύμμετρων SOA-based MZIs με phase shifters στους κλάδους τους Η βασική ιδέα πίσω από ένα SOA-MZI είναι η δυνατότητα δυναμικής αλλαγής των χαρακτηριστικών του κέρδους ισχύος, της μεταβολής φάσης και του δείκτη διάθλασης του ενισχυτή, με χρήση ισχυρών διερχόμενων παλμών, λόγω της μη-γραμμικότητας. Μια τέτοια αλλαγή οδηγεί σε προσθετική ή αναιρετική συμβολή των διερχόμενων σημάτων στην έξοδο του MZI. Στην περίπτωσή μας, εκμεταλλευόμαστε την βασική λειτουργία του συμβολόμετρου Mach-Zender, σε συνδυασμό με το παραπάνω ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 85

86 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ φαινόμενο, ώστε να πετύχουμε λειτουργία Flip-Flop, χρησιμοποιώντας δύο συζευγμένα ασύμμετρα SOA-MZI. Το κύκλωμά μας έχει δύο εισόδους, η μία για το κάθε SOA-MZI, από τις οποίες στέλνουμε δύο (εξωτερικά) κύματα συνεχούς κυματομορφής λ1 και λ2, καθώς και δύο άλλες εισόδους, από τις οποίες εισέρχονται τα πιο ισχυρά σήματα ελέγχου, που λειτουργούν ως σήματα θέσης (SET) και επαναφοράς (RESET). Οι λειτουργίες SET και RESET μπορούν πολλές φορές να γίνουν χρησιμοποιώντας το ίδιο μήκος κύματος, λόγω ευκολίας, οπότε στην εικόνα και τα δύο σήματα ελέγχου απεικονίζονται με το μήκος κύματος λb. Επίσης, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν, ως σήματα ελέγχου, τα ίδια μήκη κύματος, που χρησιμοποιούνται ως σήματα εισόδου στους SOAs, περιορίζοντας έτσι και τον αριθμό των οπτικών πηγών που απαιτούνται για τη λειτουργία του κυκλώματος. Το κύκλωμα, εν συνεχεία, έχει δύο εξόδους, τις OUT#1 και OUT#2, από τις οποίες εξέρχονται τα λ1 και λ2 αντίστοιχα. Παρ όλα αυτά, για σωστή λειτουργία του Flip-Flop, θα πρέπει να αποφεύγεται η ταυτόχρονη είσοδος στο κύκλωμα των παλμών Set και Reset, καθώς αυτό οδηγεί σε απροσδιόριστη έξοδο του κυκλώματος. Η λογική τιμή του κελιού μνήμης εξαρτάται από το κυρίαρχο συνεχές κύμα. Επιλέξαμε αυθαίρετα πως θα συμβολίζουμε ως λογική τιμή 1 την περίπτωση κατά την οποία το λ1 είναι κυρίαρχο και παίρνουμε ισχύ στην έξοδο OUT#1, ενώ συμβολίζουμε ως λογική τιμή 0 την περίπτωση κατά την οποία το λ2 είναι κυρίαρχο και παίρνουμε ισχύ στην έξοδο OUT#2. Η αλλαγή μεταξύ των καταστάσεων επιτυγχάνεται με τα σήματα ελέγχου, τα οποία απορροφούν το κέρδος ενός από τους δύο SOA, ανάλογα την περίπτωση SET ή RESET, και επιτρέπουν στο σήμα που περνά από τον άλλο SOA να γίνει κυρίαρχο [65]. Οι μεταβολείς φάσης χρησιμοποιήθηκαν για μικρές αλλαγές στη φάση στον ένα κλάδο του MZI, ώστε να βελτιστοποιηθεί η ισχύς λόγω συμβολής στην έξοδο. Σε συνδυασμό με πύλη πρόσβασης, το οπτικό Flip-Flop εξυπηρετεί ως ένα στοιχείο μνήμης για την αποθήκευση ενός bit οπτικών δεδομένων. Οι συζεύκτες που χρησιμοποιήθηκαν είχαν λόγους σύζευξης r1=r4=0.7 και r2=r3=0.5. Το μήκος της σύζευξης των δύο SOAs είναι αυτό το οποίο σχετίζεται άμεσα με την ταχύτητα αποκατάστασης της ισορροπίας στο Flip-Flop και συνεπώς επηρεάζει άμεσα και την ταχύτητα λειτουργίας του Συζευγμένοι SOAs με ενδιάμεσο φίλτρο (FF2) Εδώ παρουσιάζεται ένα εναλλακτικό σχέδιο για υλοποίηση αμιγώς οπτικού SR Flip- Flop, την λειτουργία του οποίου περιγράψαμε αναλυτικά στο κεφάλαιο 2. Στην εικόνα φαίνεται η συνδεσμολογία και τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται. Η λειτουργία της συγκεκριμένης διάταξης βασίζεται σε παρόμοια φιλοσοφία με την προηγούμενη διάταξη, όμως σε αυτή την περίπτωση το φαινόμενο στο οποίο στηρίζεται είναι η ετεροδιαμόρφωση κέρδους στους ημιαγώγιμους ενισχυτές. 86 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΤΟΥ CHIP Εικόνα 4.3.2: α) σύζευξη SOAs με φίλτρο, β) το φίλτρο που έχει χρησιμοποιηθεί & το φάσμα αποκοπής Ουσιαστικά στο Flip-Flop της εικόνας οι SOA λειτουργούν ως διακόπτες και η λειτουργία του στηρίζεται στην αμφισταθερότητα μεταξύ της κατάστασης κορεσμού και μη των SOA. Ο κάθε SOA τροφοδοτείται με ένα συνεχές κύμα χαμηλής ισχύος, συγκεκριμένα τα λ1 και λ2 (αντίστοιχα), τα οποία απορροφούν το κέρδος του SOA από τον οποίο διέρχονται και διέρχονται μέσα στο κύκλωμα. Πρέπει να σημειωθεί πως η κατάσταση κατά την οποία τα λ1 και λ2 συνυπάρχουν μέσα στο κύκλωμα δεν είναι αποδεκτή, καθώς δίνει απροσδιόριστη έξοδο. Με το σκεπτικό αυτό, εισάγουμε ένα ισχυρό σήμα ελέγχου, είτε από την είσοδο θέσης (SET) είτε από την είσοδο επαναφοράς (RESET), με σκοπό να φτάσει σε κατάσταση κορεσμού τον SOA από τον οποίο διέρχεται κάθε φορά και να καταπιέσει το αντίστοιχο συνεχές κύμα. Σε αυτήν την περίπτωση, το άλλο σήμα γίνεται κυρίαρχο στο κύκλωμα και μπορεί να κρατήσει τον άλλο SOA σε κατάσταση κορεσμού, ακόμα και μετά την πάροδο του σήματος ελέγχου. Επομένως, η έξοδος του κυκλώματος είναι κάθε φορά το αντίστοιχο κυρίαρχο σήμα. Για να αλλάξει η έξοδος, θα πρέπει να εισαχθεί ένα σήμα ελέγχου από την άλλη είσοδο και να καταπιέσει το κυρίαρχο μήκος κύματος, ώστε να μπορέσει να ανακτήσει ισχύ το άλλο και να γίνει κυρίαρχο. Στην περίπτωσή μας, ως λογική έξοδος «1» θεωρείται η κυριαρχία του λ1, ενώ ως λογική έξοδος «0» θεωρείται η κυριαρχία του λ2. Οι SOAs είναι συζευγμένοι για επικοινωνία μεταξύ τους με έναν συζεύκτη (MMI coupler) 2x2 με λόγο 70/30. Από τον ίδιο συζεύκτη εισέρχονται και οι SET/RESET παλμοί και εξέρχονται και οι έξοδοι του Flip-Flop. Βασικός παράγοντας για τον καθορισμό του ορίου ταχύτητας λειτουργίας ενός Flip- Flop, όπως αναφέραμε, αποτελεί το μήκος της ζεύξης μεταξύ των δύο SOA [61]. Το μήκος αυτό προσπαθεί να βελτιστοποιήσει ο συγκεκριμένος σχεδιασμός του κυκλώματος, αφού η διακριτική απλότητά του οδηγεί σε μικρό μέγεθος (ίχνος) επάνω στο chip και το καθιστά ιδανικό για φωτονική ολοκλήρωση, που θα μικρύνει το μήκος σύζευξης εντός του Flip-Flop και θα επιτρέψει επιτυχή λειτουργία σε ταχύτητες πολλών Gb/s. Το φίλτρο που χρησιμοποιείται στη διάταξη, βρίσκεται ανάμεσα στους δύο SOA και έχει σκοπό να επιτρέπει μόνο τη διέλευση των λ1 και λ2, ενώ αποκόπτει το θόρυβο αυθόρμητης εκπομπής (Amplified Spontaneous Emission, ASE) που παράγεται από τους ενισχυτές. Το φίλτρο είναι υλοποιημένο με τρία ασύμμετρα MZI που κάνουν χρήση συζευκτών 1x2 πολύτροπου συμβολόμετρου (MMI couplers) με λόγο σύζευξης 50/50. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 87

88 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Συζευγμένοι SOAs χωρίς ενδιάμεσο φίλτρο (FF3) Η διάταξη αυτή φαίνεται στην εικόνα Η αρχιτεκτονική και η λειτουργία της είναι ίδια με την FF2, χωρίς όμως την παρεμβολή φίλτρου ανάμεσα στους SOAs. Το αποτέλεσμα που θέλαμε να επιτύχουμε με την αφαίρεση του φίλτρου είναι η σημαντική μείωση του μεγέθους του chip και του μήκους της σύζευξης ανάμεσα στους SOAs. Επίσης, οι απώλειες που εισάγει το φίλτρο δεν υπάρχουν σε αυτήν την περίπτωση, οπότε η ισχύς εξόδου είναι αρκετά μεγαλύτερη. Το μειονέκτημα της διάταξης αυτής είναι πως αντιμετωπίζει τον θόρυβο αυθόρμητης εκπομπής από τους ενισχυτές, ο οποίος μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία του Flip-Flop, είτε μικραίνοντας το άνοιγμα ματιού στους παλμούς (extinction ratio) είτε καταπιέζοντας ένα μήκος κύματος στις περιπτώσεις που θα έπρεπε να είναι κυρίαρχο. Αν όμως η διάταξη λειτουργεί σωστά παρά τα προβλήματα, τότε θα επιλεχθεί, επειδή είναι οικονομικότερη και κατασκευαστικά απλούστερη. Εικόνα 4.3.3: σύζευξη SOAs χωρίς φίλτρο Συμμετρικό SOA-MZI με βρόγχο ανάδρασης με ενσωματωμένο φίλτρο (FF4) Η υλοποίηση αυτή αποφέρει λειτουργία ενός Τ Flip-Flop, όπως την περιγράψαμε στο κεφάλαιο 2. Η συγκεκριμένη σχεδίαση αποτελείται από ένα συμμετρικό συμβολόμετρο Mach-Zender (MZI), το οποίο στεγάζει έναν ενισχυτή σε κάθε κλάδο του, και από έναν επιπλέον κυματοδηγό ο οποίος λειτουργεί ως βρόγχος ανάδρασης (feedback loop), ανατροφοδοτώντας το σήμα στο MZI. Ουσιαστικά, εκμεταλλευόμαστε το φαινόμενο της ετεροδιαμόρφωσης φάσης στον ένα SOA (στον πάνω κλάδο), ώστε να αλλάζει το αποτέλεσμα της συμβολής στην έξοδο του συμβολόμετρου. Η ετεροδιαμόρφωση φάσης επιτυγχάνεται με την είσοδο ενός σήματος ελέγχου στον SOA. Επίσης, στο βρόγχο έχει ενσωματωθεί και ένα φίλτρο, για την αποκοπή του θορύβου που μπορεί να υποβαθμίσουν τη λειτουργία του Flip-Flop με την παρουσία τους στην διάταξη. Η ταχύτητα λειτουργίας καθορίζεται άμεσα από το μήκος του βρόγχου, οπότε αυτό θα πρέπει να είναι το ελάχιστο δυνατό. Με ολοκλήρωση σε μεγαλύτερη κλίμακα, αυτό είναι κάτι που θα μειωθεί, αυξάνοντας την ταχύτητα. 88 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΤΟΥ CHIP Εικόνα 4.3.4: SOA-based MZI με loop ανάδρασης και φίλτρο Η προσέγγιση αυτή είναι η πιο οικονομική, που έχει προταθεί ως τώρα για λειτουργία Τ Flip-Flop (Toggle Flip Flop), σε μέγεθος ολοκλήρωσης πάνω στο chip, καθώς και σε κατανάλωση ενέργειας, εφόσον χρησιμοποιείται μόνο ένα μήκος κύματος για είσοδο δεδομένων και ένα για σήμα ελέγχου [125]. Στην αρχιτεκτονική αυτή χρησιμοποιήθηκαν συζεύκτες 50/50, εκτός από τον r5, που είχε λόγο σύζευξης 70/30. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 89

90

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 5 : Π Ε Ι Ρ Α Μ ΑΤ Ι Κ Α Α Π Ο Τ Ε Λ Ε Σ Μ ΑΤ Α ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 91

92

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο ακολουθεί χαρακτηρισμός μερικών διατάξεων του chip που περιεγράφηκε και ο οποίος έλαβε χώρα στο εργαστήριο φωτονικής τεχνολογίας. Το κεφάλαιο αυτό είναι μια απόδειξη για τη λειτουργία των ολοκληρωμένων φωτονικών διατάξεων που παρουσιάστηκαν, ανοίγοντας το δρόμο για ολοκληρωμένη λειτουργία flip-flop στη συνέχεια. 5.1 ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑ ΤΟΥ CHIP Το chip αποτελείται από 2 συστοιχίες των 6 ενισχυτών SOA, που χωρίζουν το chip σε δύο μέρη, τα bar E και bar D, όπως φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Ε D Εικόνα 5.1.1: Η μάσκα του chip. Το «φωτεινό» κομμάτι είναι το λειτουργικό κομμάτι του chip του οποίου ο χαρακτηρισμός θα παρουσιαστεί. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 93

94 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Οι διαστάσεις του chip τελικά είναι οι ακόλουθες: Πλάτος 6.15 mm Ύψος (Μήκος) mm Πάχος 0.6 mm Η διάταξή των συστοιχιών στο chip είναι κάθετα σειριακά. Υπάρχουν θύρες εξόδου και από τις 2 μεριές, από τις οποίες οι συστοιχίες ενώνονται με τις εξωτερικές οπτικές ίνες (fiber pigtailing), μέσω κυματοδηγών πυριτίου, για είσοδο/έξοδο οπτικών σημάτων στο κύκλωμα. Βλέπουμε πως υπάρχουν 18 θύρες από την αριστερή πλευρά, για είσοδο (31 ΙΝ έως 48 ΙΝ), και 16 θύρες από την δεξιά πλευρά, για έξοδο (33 OUT έως 48 OUT). Παρακάτω παρουσιάζεται και μια πιο κοντινή φωτογραφία, όπου απεικονίζονται και οι ηλεκτρικές διεπαφές (pads), στις οποίες πατάνε τα καλώδια τροφοδοσίας των ενεργών διατάξεων. Εικόνα 5.1.2: Bar E chip close-up Κάποιες προκαταρκτικές μετρήσεις, για τις απώλειες στις διαχωριστικές επιφάνειες μεταξύ διαφορετικών διατάξεων, έδειξαν τα εξής: Από εξωτερική ίνα προς το chip (fiber-to-si chip): 5 db Μετατροπείς τρόπων διάδοσης (mode converters): 1 db Απώλειες εισόδου στον συζεύκτη ΜΜΙ (insertion loss in MMI coupler): 1 db Απώλειες για τους συζεύκτες 50/50: 4 db Για τους συζεύκτες 70/30 ποικίλει: 6-9 db Μετά την κατασκευή του chip, γίνονται κάποιες διαδικασίες για να συσκευαστεί. Το chip μπαίνει σε μια βάση που κάνει πιο εύκολη την αλληλεπίδραση του με εξωτερικά όργανα, καθώς και διευκολύνει και την τροφοδοσία και τον έλεγχο της θερμοκρασίας των διατάξεών του. Η βάση που χρησιμοποιήθηκε είναι κεραμική και έχει πάχος 0.3 mm με σκοπό να καταφέρουμε καλύτερη ευθυγράμμιση για τη συγκόλληση των καλωδίων (wirebonding). Ολόκληρη η κατασκευή έχει 16 ηλεκτρικές συνδέσεις που προέρχονται από τις τροφοδοσίες και τις γειώσεις των συστοιχιών των SOA. Οι 12 από τις συνδέσεις αυτές ανήκουν στις τροφοδοσίες (ρεύμα) και οι 4 στις γειώσεις. Οι συνδέσεις της τροφοδοσίας είναι μοιρασμένες σε όλους τους SOA ξεχωριστά (1 σύνδεση σήματος για κάθε SOA), ενώ οι γειώσεις είναι συγκεντρωμένες και καταλήγουν στις 4 συνδέσεις. Οι συνδέσεις αυτές καταλήγουν στις αγώγιμες λωρίδες χαλκού (conductive paths) που βρίσκονται εκατέρωθεν του chip, πάνω στο κεραμικό υπόστρωμα και ενώνονται με τη διαδικασία της συγκόλλησης. Όλες οι συνδέσεις καταλήγουν στη μία πλευρά της συσκευασίας, όπου υπάρχουν οι αγωγοί. 94 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Ε D Εικόνα 5.1.3: Το chip όπως φαίνεται από την κάμερα Εικόνα 5.1.4: Zoom στις συστοιχίες και το wire bonding Οι διαστάσεις και τα χαρακτηριστικά επίπεδα της κατασκευής που περιέχει τα αγώγιμα μονοπάτια φαίνονται στην εικόνα παρακάτω. Στην εικόνα φαίνεται πως οι χάλκινοι αγωγοί είναι τοποθετημένοι περιοδικά με απόσταση 230μm στο κεραμικό υπόστρωμα. Το πλάτος και το πάχος των αγωγών αυτών είναι 130μm και 20 μm αντίστοιχα. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 95

96 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 5.1.5: Διαστάσεις των στρωμάτων της συσκευασίας Τα διαδιδόμενα σήματα από τους αγωγούς μεταφέρονται (με συγκόλληση καλωδίων) στην PCB (Printed Circuit Board), που είναι βιδωμένη επάνω στην πλατφόρμα που χρησιμοποιούμε. Στην άλλη πλευρά της PCB, υπάρχει ένας D-connector, στον οποίο καταλήγουν οι γραμμές τροφοδοσίας, ώστε να μπορεί να γίνει μεταφορά ρεύματος μέσω εξωτερικών οργάνων. Εικόνα 5.1.6: PCB και D-connector ολοκληρωμένα στο σύστημα Για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του chip, υπάρχει εγκατεστημένο ένας ελεγκτής θερμοκρασίας ( TEC module), κάτω από την πλατφόρμα που είναι τοποθετημένο το chip, και είναι συνδεδεμένο κατευθείαν με την PCB, από την κάτω πλευρά. Αυτό επιτρέπει τη σύνδεση του chip με έναν εξωτερικό TEC (temperature controller), ώστε να γίνεται επίβλεψη της θερμικής κατάστασης, αλλά και ψύξη/θέρμανση, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν, τόσο περιβαλλοντικές, όσο και εγγενείς, λόγω λειτουργίας των ενεργών στοιχείων. Παρακάτω στην Εικόνα φαίνεται συνολικά η πλατφόρμα, πάνω στην οποία τοποθετήθηκε το chip. 96 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 5.1.7: Η συσκευασία του chip συνολικά 5.2 ΣΤΑΘΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ (PROBE STATION) Για τον χαρακτηρισμό του chip, δηλαδή τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με τα σήματα είσοδου αλλά και για την συλλογή των αντίστοιχων σημάτων εξόδου κατά τη λειτουργία του, 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). Στην εικόνα παρακάτω φαίνεται ο κεντρικός πύργος, πάνω στον οποίο βρίσκεται το συσκευασμένο chip, μια CCD (Charge-coupled device) camera με μικροσκόπιο για τον έλεγχο της θέσης των κορυφών των ινών ( από τα fiber arrays) σε σχέση με τους κυματοδηγούς του chip (στις άκρες) και 2 όργανα μεγάλης ακρίβειας (nm) για την σωστή τοποθέτηση των διατάξεων των ινών εισόδου/εξόδου στους άξονες Χ-Υ-Ζ. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά είδη από οπτικές ίνες για να επιτευχθεί καλύτερη αποδοτικότητα στην ανίχνευση των σημάτων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν ίνες κομμένες στην άκρη () και ίνες σε σχήμα φακού (lensed fibers) με 5 μm διάμετρο (κώνο) ανίχνευσης. Οι ίνες στα fiber arrays που χρησιμοποιήσαμε είχαν γωνία 0 και μέγεθος διάμετρου 9 μm. Εικόνα 5.2.1: a) Το probe station για ευθυγράμμιση ινών, b) Πανοραμική όψη της ευθυγράμμισης της συστοιχίας ινών, c) Εικόνα από μικροσκόπιο της συστοιχίας ινών ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 97

98 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Πρέπει να σημειωθεί, σε αυτό το σημείο, πως στις άκρες του chip (δηλαδή στις θύρες που βρίσκονται τέρμα πάνω και τέρμα κάτω) υπάρχουν κυματοδηγοί σε βρόχο (alignment loops), όπως φαίνεται στην εικόνα 5.2.2, για να γίνει ευκολότερα η ευθυγράμμιση. Στο σημείο εκείνο έρχεται και σε επαφή το chip με τους μεταλλικούς αγωγούς τροφοδοσίας. Λόγο μεγάλου πλάτους της διάταξης των αγωγών, δεν μπορούσε να ευθυγραμμιστεί εκεί η συστοιχία ινών, καθώς χτυπούσε στο υπόστρωμα. Εικόνα 5.2.2: Ο κυματοδηγός για ευθυγράμμιση, όπως φαίνεται στη μάσκα του chip 5.3 ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΣΧΥΣ ΕΞΟΔΟΥ ΚΑΙ ΦΑΣΜΑ ASE ΤΟΥ ΚΑΘΕ SOA Στη συνέχεια, θα γίνει ένας χαρακτηρισμός του chip, ως προς τη λειτουργία των επί μέρους στοιχείων του και των διατάξεών του. Θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα από τη μέτρηση της ισχύος εξόδου σε κάθε έξοδο, με ανοιχτό ένα SOA κάθε φορά, καθώς και θα αναλυθεί η λειτουργία του κάθε SOA ξεχωριστά, χωρίς τη χρήση συνεχούς κύματος, παρά μόνο παρακολουθώντας τα επίπεδα θορύβου (ASE) και τα πιθανά τυχαίες φασματικές συνιστώσες που επικρατούν στην κοιλότητα (lasing peaks). Επίσης, θα γίνει ένας έλεγχος για κατασκευαστικές ατέλειες παρακολουθώντας όλες τις οπτικές διαδρομές και προς τις δύο κατευθύνσεις. Τέλος, θα εξεταστεί η λειτουργία των διατάξεων σε μορφή κυκλωμάτων, δηλαδή χρησιμοποιώντας εξωτερικά σήματα και συνδυασμούς SOAs. Για να γίνουν σωστά οι παρακάτω έλεγχοι και να έχουν νόημα τα αποτελέσματα που θα προκύψουν, χρειάζεται πολύ καλή γνώση των διατάξεων και των φαινομένων που μπορεί να προκύψουν από κατασκευαστικά λάθη. Είναι, επίσης, σημαντικό να δοκιμαστούν πολύ συνδυασμοί θερμοκρασίας και ισχύος ρεύματος και φωτός, ώστε να βρεθούν οι περιπτώσεις που έχουμε καλύτερα αποτελέσματα. Παρακάτω παρουσιάζονται πειραματικά στοιχεία από τους ελέγχους που πραγματοποιήθηκαν στα μέρη D και E Part E Οι διατάξεις που υλοποιούνται στο συγκεκριμένο κομμάτι του chip είναι οι εξής: 2 συζευγμένοι SOAs χωρίς φίλτρο που συνδέονται με 2 μεμονωμένους SOAs που λειτουργούν ως AG (κόκκινο χρώμα). 98 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Το T flip-flop με βρόγχο ανάδρασης και ενσωματωμένο φίλτρο (πράσινο χρώμα). Οι διατάξεις είναι τοποθετημένες πάνω στο chip όπως φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 5.3.1: Η σχεδίαση του κυκλώματος που υλοποιεί η συστοιχία Ε Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα των μετρήσεων στις εξόδους με κάθε SOA ανοιχτό μεμονωμένα κάθε φορά. Τα φάσματα του θορύβου ASE των SOAs καταγράφηκαν με τη χρήση του φασματικού αναλυτή και οι ισχύεις στις εξόδους με τη βοήθεια μετρητών ισχύος (power meters). Η λειτουργία των ενισχυτών έγινε σε ρεύμα οδήγησης 300 ma και η θερμοκρασία τους ήταν σταθερή στους 23 Κελσίου με τη βοήθεια του TEC Ε1 SOA Για τον χαρακτηρισμό του ενισχυτή Ε1 χρησιμοποιήθηκε η θύρα 31 ΙΝ (αριστερή πλευρά), διότι από την άλλη πλευρά (θύρες εξόδου, OUT) η ισχύς εξόδου είναι αρκετά μειωμένη, εφόσον το σήμα συναντά αρκετούς συζεύκτες ενδιάμεσα που εισάγουν πολλές απώλειες στο οπτικό σήμα και επομένως είναι δύσκολο να ανιχνευτεί. Παρακάτω φαίνεται το φάσμα της αυθόρμητης εκπομπής και η οπτική ισχύς που ανιχνεύθηκε στη θύρα 31. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 99

100 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 5.3.2: Φάσμα ASE του SOA E1 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Είναι ξεκάθαρο από την εικόνα πως το φάσμα που πήραμε είναι διαφορετικό από ένα τυπικό φάσμα ASE ενός SOA. Παρατηρούμε ότι έχει ενισχυθεί ένα μήκος κύματος στα nm (~30 db πάνω από το επίπεδο ισχύος του ASE) καθώς και μια περιοχή μηκών κύματος γύρω από αυτό. Αυτό οφείλεται σε συνθήκες lasing που αναπτύσσονται μέσα στην κοιλότητα του SOA, λόγω ατελειών στις αντί-ανακλαστικές επιφάνειες στις άκρες του (AR coatings) E2 SOA Στον συγκεκριμένο ενισχυτή ήταν αδύνατο να γίνει χαρακτηρισμός, καθώς δεν είχε γίνει διασύνδεση της ηλεκτρικής παροχής (wire bonding). Συγκεκριμένα, είχε γίνει διασύνδεση μόνο της γείωσης (που είναι κοινή για όλη τη συστοιχία) και όχι της τροφοδοσίας. Παρακάτω φαίνεται και μια φωτογραφία με το λάθος στη διασύνδεση (εικόνα 5.3.3). Εικόνα 5.3.3: 5 καλώδια για 6 SOAs. Λείπει το καλώδιο τροφοδοσίας του Ε2 100 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ E3 SOA Για τον E3 SOA οι θύρες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι 33 και 34 ΙΝ (εισόδου). Ανάμεσα στις εισόδους και τον ενισχυτή μεσολαβεί ένας συζεύκτης 70-30, οπότε αναμένεται η ισχύς να έχει μοιραστεί αντίστοιχα κατά την έξοδο (δηλαδή το 70% της ισχύος περίπου στην θύρα 34 και το υπόλοιπο στην 33). Τα αποτελέσματα φαίνονται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα 5.3.4: Φάσμα ASE του SOA E3 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Και σε αυτή την περίπτωση παρατηρούνται ξεκάθαρα φαινόμενα lasing. Διακρίνονται αρκετές κορυφές, δηλαδή μήκη κύματος που ενισχύονται περισσότερο λόγω του lasing. Το πιο ενισχυμένο μήκος κύματος είναι στα nm και η ισχύς του είναι περίπου 39 db πάω από το επίπεδο του ASE του SOA E4 SOA Για τον Ε4 SOA οι θύρες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι 35 και 36 ΙΝ, όπου επίσης μεσολαβεί συζεύκτης Τα αποτελέσματα φαίνονται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα 5.3.5: Φάσμα ASE του SOA E4 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Παρατηρήθηκαν και σε αυτόν τον ενισχυτή φαινόμενα lasing, αν και είναι πολύ μεμονωμένα (μόνο δύο μήκη κύματος ενισχύονται). Και τα δύο μήκη κύματος που ενισχύονται είναι στο ίδιο επίπεδο ισχύος, περίπου 35 db πάνω από το επίπεδο ASE του SOA. Το περισσότερο ενισχυμένο μήκος κύματος βρίσκεται στα nm. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 101

102 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ E5 SOA Για τον Ε5 SOA επιλέχθηκε η θύρα 37 ΙΝ. Ανάμεσα στη θύρα και τον ενισχυτή μεσολαβεί ένας συζεύκτης 50-50, οπότε αναμένεται σχετικά μειωμένη ισχύ στην έξοδο. Τα αποτελέσματα φαίνονται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα 5.3.6: Φάσμα ASE του SOA E5 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Παρατηρήθηκε πως η μορφή του φάσματος του ASE είναι καλύτερη από τις προηγούμενες περιπτώσεις (στους άλλους ενισχυτές), καθώς ενισχύεται μόνο ένα μήκος κύματος λόγω lasing (το γεγονός αυτό δεν δίνει αρκετή πληροφορία για την ποιότητα κατασκευής του ενισχυτή, καθώς η θερμοκρασία και το ρεύμα οδήγησης παίζουν μεγάλο ρόλο στην έξαρση φαινομένων lasing). Το μήκος κύματος που ενισχύεται βρίσκεται στα nm και περίπου στα 30 db ισχύος πάνω από το επίπεδο ASE E6 SOA Για τον Ε6 SOA επιλέχθηκαν οι θύρες 37 και 38 IN. Ανάμεσα στη θύρα 37 και τον SOA μεσολαβεί ένας συζεύκτης 50-50, ενώ ανάμεσα στη θύρα 38 και τον SOA μεσολαβούν δύο συζεύκτες, ο ένας και ο άλλος 70-30, με την ισχύ να βγαίνει από την έξοδο του 70%. Στην εικόνα παρακάτω φαίνονται τα αποτελέσματα: Εικόνα 5.3.7: Φάσμα ASE του SOA E6 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Παρατηρούνται έντονα φαινόμενα lasing στον συγκεκριμένο ενισχυτή. Το πιο ενισχυμένο, λόγω lasing, μήκος κύματος είναι στα nm και η ισχύς του είναι 102 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ πάνω από 50 db μεγαλύτερη του επιπέδου του ASE. Αξιοσημείωτο είναι και το γεγονός πως στη θύρα 38, αν και αναμένεται χαμηλότερη ισχύ εξόδου από τη θύρα 37, η λαμβανόμενη ισχύς ήταν αρκετά μειωμένη. Αυτό οφείλεται πιθανότατα σε κακή κατασκευή ενός από τους συζεύκτες. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε, κατά τη διάρκεια του πειράματος, πως όλοι οι συζεύκτες παρουσίαζαν μεγαλύτερες απώλειες εισόδου (insertion losses) από τις τυπικές τιμές E5 και E6 ταυτόχρονη λειτουργία Όπως αναφέρθηκε, στο κάτω μέρος της συστοιχίας Ε υλοποιείται το Τ flip-flop, με αποτέλεσμα να υπάρχει ανατροφοδότηση της εξόδου του κυκλώματος από μια προηγούμενη χρονική στιγμή σε μια επόμενη, λόγω του βρόχου (feedback loop). Αυτό έχει σαν συνέπεια, όταν λειτουργούν ταυτόχρονα οι δύο ενισχυτές, να επηρεάζει ο ένας τον άλλον και να δίνει το κύκλωμα τελικά διαφορετική έξοδο κάθε φορά, ανάλογα με την προηγούμενη έξοδο. Ακόμη, στην κοινή θύρα τους (την 37), όπου καταλήγει η έξοδος και των δύο ενισχυτών με χρήση συζεύκτη 50-50, παρατηρείται διαφορετικό φάσμα και ισχύς εξόδου, όταν λειτουργούν ταυτόχρονα και οι δύο. Για να περαιτέρω εξέταση των παραπάνω περιπτώσεων και την εξαγωγή αποτελεσμάτων σχετικά με τη συμπεριφορά του κυκλώματος, όταν οι ενισχυτές λειτουργούν σε διαφορετικά ρεύματα και θερμοκρασίες, έγιναν διάφορες δοκιμές αλλάζοντας σταδιακά το ρεύμα τροφοδοσίας του ενός SOA, κρατώντας το άλλο σταθερό, παρακολουθώντας παράλληλα τις εξόδους του κυκλώματος. Παρακάτω φαίνονται μερικές από τις περιπτώσεις και τα αποτελέσματά τους: Σταθερός SOA 6, αλλαγή ρεύματος στον SOA 5 και παρακολούθηση της εξόδου στη θύρα 38 (μοναδική για τον SOA 6) Εικόνα 5.3.8: Αλλαγές στο φάσμα ASE του SOA D6 κατά την αλλαγή ρεύματος τροφοδοσίας στον D5 Σταθερό SOA 6, αλλαγή ρεύματος στον SOA 5 και παρακολούθηση της εξόδου στη θύρα 37 (κοινή θύρα) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 103

104 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 5.3.9: Αλλαγές στην κοινή έξοδο των SOA D5 και D6 κατά την αλλαγή ρεύματος στον D5 με D6 σταθερό Σταθερό SOA 5, αλλαγή ρεύματος στον SOA 6 και παρακολούθηση της εξόδου στη θύρα 37 (κοινή θύρα) Εικόνα : Αλλαγές στην κοινή έξοδο των SOA D5 και D6 κατά την αλλαγή ρεύματος στον D6 με D5 σταθερό 104 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η παραπάνω διαδικασία έγινε ως μια προσπάθεια να βρεθεί ένα μήκος κύματος (από τα ενισχυμένα λόγω lasing) το οποίο επωφελείται από τη λειτουργία και των δύο SOA, έτσι ώστε να γίνεται κυρίαρχο ως προς τα υπόλοιπα και να απορροφά το κέρδος ενίσχυσης από τους SOA, με αποτέλεσμα να μην αναπτύσσονται άλλα πιο αδύναμα φαινόμενα lasing. Σε μια τέτοια περίπτωση, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το συγκεκριμένο μήκος κύματος ως είσοδος από μια εξωτερική οπτική πηγή, για δοκιμές που έγιναν αργότερα για λειτουργία ως flip-flop μέσω ετεροδιαμόρφωσης φάσης και κέρδους Part D Οι διατάξεις που υλοποιούνται στο συγκεκριμένο κομμάτι του chip είναι οι εξής: 2 συζευγμένοι SOAs με ενδιάμεσο φίλτρο που συνδέονται με 2 μεμονωμένους SOAs που λειτουργούν ως AG (κόκκινο χρώμα). 2 συζευγμένοι SOAs χωρίς φίλτρο και χωρίς απευθείας σύνδεση με κάποιο AG (πράσινο χρώμα). Οι διατάξεις είναι τοποθετημένες πάνω στο chip όπως φαίνεται στην εικόνα παρακάτω. Εικόνα : Η σχεδίαση του κυκλώματος που υλοποιεί η συστοιχία D Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα των μετρήσεων στις εξόδους με κάθε SOA ανοιχτό μεμονωμένα κάθε φορά. Τα φάσματα του θορύβου ASE των SOAs καταγράφηκαν με τη χρήση του φασματικού αναλυτή και οι ισχύς στις εξόδους με τη βοήθεια μετρητών ισχύος (power meters). Η λειτουργία των ενισχυτών έγινε σε ρεύμα οδήγησης 300 ma και η θερμοκρασία τους ήταν σταθερή στους 23 Κελσίου με τη βοήθεια του TEC. Μια σημαντική παρατήρηση είναι πως, λόγω λάθους στο στη διασύνδεση καλωδίων τροφοδοσίας (wire bonding) (εικόνα 5.3.9), τα καλώδια τροφοδοσίας του SOA D4 και ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 105

106 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ του SOA D6 ήταν ενωμένα μεταξύ τους. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα, όταν τροφοδοτούνταν με ρεύμα ένας από τους δύο, να υπάρχει διαρροή ρεύματος (current leakage) και στον άλλο, οπότε η πραγματική ισχύς ρεύματος που έπαιρναν οι SOAs να μην ταυτίζεται με την παρεχόμενη. Αναγκαστικά, λοιπόν, στις περισσότερες περιπτώσεις, έπρεπε να τροφοδοτούνται και οι δύο ενισχυτές με ρεύμα, ανεξάρτητα ποιος από τους δύο χρησιμοποιούνταν. Ανάλογα με την περίπτωση, τροφοδοτούνταν περισσότερο ή λιγότερο ρεύμα στον «ανενεργό» SOA. Επίσης, γίνεται κατανοητό πως η συμπεριφορά του κάθε SOA άλλαζε με τη μεταβολλή του ρεύματος εισόδου στον «δίδυμό» του ενισχυτή. Τέλος, είναι προφανές πως δεν ήταν δυνατόν να καθοριστείακριβώς το ποσοστό ρεύματος που διέρρεε, συνεπώς ήταν αδύνατον να προσδιοριστεί ακριβώς σε ποια πραγματική τιμή ρεύματος αντιστοιχούσαν τα αποτελέσματα στις εξόδους κάθε στιγμή. Εικόνα : a) Πριν το λιώσιμο των καλωδίων δεν υπάρχει επαφή, b) μετά το λιώσιμο έχουν ακουμπήσει τα δύο καλώδια D1 SOA Για τον χαρακτηρισμό του ενισχυτή D1 χρησιμοποιήθηκε η θύρα 39 ΙΝ (αριστερή πλευρά), διότι από την άλλη πλευρά (θύρες εξόδου, OUT) η ισχύς εξόδου είναι αρκετά μειωμένη, εφόσον το σήμα συναντά αρκετούς συζεύκτες ενδιάμεσα. Στην εικόνα παρακάτω φαίνεται το φάσμα της αυθόρμητης εκπομπής και η οπτική ισχύς που ανιχνεύθηκε στη θύρα ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D1 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Παρατηρούνται φαινόμενα lasing. Το πιο ενισχυμένο μήκος κύματος λόγω lasing είναι στα nm, το οποίο είναι περίπου 25 db πιο ενισχυμένο από το επίπεδο θορύβου. Lasing παρατηρήθηκε και σε χαμηλά ρεύματα (π.χ. 150 ma). Επίσης, υπάρχει περίπτωση να γίνονται ανακλάσεις στο φίλτρο, οπότε το συγκεκριμένο μήκος κύματος να ενισχύεται περισσότερο στην διαδρομή επιστροφής (από πού προς που?) και να καταπιέζει άλλα μήκη κύματος που θα μπορούσαν να ενισχυθούν D2 SOA Για τον χαρακτηρισμό του ενισχυτή D2 χρησιμοποιήθηκε η θύρα 40 IN, δηλαδή η θύρα εισόδου του όπως φαίνεται στο σχεδιάγραμμα του κυκλώματος παραπάνω. Το φάσμα ASE φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D2 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Σε αυτήν την περίπτωση παρατηρούνται πολλές κορυφές lasing (lasing peaks), δηλαδή πολλά ενισχυμένα μήκη κύματος και, μάλιστα, αρκετά από αυτά έχουν ενισχυθεί περισσότερο από 10 db πάνω από το επίπεδο θορύβου. Το κυρίαρχο μήκος κύματος (το πιο ενισχυμένο) βρίσκεται στα nm και έχει ισχύ κατά ~30 db μεγαλύτερη από το επίπεδο θορύβου. Η περίπτωση για ανακλάσεις από το φίλτρο υπάρχει και σε αυτόν τον SOA, αν και πιθανότατα δεν επιδρούν στη λειτουργία του, αφού περνάνε επανειλημμένα από συζεύκτες. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 107

108 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ D3 SOA Για τον χαρακτηρισμό του ενισχυτή D3 χρησιμοποιήθηκαν οι θύρες 41 και 42 ΙΝ, οι οποίες είναι θύρες εισόδου για τον SOA. Ενδιάμεσα μεσολαβεί ένας συζεύκτης 2x1 με λόγο σύζευξης 70/30, οπότε στην έξοδο αναμένεται μειωμένη ισχύς. Το φάσμα φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D3 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Παρατηρούνται δύο πολύ ενισχυμένα μήκη κύματος λόγω lasing, το ένα 26 db και το άλλο 30 db πάνω από το επίπεδο θορύβου. Το κυρίαρχο των δύο είναι αυτό στα nm. Στις θύρες, θα έπρεπε το 30% της συνολικής ισχύς να εξέρχεται στη θύρα 41 και το 70% στη θύρα 42, λόγω του συζεύκτη. Αυτό που παρατηρείται τελικά είναι πως η ισχύς είναι πιο κοντά σε λόγο, με την θύρα 42 να δέχεται μόλις το 58% τις ισχύος. Αυτό ίσως να οφείλεται σε κάποιο κατασκευαστικό λάθος στον συζεύκτη που εισάγει απώλειες D4 SOA Για τον χαρακτηρισμό του ενισχυτή D4 επιλέχθηκαν οι θύρες 43 και 44 ΙΝ, δηλαδή οι θύρες εισόδους του. Όπως φαίνεται και στο σχεδιάγραμμα του κυκλώματος, μεσολαβεί ένας συζεύκτης 2x1 με λόγο 70/30, ανάμεσα στο SOA και τις θύρες. Το φάσμα φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D4 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) 108 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Παρατηρούνται πάλι κάποια μήκη κύματος ενισχυμένα λόγω lasing, με κυρίαρχο αυτό στα nm (~22 db πάνω από το επίπεδο ASE). Πολύ σημαντική παρατήρηση εδώ είναι πως εξάγεται ελάχιστη ισχύς στις θύρες. Συγκεκριμένα στη θύρα 43, δηλαδή εκεί που αναμένεται το 30% τις ισχύος, λαμβάνεται μόλις 50 μw ισχύ, γεγονός που σημαίνει πιθανή βλάβη στον συζεύκτη ή στη θύρα. Στη θύρα 44 δεν λαμβάνεται καθόλου ισχύ (τα 20 nw είναι ατμοσφαιρική ισχύς), γεγονός που οφείλεται σε βλάβη στη θύρα. Υπενθυμίζεται πως η πραγματική τιμή ρεύματος που λαμβάνει ο SOA D4 σε αυτήν την περίπτωση είναι μικρότερη, καθώς ο D6 είναι κλειστός. Ανοίγοντας και τον D6 και ψάχνοντας για κάποιο συνδυασμό ρευμάτων, στα οποία ο D4 δεν θα παρουσίαζε lasing, προέκυψε η παρακάτω περίπτωση (εικόνα ), όπου παρουσιάζεται το λιγότερο δυνατό lasing, σε σχέση με τις υπόλοιπες μετρήσεις στους προηγούμενους SOAs που πραγματοποιήθηκαν: Ρεύμα στον D4: ID4 = 300 ma Ρεύμα στον D6: ID6 = 5.9 ma Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D6 για τιμή ρεύματος όπου παρουσιάζει το λιγότερο lasing ((5dB/div, 0.05nm) D5 SOA Για τον χαρακτηρισμό του ενισχυτή D5 επιλέχθηκε η παρακολούθηση της εξόδου στη θύρα 45 ΙΝ, δηλαδή τη θύρα εισόδου του στο κύκλωμα. Το φάσμα φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D5 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 109

110 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Σε αυτήν την περίπτωση, παρατηρήθηκαν πολλαπλά ενισχυμένα μήκη κύματος λόγω lasing. Μάλιστα, σε κάθε εναλλαγή μεταξύ τροφοδοσίας και μη-τροφοδοσίας του SOA, παρατηρούνταν κάποιο διαφορετικό μήκος κύματος να κυριαρχεί. Αυτό σημαίνει πως πολλά από τα μήκη κύματος βρίσκονταν σε ανταγωνισμό για το κέρδος του ενισχυτή και επομένως και για το πιο θα κυριαρχήσει κάθε φορά, δηλαδή πιο θα απορροφήσει πρώτο τους περισσότερους φορείς. Στην συγκεκριμένα φωτογραφία του φάσματος, παρατηρείται πως το λ στα nm είναι αυτό που κυριαρχεί, αλλά σε κάθε περίπτωση κοντινά σε αυτό μήκη κύματος επικρατούσαν, και μάλιστα με ισχύ db πάνω από το επίπεδο θορύβου. Αυτό προϊδεάζει για το γεγονός πως το κύκλωμα θα είναι πολύ ασταθές και ευάλωτο στις παραμικρές αλλαγές στις συνθήκες λειτουργίας. Μετά από κάποιες δοκιμές που έγιναν αργότερα, βρέθηκε πως δεν αναπτύσσονται φαινόμενα lasing στον SOA D5, για ρεύμα εισόδου ID5 = ma. Αυτό πιθανότατα συμβαίνει διότι η τιμή του ρεύματος είναι αρκετά χαμηλή και οι τρόποι lasing δεν μπορούν να απορροφήσουν αρκετό κέρδος για να ενισχυθούν. Στην εικόνα παρακάτω φαίνεται το ASE φάσμα για την περίπτωση αυτή: Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D5 για τιμή ρεύματος στην οποία παρουσιάζει το λιγότερο lasing (5dB/div, 0.05nm) D6 SOA Για τον χαρακτηρισμό του ενισχυτή D6 χρησιμοποιήθηκαν οι θύρες 46 και 47 ΙΝ. Η θύρα 46 είναι η θύρα εισόδου του, ενώ η θύρα 47 είναι αυτή η οποία θα χρησιμοποιηθεί πιθανότατα ως έξοδος του κυκλώματος. Ανάμεσα στον ενισχυτή και τη θύρα 47 μεσολαβούν 2 συζεύκτες 70/30, συνεπώς αναμένεται αρκετά μειωμένη ισχύς στην έξοδο. Το φάσμα ASE φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: 110 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα : Φάσμα ASE του SOA D6 σε ρεύμα 300 ma (5dB/div, 0.05nm) Εδώ παρατηρείται ένα σχετικά καλύτερο φάσμα, αφού υπάρχει μόνο ένα μήκος κύματος ενισχυμένο από lasing (λ= nm) και σχετικά αδύναμο (~10 db ψηλότερα από το επίπεδο ASE). Ακόμα και σε λειτουργία σε χαμηλότερα ρεύματα, η συμπεριφορά του ενισχυτή ήταν παρόμοια. Υπενθυμίζεται πως η πραγματική τιμή ρεύματος που λαμβάνει ο SOA D6 σε αυτήν την περίπτωση είναι μικρότερη, καθώς ο D4 είναι κλειστός. Κάποια χαμηλά ρεύματα στα οποία βρέθηκε να μην παρουσιάζει lasing ο D6 είναι τα εξής: ΙD6 = ma ID4 = ma Το φάσμα φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα : Φάσμα ASE του D6 για τιμή ρεύματος όπου παρουσιάζει λιγότερο lasing (5dB/div, 0.05nm) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 111

112 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Σχολιασμός φασμάτων ASE Όπως παρατηρείται, υπάρχουν έντονα φαινόμενα ανεπιθύμητης ενίσχυσης τυχαίων μηκών κύματος (lasing) σε όλους του ενισχυτές. Από το γεγονός αυτό, εικάζεται πως υπάρχουν κατασκευαστικά λάθη στο στάδιο εφαρμογής του στρώματος αντιανακλαστικότητας στη συστοιχία (AR coating) ή ακόμα και βλάβες (ρωγμές) στην κοιλότητα των ενισχυτών, που συνέβησαν ίσως κατά την τοποθέτηση και λειτουργούν ως ανακλαστικές επιφάνειες (καθρέφτες), με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται φαινόμενα lasing. Το φαινόμενο lasing επηρεάζει άμεσα την λειτουργία flip-flop του κυκλώματος, εφόσον προκαλεί ανεπιθύμητη και μη-ελεγχόμενη ενίσχυση διαφορετικών λ, με αποτέλεσμα να μειώνεται το μέγιστο διαθέσιμο κέρδος του ενισχυτή για τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται κατά τον πειραματικό χαρακτηρισμό. Έτσι, παρεμποδίζεται η σωστή λειτουργία ετεροδιαμόρφωσης κέρδους, αφού πρέπει ένα μήκος κύματος να μπορεί να κυριαρχήσει έναντι πολλών διαφορετικών. Επίσης, ένα ακόμα σοβαρό πρόβλημα που δημιουργείται από την παρουσία του φαινομένου lasing, είναι η ενίσχυση της στάθμης του λογικού «0», καθώς εισάγει πολύ θόρυβο στο σήμα και δημιουργείται διαμόρφωση πλάτους (amplitude modulation) στο λογικό επίπεδο του μηδενός. Παρατηρείται, επιπλέον, πως δεν ενισχύονται πάντα τα ίδια μήκη κύματος, ακόμα και μέσα στον ίδιο ενισχυτή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως η θερμοκρασία και το ρεύμα λειτουργίας του ενισχυτή, επηρεάζουν το δείκτη διάθλασης στην ενεργή περιοχή του, με αποτέλεσμα να συμβάλλουν στην δημιουργία μιας ενεργής κοιλότητας κατάλληλης κάθε φορά για άλλα μήκη κύματος. Ψηλότερες θερμοκρασίες και χαμηλότερα ρεύματα καθιστούσαν τα φαινόμενα lasing πιο αδύναμα, περιορίζοντας, όμως, το κέρδος του ενισχυτή και γενικά τις προοπτικές του (ταχύτητα λειτουργίας). 5.4 ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΦΙΛΤΡΟΥ Όπως είδαμε, στα κομμάτια E και D χρησιμοποιούνται φίλτρα για την αποκοπή του ανεπιθύμητου φάσματος ASE και κάποιων ισχυρών σημάτων ελέγχου, από τα σημεία του κυκλώματος όπου δεν χρειάζονται και μπορεί να επηρεάζουν τη σωστή λειτουργία του. Τα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν βασισμένα σε 3 κλιμακωτούς παρεμβολείς MZI (cascaded MZI interleavers) χωρίς θερμικά στοιχεία, που εκμεταλλεύονταν τη νέα τεχνολογία Euler bends για καμπή του κυματοδηγού. Στην εικόνα παρακάτω φαίνεται το φίλτρο στο κομμάτι D σε μεγέθυνση, το οποίο είναι ίδιο με αυτό στο κομμάτι Ε. Επίσης, κατά τον χαρακτηρισμό της διάταξης, βρέθηκε και η φασματική απόκριση του φίλτρου, που φαίνεται στην εικόνα παρακάτω. Το φασματικό εύρος ημίσειας ισχύος (3 db κάτω από την κορυφή) βρέθηκε να είναι 5.3 nm, ενώ το κεντρικό μήκος κύματος βρίσκεται στα nm. Αυτό σημαίνει πως το συγκεκριμένο μήκος κύματος, καθώς και όλα τα μήκη κύματος μέσα στο εύρος αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι για τους ενισχυτές. 112 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, το σήμα ελέγχου μπορεί να διαδοθεί με δύο κατευθύνσεις, σε σχέση με το συνεχές σήμα, το οποίο βάλλεται να επηρεάσει. Έτσι, μπορεί να διαδοθεί, μέσα στον κυματοδηγό, είτε παράλληλα με το CW (coc) ) Εικόνα 5.4.1: a) Το σχεδιάγραμμα του D που υλοποιεί το κελί μνήμης χρησιμοποιώντας φίλτρο μεταξύ των συζευγμένων SOAs, b) ο μηχανισμός του χρησιμοποιημένου φίλτρου βασισμένος σε 3 κλιμακωτούς παρεμβολείς ΜΖΙ, c) Η φασματική απόκριση του φίλτρου 5.5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις προσπάθειες που έγιναν στα κομμάτια Ε και D του chip για μετατροπή μήκους κύματος (Wavelength Conversion, WC) μέσω XGM και XPM, περιγράφοντας την πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε. Σε αυτή τη φάση, ελέγχθηκε η ανταπόκριση του κάθε SOA, στις προσπάθειες αυτές, ξεχωριστά, όπου ήταν δυνατόν, ώστε να πραγματοποιηθούν αργότερα και οι έλεγχοι για λειτουργία flip-flop. Γενικά, μέσα από κάθε SOA διαδιδόταν ένα κύμα συνεχούς κυματομορφής (λcw) και ένα σήμα ελέγχου (λctrl) ταυτόχρονα. Το σήμα ελέγχου ήταν διαμορφωμένο με μια ψευδοτυχαία ψηφιακή δυαδική ακολουθία (Pseudo Random Binary Sequence, PRBS), με πλήθος ψηφίων. Η διαμόρφωση έγινε χρησιμοποιώντας έναν διαμορφωτή (modulator) Mach-Zehnder από νιοβικό λίθιο με προσμίξεις τιτανίου (Ti:LiNbO3) και η παραγωγή του προτύπου της PRBS έγινε από μια προγραμματίσιμη γεννήτρια προτύπων παλμών (programmable pulse pattern generator, PPG), με τους παραγόμενους παλμούς να είναι τύπου NRZ (Non-return to zero). Ο διαμορφωτής μπορεί να δώσει συχνότητες διαμόρφωσης έως και 12.5 GHz. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 113

114 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ propagating), είτε με φορά αντίθετη με την κατεύθυνση του CW (counterpropagating). Και οι δύο αυτοί τρόποι χρησιμοποιήθηκαν, ανάλογα με την εφαρμογή και τις δυνατότητες τις κάθε διάταξης. Κύριοι παράγοντες, με βάση τους οποίους επιλέγεται ένας από τους δύο τρόπους διάδοσης, είναι η μέγιστη ισχύς που μπορούν να δεχτούν οι κυματοδηγοί, από τις διασυνδέσεις με εξωτερικές ίνες (butt coupling), και η σχετική διαφορά ισχύος των δύο σημάτων, όταν θα φτάσουν στον ενισχυτή (π.χ. μια διαδρομή μπορεί να έχει πολλές απώλειες, όπως πχ. λόγω συζευκτών). Για την επιλογή των κατάλληλων μηκών κύματος, για τα σήματα CW και ελέγχου (CTRL), σε κάθε SOA, έγιναν πολυάριθμοι έλεγχοι και δοκιμές. Όπως είδαμε πριν, όλοι οι SOA παρουσίαζαν ισχυρά φαινόμενα lasing. Ακολούθως, κάθε φορά που άλλαζε η θερμοκρασία ή το ρεύμα λειτουργίας τους, έπρεπε να βρεθούν οι νέες συνθήκες, δηλαδή τα κατάλληλα μήκη κύματος, τα οποία θα μπορούσαν να αναιρέσουν την ανάπτυξη συνθηκών lasing. Επομένως, έγιναν αρκετές δοκιμές εισάγοντας διάφορα CW, σε κάθε SOA, και παρακολουθώντας την απόκριση κάθε φορά στο ASE φάσμα του. Σημαντικό είναι, επίσης, αμφότερα τα σήματα να καταπιέζουν τα φαινόμενα lasing, καθώς, όταν το λctrl θα καταπιέζει το λcw, λόγω XGM, δεν θα πρέπει να επανεμφανίζονται ενισχυμένα, από lasing, μήκη κύματος σε τυχαίες συχνότητες. Για την σωστή είσοδο και έξοδο των σημάτων, προς και από το chip αντίστοιχα, προετοιμάστηκαν διάφοροι κλάδοι (branches), δηλαδή διατάξεις οπτικών ινών και παθητικών στοιχείων, ώστε να μπορούν να ελεγχθούν τα χαρακτηριστικά του σήματος (ισχύ, πόλωση κλπ.) σε κάθε σημείο της διαδρομής του. Όλες οι διατάξεις ήταν παρόμοια στοιχισμένες και τοποθετημένες. Το βασικό κομμάτι του κάθε κλάδου, που ήταν ίδιο σε όλους, αποτελούνταν από έναν ελεγκτή πόλωσης (polarization controller, PC), έναν εξασθενητή (attenuator), έναν 99/1 συζεύκτη (coupler, για μέτρηση της ισχύος τοπικά) και έναν απομονωτή (isolator) τοποθετημένα στη σειρά. Κάθε τέτοια εγκατάσταση ήταν διαθέσιμη να χρησιμοποιηθεί για σύνδεση με κάποια πηγή laser. Πηγές laser είχαμε δύο ειδών: σταθερές ή ρυθμιζόμενες (tunable). Αμέσως μετά την πηγή χρησιμοποιούνταν απομονωτής και το σήμα περνούσε ή όχι από τον διαμορφωτή, ανάλογα με την περίπτωση (π.χ. σήματα ελέγχου), πριν καταλήξει σε κάποιον κλάδο. Επίσης, χρησιμοποιούνταν ενισχυτές EDFA (erbium doped fiber amplifiers) πριν και μετά την έξοδο από το chip, ώστε να αποκατασταθεί η ισχύς που χάνει το σήμα, λόγω απωλειών στα διάφορα στοιχεία και διατάξεις. Μια τυπική τέτοια διάταξη φαίνεται (σε γενική μορφή) παρακάτω: Σημειώνεται πως έγινε χρήση απομονωτών σε κάθε σημείο, όπου τυχόν ανακλάσεις θα μπορούσαν να επηρεάσουν δραματικά τη λειτουργία του κυκλώματος. Τέτοια σημεία ήταν, συνήθως, πριν και μετά από ενεργές διατάξεις. Για παράδειγμα, απομονωτές υπήρχαν ακριβώς πριν και μετά το chip, καθώς και μετά από EDFAs και lasers. Είναι προφανές πως οι βραχίονες (branches) εισάγουν αρκετές απώλειες στο σήμα, αν αναλογιστεί κανείς τον αριθμό των παθητικών στοιχείων που μεσολαβούν. Η χρήση 114 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

115 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ τους όμως κρίνεται απαραίτητη, διότι δίνουν τη δυνατότητα για εέλγχο των οπτικών σημάτων εισόδου (πόλωση, ισχύς). Επίσης, για τη μέτρηση της ισχύος πριν και μετά το chip, χρησιμοποιήθηκαν οπτικοί μετρητές ισχύος (power meters), ώστε να εξασφαλίζεται η ασφάλεια των ευαίσθητων συσκευών παρακολούθησης του σήματος, όπως ο οπτικός φασματικός αναλυτής (Optical Spectrum Analyzer OSA) και ο παλμογράφος (Oscilloscope), από βλάβες που μπορούν να προκαλέσουν πολύ ισχυρά σήματα. Πριν από τον παλμογράφο υπάρχει μια φωτοδίοδος PIN, για τη μετατροπή του οπτικού σε ηλεκτρικό σήμα. Επίσης, πριν τη μέτρηση, το σήμα περνούσε, συνήθως, από ένα εξωτερικό ρυθμιζόμενο (tunable) φίλτρο, ώστε να αποκόπτονται ανεπιθύμητες συχνότητες (όπως θόρυβος). Το φίλτρο είχε 3dB εύρος φάσματος 1 nm και ήταν ζωνοπερατό. Η μορφή του σήματος εξόδου μετρήθηκε σε διάφορες ταχύτητες λειτουργίας στον παλμογράφο, όπως 1 GHz, 2GHz, 5GHz και 10GHz Part E Στη συστοιχία Ε του chip δεν ήταν δυνατό να πραγματοποιηθούν δοκιμές για μετατροπή μήκους κύματος και για λειτουργία flip-flop. Αυτό συνέβη λόγω σχεδιαστικών και κατασκευαστικών προβλημάτων. Συγκεκριμένα, στο επάνω μέρος της συστοιχίας, όπου στεγαζόταν το κύκλωμα με το ολοκληρωμένο κελί μνήμης (συζευγμένοι SOAs με πύλες πρόσβασης), δεν είχε συνδεθεί ο SOA E2 με ηλεκτρική τροφοδοσία (wire bonding), με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η λειτουργία του (παρουσιάστηκε το πρόβλημα και νωρίτερα). Επίσης, στο κάτω κομμάτι της συστοιχίας, όπου στεγάζεται το T flip-flop, είχε γίνει λάθος στη μάσκα, κατά τη σχεδίαση του κυκλώματος, και δεν υπάρχει κυματοδηγός για τη σύνδεση της κανονικής εξόδου του. Έγιναν προσπάθειες για παρακολούθηση της εξόδου από άλλες θύρες, όπως η θύρα 37 ΙΝ, όπου μπαίνει το CW σήμα, χρησιμοποιώντας έναν κυκλοφορητή (circulator), αλλά το σήμα, για να φτάσει ξανά εκεί, περνάει από πολλούς συζεύκτες και από τον SOA, με αποτέλεσμα να αλλάζουν τελείως τα χαρακτηριστικά του. Παρακάτω στην εικόνα φαίνεται το πρόβλημα. Εικόνα 5.5.1: το πρόβλημα της μάσκας του T flip flop όπου λείπει η φυσική έξοδος του κυκλώματος Part D Οι περισσότερες μετρήσεις, κατά τη διάρκεια του πειράματος, έγιναν στη συστοιχία D, που είχε και την καλύτερη συμπεριφορά, στις θύρες και τους οπτικούς ενισχυτές, και τα λιγότερα προβλήματα, καθιστώντας την ικανή υποψήφια για κάποια λειτουργία flipflop. Προτού γίνει η αξιολόγηση της διάταξης, ως προς τη λειτουργία ετεροδιαμόρφωσης κέρδους στους ενισχυτές της, είναι σημαντικό να καθοριστούν οι σχετικές ισχείς εξόδου, που λαμβάνονταιστις αντίστοιχες θύρες εξόδου (δεξιά πλευρά του chip), όταν εισάγεται ένα σήμα στις θύρες εισόδου. Έχοντας αυτή την πληροφορία, μπορούν εύκολα να επιλεχθούν οι θύρες, στις οποίες θα παρακολουθείται η έξοδος, ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 115

116 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ κατά τη διαδικασία των δοκιμών. Κάποιες θύρες που πιθανόν να έχουν πολύ μικρή ισχύ εξόδου, καθιστούν αδύνατη την αναγνώριση του οπτικού σήματος στην έξοδο τους Οι μετρήσεις των ισχύων εξόδου, έγιναν εισάγοντας ένα CW, από την πλευρά των θυρών εισόδου (ΙΝ, αριστερή πλευρά), με ισχύ 4.1 mw, και μετρώντας την ισχύ στην αντίστοιχη θύρα εξόδου (OUT). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι τα παρακάτω: Θύρα μw Θύρα μw Θύρα μw Θύρα 42 Πολύ χαμηλή ισχύς εξόδου! (προβληματική θύρα) Θύρα μw Θύρα μw Θύρα μw Θύρα μw Θύρα μw Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό πως η θύρα 42 OUT δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ίσως ούτε η θύρα 43 για τις πειραματικέςμετρήσεις Πειραματικά Tests στο RAM cell με διάταξη φίλτρου Στη συνέχεια θα περιγραφούν μερικές δοκιμές, που έγιναν στο επάνω κύκλωμα της συστοιχίας, δηλαδή το κελί μνήμης (συζευγμένοι SOAs με φίλτρο και δύο AG). Το κύκλωμα φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα 5.5.2: RAM cell configuration with coupled SOAs and filter Η φασματική απόκριση του φίλτρου παρουσιάστηκε νωρίτερα. Το κεντρικό μήκος κύματος είναι, όπως αναφέρθηκε, στα nm και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ελεύθερα μήκη κύματος σε μια περιοχή γύρω από αυτό, εύρους 5.3 nm. Αρχικά, επιλέχθηκε να ελεγχθεί ο SOA D2 για λειτουργία XGM, εισάγοντας τα σήματα CW και CTRL με αντίθετη φορά διάδοσης (counter-propagating). Γενικά, θα πρέπει να βρεθεί ένα CW που να βολεύει, ώστε να περνάει μέσα από το φίλτρο, για να γίνει δυνατή η λειτουργία και των δύο ενισχυτών αργότερα, και να εξεταστεί η επικοινωνία μεταξύ τους. Η συνδεσμολογία που χρησιμοποιήθηκε ήταν παρόμοια με αυτήν που περιεγράφηκε νωρίτερα, δηλαδή τα σήματα έμπαιναν στο chip μέσω κλάδων ελέγχου (branches). Επιλέξαμε τα εξής μήκη: 116 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ λcw = nm, το οποίο εισάγεται από την θύρα 40 ΙΝ του ενισχυτή και είχε ισχύ 5.3 mw μετά την είσοδο στο chip. λctrl = nm, το οποίο εισάγεται από την θύρα 40 OUT του chip και είχε ισχύ 155 mw μετά την είσοδο στο chip. Το ρεύμα λειτουργίας του D2 ήταν στα 283 ma, όπου παρουσίαζε lasing σε μικρότερο βαθμό από άλλα ρεύματα, και το διάγραμμα ματιού (eye diagram) στον παλμογράφο, για ταχύτητα διαμόρφωσης στο 1 GHz, φαίνεται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα 5.5.3: διάγραμμα ματιού (200 ps/div) στο 1 GHz Καλό διάγραμμα ματιού. Λόγος σβέσης (extinction ratio) περίπου 7 db - αποδεκτός. Διαμόρφωση πλάτους αποδεκτή για το λογικό μηδέν (~1.5 db), αλλά μη αποδεκτή για το λογικό ένα (~3 db) Σημειώνεται ότι ο SOA D1 ήταν κλειστός, ώστε να μην δημιουργούνται παρεμβολές. Στη συνέχεια, έγινε αλλαγή του μήκους κύματος του σήματος ελέγχου, ώστε να μην περνάει μέσα από το φίλτρο, και να εισάγονται και τα δύο από την θύρα 40 ΙΝ, με φορά παράλληλη (co-propagating). Τα μήκη κύματος και οι ισχύς είναι οι εξής: λcw = nm, με ισχύ 10mW μετά την είσοδο στο chip. λctrl = nm, με ισχύ 22 mw μετά την είσοδο στο chip. Το ρεύμα λειτουργίας του D2 μειώθηκε στα ma, όπου παρουσίαζε ακόμη καλύτερη συμπεριφορά lasing απ ότι νωρίτερα, και τα διαγράμματα ματιού στον παλμογράφο, για ταχύτητες διαμόρφωσης 1 GHz και 1.5 GHz, φαίνονται στην εικόνα παρακάτω: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 117

118 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 5.5.4: Διαγράμματα ματιού. Αριστερά στο 1 GHz (200 ps/div), δεξιά στο 1.5 GHz (100 ps/div) Καλό διάγραμμα ματιού και στις δύο περιπτώσεις. Καλός λόγος σβέσης και στα δύο (~7-8 db). Στη λειτουργία στα 1.5 GHz η διαμόρφωση πλάτους (amplitude modulation) στο λογικό μηδέν είναι μικρότερη, σε σχέση με τις άλλες περιπτώσεις λειτουργίας. Στο 1 GHz είναι περίπου 1.5 db, ενώ στα 1.5 GHz είναι μικρότερη από 1 db. Στο λογικό ένα η διαμόρφωση πλάτους είναι περίπου 2-3 db και στις δύο λειτουργίες. Υπενθυμίζεται πως το σήμα ελέγχου περνούσε πρώτα από έναν διαμορφωτή, πριν τη μετάδοσή του στο chip, και η διαμόρφωσή του γινόταν με μια ακολουθία PRBS. Εφόσον ο SOA D2 παρουσίαζε καλή λειτουργία XGM, τέθηκε σε λειτουργία παράλληλα και ο SOA D1, ώστε να γίνει μια προσπάθεια για λειτουργία flip-flop. Συγκεκριμένα, ο στόχος ήταν να ελεγχθεί αν μπορεί, αρχικά, ένα από τα δύο μήκη κύματος CW, που περνάνε από τους SOAs, να κυριαρχήσει στο κύκλωμα, μετά από καταστολή του άλλου, στιγμιαία, από το σήμα ελέγχου. Για να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει να βρεθεί ο σωστός συνδυασμός συνθηκών (ρεύμα, ισχύς, θερμοκρασία, μήκη κύματος), ώστε να μπορέσει να προκαλέσει XGM το κυρίαρχο CW σε αυτό που δέχεται το σήμα ελέγχου, μετά την έλευση του. Εισάγεται, λοιπόν, λcw= nm στο SOA D1, μέσω της θύρας 39 ΙΝ. Μετά από αρκετές δοκιμές, οι οποίες δεν έδειξαν το επιθυμητό αποτέλεσμα, ήταν απαραίτητο να γίνει κάποια αλλαγή στο πρότυπο διαμόρφωσης της ψευδοτυχαίας ακολουθίας του σήματος ελέγχου, ώστε να επιτραπεί στο CW, που περνά από το SOA D1 (έστω CW1), να έχει αρκετό χρόνο να κυριαρχήσει επί του άλλου. Ο λόγος που ο κορεσμός του SOA D2, από το CW1, έχει τόση δυσκολία, είναι πως τα φαινόμενα lasing, που αναπτύσσονται στον ενισχυτή, δεν καταστέλλονται ολοκληρωτικά από το σήμα ελέγχου και προλαβαίνουν να ανακάμψουν, όταν η επιρροή του παρέλθει, πριν προλάβει να επικρατήσει το CW1. Επίσης, η κυριαρχία του CW1 διαρκεί για ελάχιστο χρόνο, λόγω της μεγάλης αστάθειας που προκαλούν τα φαινόμενα lasing, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να ανιχνευθεί η κατάσταση αυτή από τον παλμογράφο (ο οποίος δειγματοληπτεί σε ρυθμό πιο αργό από την ταχύτητα των μεταβολών αυτών). Έτσι, δοκιμάσθηκε ένα νέο πρότυπο για την ψευδοτυχαία ακολουθία, με 512 bits μήκος, το οποίο είχε 500 μηδενικά στην αρχή, ώστε να δώσει χρόνο για δειγματοληψία, και μετά έναν άσσο, για να καταπιεστεί το CW που περνά από τον SOA D2 (έστω CW2). Η μορφή του CTR, μετά την εφαρμογή του νέου προτύπου, καθώς και οι 118 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ αναμενόμενες μορφές των CW, σε περίπτωση σωστής λειτουργίας, φαίνονται στην παρακάτω εικόνα 5.5.5: Εικόνα 5.5.5: το pattern που χρησιμοποιήσαμε Σε αυτήν τη φάση, οι συνθήκες οι οποίες εξετάζονται είναι οι εξής: λcw1 = nm, με ισχύ PCW1 = 15 mw (μετά την είσοδο στο chip) λcw2 = nm, με ισχύ PCW2 = 8.5 mw (μετά την είσοδο στο chip) λctr = nm, με ισχύ PCTR = 71 mw (μετά την είσοδο στο chip) ISOAD1 = ma ISOAD2 = ma Το λcw1 εισέρχεται από τη θύρα 39 ΙΝ, ενώ τα λcw2 και λctr εισέρχονται από την ίδια θύρα, την 40 ΙΝ, με ίδια φορά διάδοσης. Πριν την είσοδό τους στο chip, τα λcw2 και λctr εισέρχονται σε συζεύκτη, με αποτέλεσμα να έχουν κάποιες απώλειες ισχύος. Παρακολούθηση της εξόδου γίνεται στη θύρα 39 OUT, όπου παρακολουθείται η συμπεριφορά του λcw2. Στις συνθήκες αυτές επιτεύχθει πρώτη φορά κάτι που προσομοιάζει σε λειτουργία του flip flop, ωστόσο δεν ήταν ολοκληρωμένη όπως φαίνεται στην εικόνα παρακάτω από τον παλμογράφο: Εικόνα 5.5.6: Μερική λειτουργία flip-flop (κυριαρχία του ενός CW) με δύο στάθμες Είναι προφανές πως η κατάσταση χαρακτηρίζεται από αστάθεια και πολύ θόρυβο στο οπτικό σήμα. Παρατηρείται πως, μετά την καταπίεση της εξόδου του SOA D2, από το σήμα ελέγχου, λαμβάνεται ένα σήμα με δύο λογικές καταστάσεις, όπου υπάρχουν ξεκάθαρες στάθμες και στο «0» και στο «1». Αυτό συμβαίνει, πιθανότατα, λόγω του ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 119

120 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ lasing, που αναπτύσσεται όταν καταπιέζεται το λcw2. Επίσης, η συγκεκριμένη κατάσταση παρουσίαζε πολύ μεγάλη ευαισθησία στην πόλωση, γεγονός που προϊδεάζει για ύπαρξη ισχυρών ανακλάσεων στον κυματοδηγό. Η λειτουργία αυτή δεν ήταν καθόλου σταθερή και δεν μπορούσε να αναπαραχθεί ακόμη και με επανάληψη της λειτουργίας με τις ίδιες πρωταρχικές συνθήκες. Παρόλα αυτά, εφόσον αποδείχθηκε πως μπορεί να επιτευχθεί η επιθυμητή κατάσταση, συνεχίστηκαν οι δοκιμές για αναπαραγωγή του φαινομένου. Πράγματι, αλλάζοντας τιμές στο ρεύμα και στις ισχύς, εξετάζοντας παράλληλα διάφορες θέσεις πόλωσης, επιτεύχθει ξανά η λειτουργία αυτή, και, μάλιστα, πιο καθαρή αυτή τη φορά. Οι συνθήκες ήταν οι εξής: λcw1 = nm, με ισχύ PCW1 = 9 mw (μετά την είσοδο στο chip) λcw2 = nm, με ισχύ PCW2 = 4.5 mw (μετά την είσοδο στο chip) λctr = nm, με ισχύ PCTR = 7 mw (μετά την είσοδο στο chip) ISOAD1 = ma ISOAD2 = ma Παρακάτω φαίνονται δύο εικόνες (5.5.7), με την πρώτη να δείχνει την παραπάνω λειτουργία με έντονα φαινόμενα lasing, και με τη δεύτερη να δείχνει τη λειτουργία στην καλύτερη μορφή της. Αυτό αποτελεί ένα στιγμιαίο αποτέλεσμα όπως καταγράφτηκε στον παλμογράφο και όχι ένα σταθερό αποτέλεσμα για κάποιες δεδομένες συνθήκες. Εικόνα 5.5.7: Μερική λειτουργία flip-flop με διαφορετικές πολώσεις Αξίζει να σημειωθεί πως, κατά τη διάρκεια των δοκιμών αυτών, είχε συνδεθεί η έξοδος και με τον φασματικό αναλυτή, ώστε να παρακολουθείται, σε πραγματικό χρόνο, το φάσμα της εξόδου. Παρατηρήθηκαν ξεκάθαρα ανακλάσεις, οι οποίες είναι πιθανόν να οφείλονται για ένα μέρος της αστάθειας του κυκλώματος. Συγκεκριμένα για τις ανακλάσεις, σε όλες τις διατάξεις, έγιναν αρκετές δοκιμές, οι οποίες θα αναλυθούν αργότερα. Στο σημείο αυτό, εντοπίστηκε ένας λάθος υπολογισμός που είχε γίνει, κατά τη διάρκεια των παραπάνω μετρήσεων. Το μήκος κύματος που χρησιμοποιήθηκε για το σήμα ελέγχου, δηλαδή το λctr= nm, περνούσε μέσα από το φίλτρο, διότι ανήκε στο δεύτερο «λοβό» του φίλτρου (όπως φαίνεται στην εικόνα του φάσματος του φίλτρου), ο οποίος έχει ισχύ κορυφής 7 db χαμηλότερα από τον πρώτο. Έτσι, για να επιβεβαιωθεί ότι δεν δημιουργούσε πρόβλημα στην έξοδο το παλιό σήμα ελέγχου, δοκιμάστηκε ένα 120 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

121 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ νέο μήκος κύματος, που μπορούσε να αποκοπεί από το φίλτρο. Μετά από μερικές δοκιμές, επιλέχθηκε τελικά το λctr=1577 nm, όπου τα φάσματα ASE των δύο SOAs ήταν πολύ καθαρά και δεν υπήρχαν έντονα φαινόμενα lasing. Δοκιμάζοντας για λειτουργία flip flop με παλιές και καινούριες συνθήκες, δεν επιτεύθχει κάποιο αποτέλεσμα παρόμοιο με προηγουμένως. Στη συνέχεια, αποφασίστηκε να γίνει μια δοκιμή για συνολική λειτουργία flip-flop, χρησιμοποιώντας, δηλαδή, 4 σήματα, 2 για έλεγχο και 2 ως εισόδους. Τα δύο σήματα ελέγχου (SET- RESET) θα πρέπει να είναι έτσι συγχρονισμένα, ώστε ποτέ να μην στέλνουν ταυτόχρονα και τα δύο ισχύ για XGM, δηλαδή να μην στέλνουν μαζί «1», για να αποφευχθεί η απροσδιοριστία. Ο συγχρονισμός μπορεί να επιτευχθεί εντοπίζοντας, στο παλμογράφο, το χαρακτηριστικό σημείο της PRBS (το σημείο όπου έχει 7 «0» συνεχόμενα, ακολουθούμενα από 6 «1») και για τα δύο σήματα, και, έπειτα, μετατοπίζοντας ένα από τα δύο σήματα στο χρόνο, εισάγοντας καθυστέρηση στη διαδρομή πριν το chip. Καθυστέρηση μπορεί να εισάχθεί προσθέτοντας κάποια μέτρα ίνας (περίπου 1m ίνας αντιστοιχεί σε μετατόπιση 5 ns στο χρόνο) στη διαδρομή, που ακολουθεί το σήμα στο οποίο πρέπει να εισαχθεί καθυστέρηση, και χρησιμοποιώντας μια οπτική γραμμή καθυστέρησης (Optical Delay Line, ODL), η οποία μπορεί να μετακινήσει το σήμα στο χρόνο με ακρίβεια ps. Το πρότυπο που χρησιμοποιήθηκε ήταν έτσι διαμορφωμένο, ώστε η μισή περίοδος να αντιστοιχεί στην αρχή του πρώτου σήματος, ενός η άλλη μισή περίοδος να αντιστοιχεί στην αρχή του καθυστερημένου σήματος. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε ένα άλλο μήκος κύματος για το CW που περνά από τον SOA 1, ώστε να είναι πιο κοντά στην κορυφή του φάσματος του φίλτρου. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε το ASE ενός ισχυρού EDFA, ως βοηθητικό σήμα, για να κατασταλούν καλύτερα τα φαινόμενα lasing. Τα τελικά μήκη κύματος είναι τα εξής: λcw1 = nm λcw2 = nm λctr1 = nm λctr2 = nm Αφού πραγματοποιήθηκαν αρκετές δοκιμές, αλλάζοντας ρεύμα, θερμοκρασία, ισχύς και πολώσεις, δεν επιτεύχθει η αναπαραγωγή κάποιου επιθυμητού αποτελέσματος. Τα φαινόμενα lasing και οι ανακλάσεις, που παρουσιάζονται στη διάταξη, καθιστούν το κύκλωμα πολύ ασταθές, με αποτέλεσμα να χρειάζεται ένας συγκεκριμένος συνδυασμός όλων των παραπάνω συνθηκών, ώστε να επιτευχθεί λειτουργία flip-flop, η οποία μάλιστα θα κρατήσει για ελάχιστο χρόνο, εξαιτίας της μη καθορισμένης εμφάνισης lasing τρόπων Tests στο απλό flip-flop με συζευγμένους SOAs Στη συνέχεια, θα περιγραφούν μερικές δοκιμές που έγιναν στο δεύτερο μέρος της συστοιχίας D, δηλαδή στους συζευγμένους SOAs D5 και D6. Το κύκλωμα φαίνεται παρακάτω στην εικόνα (συμπεριλαμβάνεται και ο SOA D4 από το άλλο κύκλωμα, λόγω της εξάρτησης του D6 από το ρεύμα του D4): ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 121

122 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ XGM στον SOA D5 Εικόνα 5.5.8: SR flip-flop with coupled SOAs Αρχικά πραγματοποιήθηκαν μερικές δοκιμές στον SOA D5, για να βρεθούν τα μήκη κύματος που καταπιέζουν τα φαινόμενα lasing και παράλληλα επιδρούν, ως XGM, το ένα στο άλλο. Δοκιμάστηκε να βρεθεί πρώτα ένα CW που καταπιέζει το lasing σε υψηλό ρεύμα. Προέκυψε τελικά η παρακάτω περίπτωση: ID5 = 300 ma λcw = 1534 nm Το φάσμα φαίνεται στην εικόνα παρακάτω. Είναι φανερό πως το συγκεκριμένο μήκος κύματος καταπιέζει το lasing πλήρως, χρειάζεται όμως αρκετά υψηλή ισχύς (18 mw + EDFA). Εικόνα 5.5.9: το φάσμα ASE του SOA D5 όταν εισέρχεται λcw=1534nm (I=300mA) (5dB/div, 0.05nm) Σε αυτήν την περίπτωση το σήμα είναι πολύ ισχυρό και οδηγεί τον οπτικό ενισχυτή SOA σε βαθύ κορεσμό. Στη συνέχεια τροφοδοτήθηκε ο ενισχυτής με ma ρεύμα, όπου ήταν γνωστό ότι δεν παρουσιάζει lasing. Με το ίδιο CW επιτεύχθει το ίδιο αποτέλεσμα, δηλαδή απορροφούσε όλο το κέρδος του ενισχυτή. Το φάσμα φαίνεται στην εικόνα παρακάτω. 122 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα : το φάσμα ASE του SOA D5 όταν εισέρχεται λcw=1534nm (I=141.99mA) (5dB/div, 0.05nm) Η θερμοκρασία σε όλες τις δοκιμές αυτές ήταν στους 23. Αφού βρέθηκαν κάποια μήκη κύματος που καταπιέζουν τα lasing, έγινε μια προσπάθεια να συνδυαστοούν 2 CW σήματα, όπου το ένα θα έχει μεγαλύτερη ισχύ, ώστε να λειτουργεί ως σήμα ελέγχου, και να επιτευχθεί λειτουργία XGM. Μετά από αρκετές δοκιμές, βρέθηκαν τελικά οι εξής συνθήκες, στις οποίες παρατηρούνταν ένα καλό αποτέλεσμα διαμόρφωσης: λcw = nm με ισχύ 300 μw (μετά την είσοδο στο chip) και είσοδος από τη θύρα 45 ΙΝ λctr = nm με ισχύ 21 mw (μετά την είσοδο στο chip) και είσοδος από τη θύρα 47 ΙΝ θερμοκρασία (TEC) = 23 ID5 = ma Παρακάτω στην εικόνα φαίνεται το φάσμα που πήραμε στο φασματικό αναλυτή, μετρώντας την έξοδο στη θύρα 47 OUT. Το βάθος διαμόρφωσης που επιτεύχθει ήταν 8 db. Εικόνα : λειτουργία XGM στον SOA D5 με λcw=1541.5nm και λctr=1546.2nm ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 123

124 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Επίσης στην εικόνα παρακάτω φαίνονται και τα αντίστοιχα αποτελέσματα από τον παλμογράφο, δηλαδή το διάγραμμα ματιού για ταχύτητες λειτουργίες στα 0.5 GHz, 1 GHz και 3 GHz. Εικόνα : Διάγραμμα ματιού για 0.5, 1 και 3 GHz λειτουργία σε χρονική κλίμακα 500 ps/div, 200 ps/div kai 100ps/div αντίστοιχα Φαίνεται ότι στις περιπτώσεις των 0.5 και 1 GHz, το διάγραμμα ματιού είναι αποδεκτό, με λόγο σβέσης περίπου 5-6 db, ενώ στα 3 GHz είναι πολύ αλλοιωμένο, με λόγο σβέσης περίπου 2-3 db, πιθανότατα λόγω lasing. Η διαμόρφωση πλάτους στο λογικό ένα είναι μεγάλη και στις 3 περιπτώσεις (περίπου 3 db). Παρατηρήθηκαν χρόνοι ανάκαμψης γύρω στα 160 ps κατά μέσο όρο, όπως φαίνεται στην εικόνα παρακάτω. Εικόνα : recovery time of SOA Αργότερα έγιναν και άλλες δοκιμές για XGM, μήπως προκύψουν καλύτερα αποτελέσματα. Πράγματι, παρατηρήθηκε ένα σχετικά καλό διάγραμμα ματιού, ακόμα και σε λειτουργία 10 GHz, με τις εξής συνθήκες: ΙD5 = ma λctr = nm με ισχύ 30 mw (μετά την είσοδο στο chip) που εισέρχεται από τη θύρα 47 ΙΝ λcw = nm με ισχύ 7 mw (μετά την είσοδο στο chip) που εισέρχεται από τη θύρα 45 ΙΝ ID6 = ma ID4 = 8.83 ma Υπενθυμίζεται πως οι SOA D4 και D6 μοιράζονται το ρεύμα που παίρνουν, οπότε η πραγματική τιμή ρεύματος που δέχεται ο D6 είναι χαμηλότερη, άρα δουλεύει σε 124 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ κατάσταση διαφάνειας (transparency). Στην εικόνα παρακάτω φαίνονται τα διαγράμματα ματιού για λειτουργία σε 1, 5 και 10 GHz. Εικόνα : Διαγράμματα ματιού για λειτουργία σε 1, 5 και 10 GHz σε χρονική κλίμακα 200ps/div, 50ps/div και 20ps/div αντίστοιχα Καλό άνοιγμα ματιού και καλός λόγος σβέσης (~7-8 db) για 1 και 5 GHz Αποδεκτό άνοιγμα ματιού και λόγος σβέσης (~6 db) για 10 GHz. Η διαμόρφωση πλάτους είναι μικρότερη στις περιπτώσεις λειτουργίας 1 και 5 GHz, σε σχέση με τη λειτουργία σε 10 GHz Ο SOA D5 είναι ο μόνος που έδινε καλό αποτέλεσμα σε XGM στα 10 GHz, καθώς στους υπόλοιπους η τυχαία συμπεριφορά του lasing δεν το επέτρεπε. Μετά τα αποτελέσματα αυτά, εξετάστηκε αν ένα CW, που περνά από τον SOA D6, μπορεί να κάνει XGM στον D5. Έτσι, τροφοδοτήθηκε παραπάνω ρεύμα στους D6 και D4, και εισήχθει ένα CW (έστω CW2) στον D6, το οποίο το επιλέχθηκε με βάση προηγούμενη μελέτη, που είχε γίνει στον D5, για να βρεθούν τα μήκη κύματος που είχαν κάποια επίδραση πάνω του. Οι συνθήκες για αυτά που προστέθηκαν είναι: λcw2 = nm από τη θύρα 46 ΙΝ ID6 = 250 ma ID4 = ma Παρατηρήθηκε πως πειράζοντας την πόλωση και την ισχύ του CW2, ήταν δυνατή η εξαφάνιση και η επανεμφάνιση της λειτουργίας XGM πάνω στο SOA D5. Αυτό σημαίνει πως πράγματι το CW2 μπορεί να κυριαρχήσει στο κύκλωμα, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, καταπιέζοντας το CW1. Βάζοντας ξανά και το σήμα ελέγχου, παρατηρήθηκε κάποια XGM και στο CW2, η οποία μάλιστα ήταν η αντίστροφη (inverse) της XGM στο CW1. Υπενθυμίζεται πως το σήμα ελέγχου σε αυτό το σημείο είναι διαμορφωμένο με μια PRBS με bits. Επιβεβαιώθηκε πως οι δύο λειτουργίες XGM ήταν αντίστροφες μεταξύ τους ψάχνοντας τα χαρακτηριστικά σημεία στις δύο κυματομορφές. Η διαδικασία έχει ως εξής: Το σήμα ελέγχου έχει 7 μηδενικά με 6 άσσους να ακολουθούν, στο χαρακτηριστικό σημείο. Όταν διαμορφώνει το CW2 μέσω XGM, θα πρέπει το CW2 να έχει, στο χαρακτηριστικό σημείο, 7 άσσους με 6 μηδενικά να ακολουθούν, πράγμα που ισχύει. Το CW1 θα πρέπει να κυριαρχεί όταν το CW2 είναι κατεσταλμένο από το σήμα ελέγχου, όποτε αναμένεται να έχει ίδια κυματομορφή με το σήμα ελέγχου, δηλαδή 7 μηδενικά 6 άσσους. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 125

126 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Επιβεβαιώθηκε ότι τα παραπάνω ισχύουν, επομένως η κατάσταση που παρατηρείται προέρχεται από αντίστροφη XGM και όχι από ανακλάσεις. Παρακάτω (εικ ) φαίνεται η συγκεκριμένη λειτουργία, με την XGM στο CW1 στα αριστερά και την αντίστροφη XGM στο CW2 στα δεξιά. Εικόνα : XGM στο CW1 στα δεξιά και inverse XGM στον CW2 στα αριστερά XGM στον SOA D6 Στο σημείο αυτό, είναι σημαντικό να χαρακτηριστεί και ο D6, ως προς τη λειτουργία XGM, ώστε να μπορεί αργότερα να γίνει μια προσπάθεια για επιτυχή λειτουργία flipflop. Όπως και σε προηγούμενους ενισχυτές, έτσι κι εδώ έγιναν αρκετές δοκιμές, με διάφορα μήκη κύματος ως CW, ώστε να βρεθούν κάποια που να μπορούν να καταπιέσουν το lasing και να λαμβάνουν το μεγαλύτερο κομμάτι του κέρδους ενίσχυσης. Μια καλή περίπτωση διαμόρφωσης XGM που επιτεύχθει ήταν στις εξής συνθήκες: ΙD4 = ma ID6 = ma ID5 = 16 ma λcw = nm ισχύος 15 mw (μετά την είσοδο στο chip) λctr = nm ισχύος 166 mw (μετά την είσοδο στο chip) Υπενθυμίζεται πως τα σήματα περνάνε από τους κλάδους ελέγχου (branches), όπως περιεγράφηκε νωρίτερα στο κεφάλαιο. Στο φασματικό αναλυτή παρατηρήθηκε λειτουργία XGM, που το σήμα ελέγχου καταπίεζε το CW, με βάθος διαμόρφωσης (modulation depth) ίσο με 9 db. 126 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

127 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα : Στα αριστερά το φάσμα της εξόδου όταν διαδίδεται μόνο το CW και στα δεξιά το φάσμα όταν εισάγουμε το σήμα ελέγχου (1dB/div, 0.05nm) δεν παρατηρούνται μήκη κύματος από lasing, κατά την παρουσία των δύο αυτών σημάτων, κοντά στην περιοχή τους. Το σήμα ελέγχου καταπιέζει το CW με καλό βάθος διαμόρφωσης, διότι βρίσκονται κοντά στο φάσμα και το σήμα ελέγχου είναι μεγαλύτερο μήκος κύματος. Όσο μικρότερη φασματικά απόσταση έχουν δύο σήματα, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιρροή του ενός στο άλλο. Επίσης, για να επηρεαστεί ένα μήκος κύματος από ένα ψηλότερό του, κατά την ετεροδιαμόρφωση κέρδους, απαιτείται μικρότερο ποσό ισχύος, σε σχέση με την αντίστροφη διαδικασία. Τα διαγράμματα ματιού σε λειτουργία 1, 2, 4 και 5 GHz φαίνονται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα : διαγράμματα ματιού για λειτουργία σε 1 GHz (200ps/div κλίμακα), 3 GHz, 4 GHz και 5 GHz (50ps/div κλίμακα) Φαίνεται ότι λαμβάνεται ένα σχετικά αποδεκτό διάγραμμα ματιού μέχρι και τα 5 GHz λειτουργίας. Επίσης, η διαμόρφωση πλάτους μεγαλώνει (στο λογικό ένα) καθώς αυξάνεται η ταχύτητα λειτουργίας. Σε γρηγορότερο ρυθμό το σήμα χειροτερέυει. Για τα 10 GHz δεν ήταν δυνατή η εξαγωγή αποτελεσμάτων, παρά μόνο για το χρόνο επαναφοράς (recovery time) του κέρδους του SOA, που φαίνεται παρακάτω. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 127

128 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα : χρόνος επαναφοράς του SOA σε λειτουργία 10 GHz (100ps/div κλίμακα) Μέσος χρόνος ανόδου γύρω στα 180 psec Στη συνέχεια αφαιρέθηκε το σήμα ελέγχου από τον κλάδο (branch) και εισάχθηκε στο chip κατευθείαν, μετά την έλευσή από τον EDFA υψηλής ενίσχυσης που είναι διαθέσιμος, ο οποίος μπορεί να ενισχύσει μέχρι και 1 W. Συγκεκριμένα, δόθηκε στο σήμα ισχύς 600 mw, από τα οποία στο SOA έφταναν τελικά τα 35 mw, ενώ από το CW σήμα έφταναν ~2.5 mw. Το σήμα ελέγχου έκανε XGM στο CW με μεγαλύτερο βάθος διαμόρφωσης, ενώ ήταν βελτιωμένα και τα διαγράμματα ματιού. Επίσης παρατηρήθηκε ένα αχνό διάγραμμα ματιού στα 10 GHz. Στην εικόνα παρακάτω φαίνονται τα αποτελέσματα. Εικόνα : διαγράμματα ματιού για λειτουργία σε 1 GHz (200ps/div κλίμακα), 3 GHz, 4 GHz και 5 GHz (50ps/div κλίμακα) Επίσης, φαίνονται στην εικόνα παρακάτω το διάγραμμα ματιού και ο χρόνος ανόδου για τη λειτουργία στα 10 GHz. 128 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα : διάγραμμα ματιού (20ps/div) και χρόνος απόκρισης για λειτουργία στα 10 GHz Διάγραμμα ματιού μη αποδεκτό, αλλά το καλύτερο έως τώρα. Περίπου 3 db λόγος σβέσης και πολύ μεγάλη διαμόρφωση πλάτους (μεγαλύτερη από 5 db) στο λογικό ένα. Μέσος χρόνος ανόδου γύρω στα 150 psec. Κρατώντας ίδιες τις άλλες συνθήκες, μεταβαλλόταν σταδιακά το ρεύμα, μήπως βρεθεί κάποιο σημείο όπου υπάρχει λιγότερο lasing και λαμβάνονται καθαρότερα αποτελέσματα, ακόμα και σε υψηλές ταχύτητες. Για ρεύμα Ι = 314 ma και TEC = 23.1 C, παρατηρήθηκε αρκετά καλό διάγραμμα ματιού και στα 5 GHz, αλλά και κάπως πιο αποδεκτό στα 8 και 10 GHz. Εικόνα : διαγράμματα ματιού για λειτουργία σε 1 GHz (200ps/div κλίμακα), 5 GHz, 8 GHz και 10 GHz (50ps/div κλίμακα) Αρκετά καλό διάγραμμα ματιού στα 5 GHz (σχετικά τριγωνικό) Αποδεκτά διαγράμματα ματιού για 8 και 10 GHz Λόγοι σβέσης γύρω στα 8 db. Διαμόρφωση πλάτους μικρή στο λογικό 0 (~1 db), ενώ στο λογικό 1 αυξάνεται με την αύξηση της ταχύτητας. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 129

130 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Tests για flip-flop Αφού παρατηρήθηκε καλή λειτουργία XGM και στους δύο ενισχυτές, και αφού επιτεύχθει λειτουργία XGM μεταξύ των CW των δύο ενισχυτών, το επόμενο βήμα είναι μια προσπάθεια να επιτευχθεί κάποια λειτουργία απλού flip (δηλαδή μιας απλής αλλαγής κατάστασης που θα την διατηρεί), ή ακόμα και πλήρη λειτουργία flip-flop. Τροφοδοτώντας με ρεύμα τους 3 SOAs (αναγκαστικά και τον D4), εισάγονται τα 2 CW και ένα σήμα ελέγχου, το οποίο προορίζεται για τον SOA D5. Σκοπός ήταν πρώτα να επιτευχθεί κάποια λειτουργία flip, όπως στην διάταξη του κελιού μνήμης (SOA D1- D2). Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιήθηκε το ίδιο πρότυπο διαμόρφωσης με εκείνη την περίπτωση, δηλαδή πολλά μηδενικά στην αρχή, και μετά έναν άσσο για να κατασταλλεί το CW του SOA D5. Άρα, το πρότυπο είχε την παρακάτω μορφή (εικ ): Εικόνα : Το αναμενόμενο πρότυπο διαμόρφωσης των σημάτων Μετά τον ισχυρό παλμό από το σήμα ελέγχου, το CW2 (που περνάει από τον SOA D6) θα πρέπει να παραμείνει κυρίαρχο στο κύκλωμα, ενώ το CW1 (που περνάει από τον SOA D5) θα πρέπει να κατασταλεί. Η κατάσταση αυτή θα πρέπει να παραμείνει και μετά την έλευση του ισχυρού σήματος ελέγχου. Μετά από εκτενής δοκιμές, χρησιμοποιώντας διάφορες συνθήκες (ρεύματα, μήκη κύματος, ισχύς, πολώσεις, θερμοκρασίες), δεν επιτεύχθηκε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Το σήμα που παρατηρούνταν ως έξοδος στον παλμογράφο, δεν είχε μια καθαρή μορφή, αλλά διάφορα επίπεδα «0» και «1». Αυτό οφείλεται σε φαινόμενα lasing, καθώς και σε μεγάλο βαθμό στις ανακλάσεις, οι οποίες επιβεβαιώθηκαν πως υπάρχουν παρακολουθώντας τον φασματικό αναλυτή. Συγκεκριμένα, σε μερικές περιπτώσεις στο φάσμα του σήματος εξόδου, φαινόταν το σήμα ελέγχου κοντά στο CW και σε σχετικά υψηλή ισχύ. Δεδομένου πως το CW και το σήμα ελέγχου εισάγονταν στο chip με αντίθετη φορά διάδοσης, δεν ήταν δυνατό να εξέρχονται και τα δύο από την ίδια έξοδο, παρά μόνο σε περίπτωση ανάκλασης. Η ανάκλαση παρατηρούνταν μόνο όταν ο SOA D5 ήταν ενεργός (δηλαδή τροφοδοτούνταν με ρεύμα), άρα η ανάκλαση γίνεται κάπου μέσα στον οπτικό ενισχυτή SOA (ρήγμα) ή κάπου μετά τον ενισχυτή, πιθανότατα στην διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ ενισχυτή και κυματοδηγού (facet). 5.6 ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ Όπως παρατηρήθηκε, οι έξοδοι που λαμβάνονται από XGMs και λειτουργίες flip-flop, χαρακτηρίζονται από αστάθεια και ορισμένες φορές από διπολικότητα (δύο καταστάσεις ταυτόχρονα). Εκτός από το lasing, που δημιουργεί προβλήματα στη 130 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ λειτουργία των ενισχυτών, παρατηρήθηκε πως υπήρχαν και προβλήματα ανακλάσεων στις διατάξεις πάνω στο chip. Για παράδειγμα, η διπολικότητα στην έξοδο του flip-flop με το φίλτρο, του οποίου τη λειτουργία εξετάστηκε προηγουμένως, οφείλεται, κατά ένα μεγάλο ποσοστό, σε κάποια ανάκλαση (φίλτρο, συζεύκτης, SOA facet), και δίνει ισχύ στην έξοδο, με αποτέλεσμα να υπάρχει και επίπεδο λογικού «1». Εικόνα 5.6.1: Οι ανακλάσεις κατά τη διάρκεια της μερικής λειτουργίας flip-flop με 2 καταστάσεις (5dB/div, 0.05nm) Για την παρακολούθηση των ανακλάσεων και την μέτρηση των ισχύων τους, καθώς και να ερευνήθεί αν εμφανίζονται σε όλα τα μέρη του chip, εκτελέστηκαν αρκετές δοκιμές, σε όλους τους SOAs και τις εισόδους/εξόδους τους. Ακολουθεί μια αναφορά σε ορισμένες από τις δοκιμές αυτές, οι οποίες έδωσαν τα πιο χαρακτηριστικά αποτελέσματα. Παραμένοντας στη συστοιχία D, αρχικά ελέγχθηκαν οι ανακλάσεις στο κελί μνήμης (SOA D1-D4). Έχοντας σε λειτουργία τους SOA D1 και D2, σε σχετικά χαμηλά ρεύματα (~150 ma), και εισάγοντας τα δύο CW στους SOAs, σκοπός ήταν να ελεγχθεί αν το CW που περνά από τον D2 (CW2) ανακλάται κάπου στη διαδρομή. Επειδή η φυσική θύρα εξόδου της ανάκλασης θα ήταν η θύρα 42 OUT, που όπως αναφέρθηκε δεν δίνει καθόλου ισχύ, χρησιμοποιήθηκε η θύρα 43 ΙΝ, που είναι η είσοδος του D4. Οπότε, τέθηκε σε λειτουργία και ο D4 σε χαμηλό ρεύμα (90mA), ώστε να μπορεί να περάσει το σήμα από μέσα. Στην έξοδο πράγματι παρατηρήθηκε η ανάκλαση του CW2, παρακολουθώντας το φάσμα. Η ανάκλαση προερχόταν μάλλον από το φίλτρο ή από την επιφάνεια σύνδεσης του SOA με τον κυματοδηγό. Στην εικόνα παρακάτω φαίνεται το φάσμα: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 131

132 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα 5.6.2: Φάσμα σήματος εξόδου από έλεγχο για reflections. Μαζί με το CW1 φαίνεται και η ανάκλαση του CW2. (5dB/div, 0.05 nm) Επίσης ελέγχθηκαν και οι ανακλάσεις από την άλλη πλευρά του SOA D1, εισάγοντας ένα CW από την θύρα 39 ΙΝ και παίρνοντας την έξοδο στην ίδια θύρα με τη χρήση ενός παθητικού κυκλοφορητή (circulator). Ο κυκλοφορητής έχει 3 θύρες, τις 1, 2 και 3, και δουλεύει ως εξής: Ένα σήμα που εισέρχεται από τη θύρα 1 εξέρχεται από τη θύρα 2 Ένα σήμα που εισέρχεται από τη θύρα 2 εξέρχεται από τη θύρα 3 Έτσι, εισάγεται το CW στη θύρα 1 του κυκλοφορητή και συνδέεται η θύρα 2 με την θύρα 39 του chip. Έπειτα παρακολουθείται η έξοδος στη θύρα 3 του κυκλοφορητή. Εικόνα 5.6.3: το πειραματικό setup με τον circulator για τις ανακλάσεις στον SOA D1 Παρατηρήθηκε ότι υπάρχει πίσω ανάκλαση (back reflection) ίση με 20% της αρχικής ισχύος και προέρχεται από τη διεπαφή πυριτίου (Si interface). Συνεχίζοντας στην ίδια φιλοσοφία, έγιναν δοκιμές, χρησιμοποιώντας τον κυκλοφορητή, και στους SOA D5 και D6. Παρατηρήθηκαν και στα δύο παρόμοιες ανακλάσεις, που προέρχονταν από τις συνδέσεις μεταξύ κυματοδηγών. Παρακάτω φαίνονται μερικές εικόνες (5.6.4 και 5.6.5) από τη μορφή του σήματος ανάκλασης στον παλμογράφο. 132 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

133 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 5.6.4: Οι ανακλάσεις από την είσοδο του SOA D5. Παρατηρούνται επίπεδα στον άσσο. (2ns/div) Εικόνα 5.6.5: Οι ανακλάσεις από την είσοδο του SOA D6. Παρατηρούνται επίπεδα στον άσσο και εξάρτηση από την πόλωση. (1ns/div) Παρατηρήθηκε πως υπάρχει συμβολή στους άσσους και μάλιστα μετατοπισμένη, δημιουργώντας έτσι πολλά επίπεδα ισχύος. Αυτό συμβαίνει λόγω πολλαπλών ανακλάσεων, οι οποίες διασχίζουν διαφορετικές αποστάσεις στο chip, με αποτέλεσμα να φτάνουν με διαφορετικές φάσεις στην έξοδο και να συμβάλλουν σε διαφορετικά επίπεδα κάθε φορά (παρόμοια με ένα ΜΖΙ). Στους καθαρούς άσσους υπάρχει συνοχή (coherence), διότι συμβάλλουν δύο άσσοι του ίδιου μήκους κύματος. Επίσης, ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 133

134 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ παρατηρήθηκε πως οι ανακλάσεις αυτές ήταν πολύ εξαρτημένες από την πόλωση του σήματος. Παρόμοια αποτελέσματα πάρθηκαν και από τον έλεγχο στον SOA D3, ο οποίος έχει δύο θύρες εισόδου, 41 ΙΝ και 42 ΙΝ, που ενώνονται με έναν συζεύκτη 70/30. Χρησιμοποιήθηκε η θύρα 41 ως είσοδος του CW και η 42 για να ελεγχθούν οι ανακλάσεις που επιστρέφουν. Εικόνα 5.6.6: setup για τον έλεγχο του SOA D3 για ανακλάσεις Παρακάτω (εικ ) φαίνεται το φάσμα με κλειστό (χωρίς τροφοδοσία) και με ανοιχτό (με τροφοδοσία) τον SOA D3. Εικόνα 5.6.7: Αριστερά το φάσμα με κλειστό ενισχυτή και δεξιά με ανοιχτό. Παρατηρείται ανάκλαση με κλειστό το SOA, η οποία όμως ενισχύεται αρκετά όταν του δίνεται ρεύμα, άρα ίσως υπάρχει κάποια ανάκλαση μέσα στον ενισχυτή ή προέρχεται από την επαφή του ενισχυτή με τον κυματοδηγό από την άλλη πλευρά. Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρήθηκε σε όλους τους ενισχυτές της διάταξης. Ακόμα και στη συστοιχία των SOAs στο τμήμα Ε παρατηρήθηκε παρόμοια συμπεριφορά, με ανακλάσεις εξαρτημένες από την πόλωση και ισχύ ~5-6 db. Παρακάτω (εικ και 5.6.9) φαίνεται το πειραματικό setup και το φάσμα από τον έλεγχο στον SOA E4: 134 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 5.6.8: setup για τον έλεγχο του SOA E4 για ανακλάσεις Εικόνα 5.6.9: Αριστερά το φάσμα με κλειστό ενισχυτή και δεξιά με ανοιχτό. (5dB/div, 0.05nm) Με βάσει τις υποθέσεις που έγιναν, το lasing προκαλείται από ανακλάσεις που γίνονται σε διαφορετικά σημεία του chip. Άλλωστε, το lasing δεν είναι τίποτε άλλο παρά η συνεχής ανάκλαση συγκεκριμένων μηκών κύματος, έτσι ώστε να παγιδευτούν μέσα στον ενισχυτή και να απορροφούν μεγάλο ποσοστό του κέρδους του, όπως ακριβώς λειτουργούν και τα DFB lasers με φράγματα Bragg. Πιθανά σημεία στα οποία γίνονται ανακλάσεις είναι είτε επιφάνειες διασύνδεσης μεταξύ των διαφόρων ενεργών και παθητικών στοιχείων, μέσα στο chip (SOA με κυματοδηγό, κυματοδηγός με ΜΜΙ συζεύκτη κλπ.), είτε ρωγμές μέσα στον οπτικό ενισχυτή. Για να βρεθούν ακριβώς τα σημεία από τα οποία προέρχονται οι ανακλάσεις, θα πρέπει να βρεθεί το FSR (Free spectral range) ανάμεσα στους τρόπους lasing που αναπτύσσονται μέσα στον SOA, κοιτώντας το ASE φάσμα του, και έπειτα να βρεθεί μέσω αυτού το μήκος των κοιλοτήτων, μέσα στις οποίες γίνεται επανειλημμένη ανάκλαση και δημιουργούνται lasing μήκη κύματος. To FSR είναι η φασματική απόσταση μεταξύ δύο συνεχόμενων μεγίστων σε μια ανάκλαση από περιθλαστικές επιφάνειες και δίνεται από τον τύπο FSR = c 2nL. Δίνοντας ως είσοδο στον SOA E4 το θόρυβο ASE ενός EDFA, παρακολουθήθηκε η έξοδός του, ώστε να βρεθούν τα διάφορα FSR στο φάσμα. Παρακάτω (εικ ) φαίνονται τα αποτελέσματα: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 135

136 ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΕΤΡΗΧΟΣ Εικόνα : Μετρήσεις FSR με είσοδο από EDFA για τον SOA E4 Παρατηρούνται διάφορες τιμές του FSR που υποδεικνύει διαφορετικές κοιλότητες που δημιουργούνται μέσα στο chip. Οι πιθανές ανακλαστικές κοιλότητες που προκύπτουν φαίνονται στην εικόνα παρακάτω: Εικόνα : πιθανές ανακλαστικές κοιλότητες όπως φαίνονται στη μάσκα 1. Η κοιλότητα ενίσχυσης του SOA, δηλαδή ανακλάσεις στις αντιανακλαστικές επιφάνειες στα άκρα του (Antireflection coatings). 2. Κοιλότητα ανάμεσα στη διαχωριστική επιφάνεια του SOA και στον συζεύκτη ΜΜΙ. 3. Κοιλότητα λόγω ρωγμή εσωτερικά του SOA. 4. Κοιλότητα ανάμεσα στη διαχωριστική επιφάνεια του SOA με τον κυματοδηγό και την διαχωριστική επιφάνεια του κυματοδηγού εισόδου με το εξωτερικό του chip. 5. Κοιλότητα ανάμεσα στις διαχωριστικές επιφάνειες των κυματοδηγών εισόδου και εξόδου (δεν απεικονίζεται). 136 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM

137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6. Κοιλότητα μεταξύ διαχωριστικής επιφάνειας του SOA και της επιφάνειας του κυματοδηγού με τον οποίο συνδέεται (trench). Το μέγεθός της είναι πολύ μικρό (~2.5 μm), οπότε απεικονίζεται παρακάτω (εικ ) σε μια φωτογραφία από μικροσκόπιο: Εικόνα : SOA facet to waveguide end-facet Οι μετρήσεις και για τους υπόλοιπους ενισχυτές του chip έδιναν παρόμοια αποτελέσματα, δηλαδή όλοι οι ενισχυτές είχαν προβλήματα κατασκευής, που προκαλούσαν και τα έντονα φαινόμενα lasing. 5.7 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Όπως φάνηκε από τα ASE φάσματα των ενισχυτών, όλοι οι SOAs παρουσίαζαν ισχυρά ανεπιθύμητα φαινόμενα lasing. Τα φαινόμενα αυτά υποβαθμίζουν την ποιότητα των σημάτων, και παρεμποδίζουν την κανονική λειτουργία των κυκλωμάτων πάνω στο chip. Παρατηρήθηκε μη-γραμμική απόκριση στην συμπεριφορά του οπτικού ενισχυτή με την αύξηση του μήκους κύματος, δηλαδή μεγαλύτερα μήκη κύματος στο φάσμα δεν απορροφούσαν και το μεγαλύτερο κέρδος, ούτε καταπίεζαν τα φαινόμενα lasing. Επίσης, λόγω της τυχαιότητας με την οποία ενισχύονταν τα μήκη κύματος από lasing, δεν υπήρχε κάποιος τρόπος μόνιμης αντιμετώπισής τους και η λειτουργία των κυκλώματων ήταν πολύ ασταθής. Ένα ακόμα πρόβλημα που προκύπτει, από τα φαινόμενα lasing, είναι το γεγονός πως τα συνεχή κύματα CW που χρησιμοποιήθηκαν απαιτούσαν αρκετά μεγάλη ισχύ, ώστε να μπορέσουν να καταστείλουν το υπάρχον lasing. Ακολούθως, τα σήματα ελέγχου έπρεπε να έχουν ακόμα μεγαλύτερη ισχύ, ώστε να μπορέσουν να καταστείλουν και το lasing και τα CW. Το γεγονός αυτό απαγόρευε την λειτουργία flip-flop, καθώς τα δύο CW, που χρησιμοποιήθηκαν ως είσοδοι, δεν μπορούσαν να κυριαρχήσουν σωστά το ένα πάνω από το άλλο, δεδομένου πως έπρεπε ταυτόχρονα να μπορούν να καταπιέσουν το lasing και να καταπιεστούν από το σήμα ελέγχου. Η συμπεριφορά του φαινομένου lasing στους SOAs ήταν εξαρτημένη, σε μεγάλο βαθμό, από το ρεύμα και τη θερμοκρασία λειτουργίας των ενισχυτών. Χαμηλότερα ρεύματα και υψηλότερες θερμοκρασίες περιόριζαν το φαινόμενο, με κόστος όμως στην ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ RAM 137