ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ

ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΗΜΑΤΟΣ Πανεπιστημιούπολη, Ιλίσια, 157 84 Αθήνα Περίληψη της Διδακτορικής Διατριβής του Αλέξανδρου Καψάλη Ο κ. Αλέξανδρος Καψάλης εκπόνησε διδακτορική διατριβή με θέμα «Μελέτη, Σχεδιασμός και Χαρακτηρισμός Διατάξεων Οπτικών Μικροδακτυλίων για Εφαρμογές σε Οπτικά Δίκτυα» Η διατριβή του κ. Αλέξανδρου Καψάλη περιλαμβάνει δέκα κεφάλαια. Η διατριβή χωρίζεται σε δύο γενικά μέρη. Το πρώτο μέρος πραγματεύεται τα λέιζερ μικροδακτυλίου από θεωρητική σκοπιά, ενώ στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται οι πειραματικές μετρήσεις. Πιο αναλυτικά, η διάρθρωση της διατριβής έχει ως εξής: Το πρώτο κεφάλαιο περιέχει μία επισκόπηση των οπτικών δικτύων. Δίνεται συνοπτική περιγραφή της τεχνολογικής εξέλιξης των οπτικών δικτύων και αναλύονται οι απαιτήσεις των οπτικών δικτύων δεύτερης και τρίτης γενιάς για αμιγώς οπτική επεξεργασία σήματος. Με βάση τις απαιτήσεις αυτές περιγράφονται οι λειτουργίες των πομπών λέιζερ που πρέπει να καλύπτονται ώστε να αποτελούν δομικά στοιχεία στους κόμβους των δικτύων των επόμενων γενεών. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθεται η συμβολή της διατριβής στην υλοποίηση θεμελιωδών δομικών μονάδων για τα WDM δίκτυα. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται το θεωρητικό πλαίσιο το οποίο οδηγεί στις εξισώσεις που περιγράφουν τη σύζευξη φωτός μεταξύ ενός κυκλικού και ενός ευθύ κυματοδηγού. Μελετάται η επίδραση βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων: ακτίνα δακτυλίου, πλάτος κυματοδηγών, ενδιάμεση απόσταση στο συντελεστή σύζευξης. Η ανάλυση επικεντρώνεται στην επίτευξη μονότροπης εγκάρσιας λειτουργίας των ενεργών και των παθητικών στοιχείων, καθώς η ύπαρξη τρόπων ανώτερης τάξης οδηγεί σε υποβάθμιση των επιδόσεων των συσκευών αυτών. Προτείνονται τρεις μέθοδοι για μονότροπη λειτουργία και παρουσιάζονται τα σχετικά αποτελέσματα. Επίσης, μελετώνται φαινόμενα στροφής πόλωσης σε κυρτούς κυματοδηγούς Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μία εκτεταμένη αναφορά στους συντονιστές δακτυλίου και στις σχετικές συσκευές λέιζερ. Περιγράφονται αναλυτικά οι εξισώσεις που οδηγούν το φως που κυκλοφορεί σε έναν δακτύλιο σε συντονισμό και τα σχετικά φαινόμενα. Γίνεται μία ιστορική ανασκόπηση των συσκευών λέιζερ που έχουν δειχθεί μέχρι τη συγγραφή του παρόντος στη βιβλιογραφία. Τέλος, μελετώνται θεωρητικά οι συσχετίσεις μεταξύ των σχεδιαστικών παραμέτρων που προαναφέρθηκαν και των λειτουργικών χαρακτηριστικών, όπως ο θόρυβος φάσης και έντασης. σελ. 1 από 5

Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η ανάπτυξη ενός πλήρους αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης των λέιζερ συντονιστών μικροδακτυλίου συζευγμένων με έναν ευθύ κυματοδηγό βασισμένο σε πολύτροπες εξισώσεις ρυθμού. Περιγράφεται σε βάθος η παράθεση των σχετικών εξισώσεων που περιγράφουν το πολύτροπο μοντέλο προσομοίωσης. Αναλύεται η ενσωμάτωση των όρων γραμμικής και των όρων μη γραμμικής τόσο των συμμετρικών όσο και των ασύμμετρων που οδηγούν στα διάφορα φαινόμενα μεταπήδησης τρόπων. Εξηγείται η ενσωμάτωση της ανάδρασης μέσω της ανάκλασης στα άκρα του ευθύ κυματοδηγού, η οποία πρακτικά εισάγεται ως ένας όρος έγχυσης στις εξισώσεις ρυθμού. Στο πέμπτο κεφάλαιο το μοντέλο που αναπτύχθηκε χρησιμοποιείται για την εξαγωγή αποτελεσμάτων. Περιγράφονται τα φασματικά χαρακτηριστικά της διόδου. Παρατηρούνται διαφορετικές περιοχές λειτουργίας του λέιζερ μικροδακτυλίου ανάλογα τόσο με τη φορά λειτουργίας: αμφίδρομη και μονόδρομη όσο και με την πολύτροπη και μονότροπη λειτουργία. Επιπλέον των παραπάνω, μελετήθηκε η εικόνα θορύβου των λέιζερ μικροδακτυλίου με ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη της φασματικής κατανομής του σχετικού θορύβου έντασης (RIN). Προσομοιάστηκαν τόσο αμιγώς ενεργές όσο και ενεργές-παθητικές διατάξεις για διάφορες τιμές της ακτίνας, του συντελεστή σύζευξης και του λόγου οπισθανάκλασης ενώ μελετήθηκαν θεωρητικά οι δυνατότητες συντονισμού των διαφόρων λέιζερ. Στο έκτο κεφάλαιο ξεκινά η πειραματική διερεύνηση. Περιγράφεται η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός των διαφόρων συσκευών που μελετήθηκαν. Παρουσιάζονται αποτελέσματα από παθητικούς δακτυλίους που κατασκευάστηκαν για επιβεβαίωση θεωρητικών ευρημάτων. Χαρακτηρίστηκαν αμιγώς ενεργές, όπου δακτύλιος και ευθύς κυματοδηγός παρέχουν απολαβή με την έγχυση ρεύματος καθώς και υβριδικές διατάξεις στις οποίες ο ευθύς κυματοδηγός είναι παθητικός ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση οπισθανακλάσεων από τα άκρα του. Ο χαρακτηρισμός έγινε για διάφορες ακτίνες δακτυλίου καθώς και πλάτη κυματοδηγού, οδηγώντας σε διαφορετικές τιμές του συντελεστή σύζευξης. H διερεύνηση των περιοχών λειτουργίας των λέιζερ έγινε μέσω των οπτικών φασμάτων εκπομπής, των φασμάτων χρονικής εξέλιξης, των χαρακτηριστικών καμπυλών ισχύος εξόδου συναρτήσει του ρεύματος (L-I). Στο έβδομο κεφάλαιο μελετώνται φαινόμενα σχετικά με το θόρυβο των λέιζερ μικροδακτυλίου. Παρατηρούνται φαινόμενα μεταπήδησης τρόπων όταν τα λέιζερ βρίσκονται σε περιοχή πολύτροπης λειτουργίας. Mελετώνται τα φαινόμενα που σχετίζονται με διακυμάνσεις της έντασης μέσω των φασμάτων χρονικής εξέλιξης και της μελέτης της φασματικής εικόνας του σχετικού θορύβου έντασης (RIN). Μετράται ο θόρυβος φάσης (εύρος γραμμής λέιζερ), ενώ επιχειρείται και επιβεβαιώνεται για ακόμη μία φορά η πλήρης ταύτιση των πειραματικών ευρημάτων με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές. Στο όγδοο κεφάλαιο μελετώνται οι δυνατότητες συντονισμού των λέιζερ μικροδακτυλίου. Στις αμιγώς ενεργές διατάξεις ο συντονισμός επιτυγχάνεται μέσω του ενεργού ευθύ κυματοδηγού καθώς ρυθμίζει τη φάση του οπισθανακλώμενου πεδίου με την αλλαγή του εγχεόμενου σε αυτόν ρεύματος. Στις ενεργές-παθητικές διατάξεις μονού δακτυλίου ισχύουν τα ίδια μόνο που ο ευθύς κυματοδηγός είναι παθητικός. Αυτό περιορίζει τις δυνατότητες συντονισμού. Στις ενεργές-παθητικές διατάξεις διπλού δακτυλίου παρουσιάζεται σημαντικά εκτεταμένο εύρος συντονισμού (40nm) το οποίο επιτυγχάνεται μέσω του μηχανισμού Vernier των φασμάτων των δύο ενεργών κοιλοτήτων. Στο κεφάλαιο εννέα παρουσιάζονται εφαρμογές των ενεργών διατάξεων μικροδακτυλίου και πιο συγκεκριμένα ως πηγές λέιζερ με δυνατότητα άμεσης διαμόρφωσης έως και 7Gb/s. Επίσης, παρουσιάζεται η διάδοση ενός οπτικά διαμορφωμένου σήματος σε 100km μονότροπης οπτικής ίνας για 5Gb/s. Μελετήθηκε η χρήση ως μετατροπέας μήκους κύματος εκμεταλλευόμενος την ετεροδιαμόρφωση απολαβής XGM καθώς και ως οπτικός ενισχυτής για ενίσχυση σημάτων της τάξης των 10Gb/s κατά 10 περίπου db. σελ. 2 από 5

Στο δέκατο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μία συγκέντρωση των αποτελεσμάτων και των σχετικών συμπερασμάτων, ενώ γίνεται λόγος για μελλοντικά θέματα που σχετίζονται με τη συνεισφορά της παρούσας διατριβής. Πέραν του κεντρικού κορμού της διδακτορικής διατριβής του, όπως περιγράφηκε παραπάνω, ο κύριος Καψάλης συμμετείχε και σε άλλες ερευνητικές δραστηριότητες του εργαστηρίου οπτικών επικοινωνιών. Τα θέματα με τα οποία ασχολήθηκε ήταν σχετικά με διατάξεις συντονιστών μικροδακτυλίου και συστήματα αισθητήρων, οπτό-μηχανικών συστημάτων, μετατροπής μήκους κύματος με βάση την μίξη τεσσάρων κυμάτων και τη μελέτη δομών ενεργών και παθητικών συντονιστών μικροδακτυλίων ως φίλτρα. Λεπτομερή στοιχεία του ευρύτερου δημοσιευμένου έργου του κου Αλέξανδρου Καψάλη δίνονται στη συνέχεια: Δημοσιεύσεις σε Επιστημονικά Περιοδικά και συνέδρια που άπτονται της διατριβής 1. I. Stamataki, S. Mikroulis, A. Kapsalis, D. Syvridis, Investigation on the Multimode Dynamics of InGaAsP/InP Microring Lasers, IEEE Journal of Quant. Electronics, vol. 42, no. 12, pp. 1266-1273(2006) 2. A. Kapsalis, I. Stamataki, S. Mikroulis, D. Syvridis, M. Hamacher, Widely Tunable All-Active Micro-Ring Lasers, IEEE Phot. Techn. Lett., vol. 18, no. 24, pp. 2641-2643 (2006) 3. D. Alexandropoulos, A. Kapsalis, D. Syvridis, "Suppression of higher order modes in vertically coupled micro-ring resonators," Microwave and Optical Technology Letters Vol. 49, No. 12, pp. 2963-2968, (2007) 4. M. Kusko, A. Kapsalis, C. Kusko, D. Alexandropoulos, D. Cristea and D. Syvridis, Design of single-mode vertically coupled microring resonators, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 10 (2008) 5. I. Stamataki, A. Kapsalis, S. Mikroulis, D. Syvridis, M. Hamacher, U. Troppenz and H. Heidrich, Modal properties of all-active InGaAsP/InP microring lasers, Optics Communications, Volume 282, Issue 12, p. 2388-2393 (2009) 6. A. Kapsalis, H. Simos, D. Syvridis, M. Hamacher, H. Heidrich, Tunable Wavelength Conversion using Cross Gain Modulation in a Vertically Coupled Microring Laser, IEEE Phot. Techn. Lett., vol. 21, no. 21, pp. 1618-1620 (2009) 7. A. Kapsalis, D. Syvridis, M. Hamacher, H. Heidrich, Broadly Tunable Laser using Double-Rings Vertically Coupled to a Passive Waveguide, IEEE Journal of Quantum Electron., vol. 46, no. 3, pp. 306-312 (2010) 8. M. Kusko, D. Alexandropoulos, C. W. Tee, A. Kapsalis, D. Cristea, D. Syvridis, C. Kusko, Numerical analysis of microring resonator obtained by wafer-bonding technology, Proceedings of the SPIE, Volume 5956, pp. 349-360 (2005) 9. D. Alexandropoulos, A. Kapsalis, D. Syvridis, U. Troppenz, M. Hamacher H. Heidrich, Design considerations for spatial monomode operation of InP-based passive vertically coupled microring resonators, Proceedings of the 5th International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices, NUSOD '05, pp. 119-120 (2005) 10. A. Kapsalis, D. Alexandropoulos, S. Mikroulis, H. Simos, I. Stamataki, and D. Syvridis, M. Hamacher, U. Troppenz, and H. Heidrich, Spectral properties of all-active InP-based microring resonator devices, Proceedings of the SPIE, Volume 6115, pp. 386-394 (2006) 11. A. Kapsalis, I. Stamataki, D. Syvridis, M. Hamacher, Widely Tunable All-Active Micro-Ring Lasers through Phase Shifted Controlled Feedback, We 3.52 ECOC 2006 12. M. Hamacher, U. Troppenz, H. Heidrich, V. Dragoi, A. Kapsalis, D. Syvridis, C.W. Tee, K.A. Williams, M. Alexe, M. Kusko, D. Cristea, Vertically coupled microring laser devices based on InP using BCB waferbonding, CLEO-Europe IQEC 2007, 17-22 June 2007, Munich, Germany 13. M. Kusko, A. Kapsalis, C. Kusko, D. Alexandropoulus, D. Cristea, D. Syvridis, Design of singlemode vertically coupled microring resonators, 2nd European Optical Society Topical Meeting:" OPTICAL MICROSYSTEMS ", 30 Sept. 3 Oct. 2007, Capri (Napoli), Italia, post dead-line paper σελ. 3 από 5

14. M. Hamacher, H. Heidrich, U. Troppenz, D. Syvridis, D. Alexandropoulos, S. Mikroulis, A. Kapsalis, C.W. Tee, K.A. Williams, V. Dragoi, M. Alexe, D. Cristea, M. Kusko, Waferbonded Active/Passive Vertically Coupled Microring Lasers, SPIE Photonics West - LASER 2008, January 19-24, 2008, San Jose, California, USA, paper no. 6896-27 15. A. Kapsalis, U. Troppenz, M. Hamacher, H. Heidrich and D. Syvridis, 7Gb/s Direct Modulation of Vertically Coupled Microring Lasers, OFC 2008, 24-28 February 2008, San Diego, California, USA 16. D. Syvridis, H. Simos, S. Mikroulis, and A. Kapsalis, Microring-based devices for telecommunication applications, Proceedings of the SPIE, Vol. 7211, (2009) 17. M. Hamacher, U. Troppenz, H. Heidrich, V. Dragoi, A. Kapsalis, D. Syvridis, C.W. Tee, K.A. Williams, M. Alexe, M. Kusko, D. Cristea, Vertically Coupled and Waferbonded µring Resonators on InP, European Semiconductor Laser Workshop 2007, 14 15 Sept. 2007, Berlin, Germany Άλλες Εργασίες 1. C. Mesaritakis, H. Simos, A Kapsalis, D. Syvridis, Optical Microring-Based Interrogation Method for Phase Detecting Elements, Sensors Journal, IEEE, vol.9, no.12, pp.2016-2023, Dec. 2009 2. C. Mesaritakis, H. Simos, A. Kapsalis, D. Syvridis, "Micro Ring Biochemical Sensor Based on Fano Resonances and Nanoslot Waveguides", EOS annual meeting TOM1 Biophotonics September 2008 Paris France 3. C. Mesaritakis, A. Argyris, E. Grivas, A. Kapsalis and D. Syvridis, Adaptive interrogation for fast optical sensing based on cascaded microring resonators, accepted for publication in IEEE Sensors 2010 Από τα προηγούμενα συνάγεται ότι ο κ. Αλέξανδρος Καψάλης ολοκλήρωσε επιτυχώς την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής με βαθμό «άριστα». Η ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ σελ. 4 από 5

Δ. ΣΥΒΡΙΔΗΣ Θ. ΣΦΗΚΟΠΟΥΛΟΣ Ν. ΘΕΟΦΑΝΟΥΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΚΠΑ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΚΠΑ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΚΠΑ Ν. ΠΕΛΕΚΑΝΟΣ Α. ΣΕΡΑΦΕΤΙΝΙΔΗΣ ΑΓΓ. ΑΡΑΠΟΓΙΑΝΝΗ Γ. ΑΛΕΞΑΚΗ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΝ. ΚΡΗΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΜΠ ΑΝ. ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΚΠΑ ΕΠΙΚ.ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΚΠΑ σελ. 5 από 5