Π Τ Υ Χ Ι Α Κ Η /ΔΙ Π Λ Ω Μ ΑΤ Ι Κ Η Ε Ρ ΓΑ Σ Ι Α

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 Π Τ Υ Χ Ι Α Κ Η /ΔΙ Π Λ Ω Μ ΑΤ Ι Κ Η Ε Ρ ΓΑ Σ Ι Α «ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ» (Experimental evaluation of Echelle gratings based on Silicon-on-Insulator photonic technology) ΓΕΩΡΓΙΑΔΟΥ ΕΛΕΝΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΛΕΡΟΣ ΝΙΚΟΣ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΑΠΘ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2015

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Π Ε Ρ Ι Λ Η Ψ Η Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την αρχή λειτουργίας των φραγμάτων περίθλασης Echelle, τις εφαρμογές τους και τη διαδικασία ολοκλήρωσης σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα. Γίνεται μια εισαγωγή στη WDM πολυπλεξία και τους λόγους που έχει στραφεί το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται δυο διατάξεις WDM πολυπλεξίας σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα, τα φράγματα περίθλασης AWG και Echelle και γίνεται μια σύγκριση μεταξύ τους. Μετά την αναλυτική περιγραφή της λειτουργίας του Echelle, γίνεται μια αναφορά στις τεχνικές ολοκλήρωσης στα οπτικά κυκλώματα και μια περιγραφή της κατασκευής των παθητικών διατάξεων που χρειάζονται για την κατασκευή του Echelle grating με την τεχνολογία φωτονικής πυριτίου (Silicon-On-Insulator). Στη συνέχεια, γίνεται o πειραματικός χαρακτηρισμός μιας διάταξης Echelle στα 10Gbps, όπου περιγράφονται και αναλύονται τα αποτελέσματα. Στο τέλος, παρουσιάζονται κάποιες εφαρμογές των Echelle, όπως η συνέχεια του πειράματος με την εισαγωγή της έννοιας της αποθήκευσης (buffering) και τη λειτουργία του Echelle ως 2x2 οπτικού μεταγωγέα. Επίσης, αναφέρεται η χρήση του Echelle σε δέκτες, σε εφαρμογές παραγωγής ακτινοβολίας laser, αισθητήρες, φασματόμετρα αλλά και σε εφαρμογές αστρονομίας. ΤΙΤΛΟΣ VII

ABSTRACT A B S T R A C T The present thesis regards the function of the Echelle diffraction gratings, their applications and fabrication process in photonic integrated circuits. The reader is introduced to WDM multiplexing and the reasons why photonic integrated circuits are so important to the scientific community. Two basic WDM filters are presented and discussed, AWG and Echelle gratings. After a detailed description of the function of the Echelle grating, a brief reference to photonic integration techniques is made, which leads to the description of the fabrication of the specific Echelle grating with the Silicon-On-Insulator technology. Furthermore, the experimental setup used for the performance evaluation of the Echelle grating is described, with the transmission of 10Gbps data signals. Finally, some applications involving Echelle gratings are mentioned, such as a possible future experiment that takes the current experiment discussed here even further, which is a 2x2 optical switch with buffering solutions, and others, such as receiver, lasers, sensors, spectrometers and astronomy applications. ΤΙΤΛΟΣ IX

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ε Υ Χ Α Ρ Ι Σ Τ Ι Ε Σ Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην πραγματοποίηση της εργασίας αυτής. Αρχικά τον καθηγητή μου κ. Νίκο Πλέρο, για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντάς μου ένα δικό του θέμα, για την καθοδήγησή του και όλα όσα με δίδαξε. Να τονίσω ότι κατά τη διάρκεια της διπλωματικής έλαβα τις πιο ενδιαφέρουσες και ολοκληρωμένες γνώσεις της προπτυχιακής μου πορείας. Για τον λόγο αυτό επιβάλλεται να ευχαριστήσω όλα τα παιδιά στο εργαστήριο, που με δίδαξαν και αφιέρωσαν ώρες ολόκληρες σε αυτό, τη Χαρούλα Μητσολίδου, τον Δημήτρη Φίτσιο, Γιώργο Ντάμπο, Χρήστο Βαγιωνά, Στέλιο Πίτρη, Γιώργο Κανέλλο και Παύλο Μανιώτη και φυσικά όλη την υπόλοιπη ομάδα του εργαστηρίου. Δε θα μπορούσα βέβαια να παραλείψω τους παππούδες μου, που με στηρίζουν ηρωικά σε καθημερινή βάση, αλλά και τους γονείς μου, που συμβάλλουν με τον δικό τους τρόπο και με διευκολύνουν πάντα όσο περισσότερο μπορούν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους πιο κοντινούς μου ανθρώπους για την κατανόηση της συχνής μου απουσίας και την ατελείωτή τους στήριξη σε όλους τους τομείς! Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2015 Έλενα Γεωργιάδου ΤΙΤΛΟΣ XI

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... 19 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ WDM ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ... 20 1.2 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ... 21 1.3 AWG ΚΑΙ ECHELLE GRATING... 22 1.4 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ... 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING... 25 2.1 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING... 26 2.1.1 ΕΞΙΣΩΣΗ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ... 26 2.1.2 ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΦΑΣΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ... 29 2.1.3 ΓΩΝΙΑΚΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ... 30 2.1.4 ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ (FSR)... 31 2.1.5 ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ (GRATING EFFICIENCY)... 32 2.2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΦΩΤΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ... 34 2.3 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ CHIP... 35 2.4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ GRATING ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ... 36 ΤΙΤΛΟΣ XIII

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING... 39 3.1 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ECHELLE... 40 3.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ... 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ECHELLE GRATING... 49 4.1 ΠΑΘΗΤΙΚΟΣ 2Χ2 WDM ΜΕΤΑΓΩΓΕΑΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΧΡΟΝΙΚΗ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ... 50 4.2 ΔΕΚΤΗΣ... 51 4.3 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΣΕ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ CMOS-ΣΥΜΒΑΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ... 53 4.4 ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΠΤΙΚΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ... 54 4.5 LASERS... 55 4.6 ECHELLE GRATING ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑΣ... 57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 60 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I: ΑΝΑΦΟΡΕΣ... 63 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ II: ΑΚΡΩΝΥΜΑ... 67 XIV ΤΙΤΛΟΣ

ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Λ Ι Σ Τ Α Σ Χ Η Μ ΑΤ Ω Ν ΕΙΚΟΝΑ 1.1-1: WDM ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ... 20 ΕΙΚΟΝΑ 1.3-1: ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ AWG. ΤΟ ΦΩΣ ΕΙΣΕΡΧΕΤΑΙ ΣΤΟΝ ΣΥΖΕΥΚΤΗ (1), ΤΑΞΙΔΕΥΕΙ ΣΤΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΣ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥ ΜΗΚΟΥΣ (3) ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΕΞΟΔΟ ΟΙ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΙ ΣΥΜΒΑΛΛΟΥΝ ΜΕ ΤΕΤΟΙΟΝ ΤΡΟΠΟ, ΩΣΤΕ ΤΟ ΚΑΘΕ ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΝΑ ΚΑΤΑΛΗΓΕΙ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟ ΕΞΟΔΟΥ.... 22 ΕΙΚΟΝΑ 1.3-2: ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ECHELLE GRATING... 23 ΕΙΚΟΝΑ 2.1-1: ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ ΣΤΟ GRATING... 27 ΕΙΚΟΝΑ 2.1-2: ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ... 27 ΕΙΚΟΝΑ 2.1-3: ΡΥΘΜΙΣΗ LITTROW... 28 ΕΙΚΟΝΑ 2.1-4: ΤΑΞΕΙΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ... 29 ΕΙΚΟΝΑ 2.1-5: ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΤΩΝ ΤΑΞΕΩΝ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ... 30 ΕΙΚΟΝΑ 2.1-6: ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΟΥ FSR ΣΕ ΕΝΑ ECHELLE... 32 ΕΙΚΟΝΑ 2.1-7: Η ΓΩΝΙΑ BLAZE... 33 ΕΙΚΟΝΑ 2.3-1: Η ΤΕΧΝΙΚΗ UNIBOND ΣΕ SOI... 36 ΕΙΚΟΝΑ 2.4-1: RIB ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΣ ΣΕ SOI CHIP... 37 ΕΙΚΟΝΑ 2.4-2: ΕΠΤΑ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΙ ΜΑΣΚΑΣ ΤΟΥ ECHELLE, ΑΠΟ ΤΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗΚΕ ΣΤΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ VTT... 37 ΕΙΚΟΝΑ 2.4-3: ΤΟ CHIP ΤΟΥ ECHELLE... 38 ΕΙΚΟΝΑ 3.1-1: ΑΡΧΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ECHELLE... 40 ΕΙΚΟΝΑ 3.1-2: ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ECHELLE... 41 ΕΙΚΟΝΑ 3.1-3: ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΩΝ ΘΥΡΩΝ ΤΟΥ ECHELLE, (Α) ΘΥΡΑ 1, (Β) ΘΥΡΑ 2, (Γ) ΘΥΡΑ 3... 42 ΕΙΚΟΝΑ 3.2-1: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ECHELLE... 43 ΕΙΚΟΝΑ 3.2-3 ΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΤΕΣΣΕΡΑ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΣΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ... 44 ΕΙΚΟΝΑ 3.2-4: ΤΑ ΦΑΣΜΑΤΑ ΣΤΙΣ ΕΞΟΔΟΥΣ ΤΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΩΝ, (Α) MOD-1 ΚΑΙ (Β) MOD-2... 45 ΕΙΚΟΝΑ 3.2-5: ΤΑ ΦΑΣΜΑΤΑ ΣΤΙΣ ΕΞΟΔΟΥΣ ΤΟΥ ECHELLE, (Α) ΈΞΟΔΟΣ 1, (Β) ΈΞΟΔΟΣ 2... 45 ΕΙΚΟΝΑ 3.2-6: ΤΑ ΦΑΣΜΑΤΑ ΣΤΙΣ ΕΞΟΔΟΥΣ 1 ΚΑΙ 2 ΤΩΝ AWG-3 ΚΑΙ AWG-4... 46 ΕΙΚΟΝΑ 3.2-7: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΚΑΙ ΑΚΟΛΟΥΘΙΕΣ BIT ΓΙΑ ΤΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ BTB ΚΑΙ ΜΕ ΤΟ ECHELLE, ΣΤΑ 3.2 MV/DIV ΓΙΑ ΤΑ Λ 1 ΚΑΙ Λ 2 ΚΑΙ ΣΤΑ 2.7 MV/DIV ΓΙΑ Λ 3 ΚΑΙ Λ 4... 47 ΕΙΚΟΝΑ 3.2-8: ΚΑΜΠΥΛΕΣ BER... 48 ΕΙΚΟΝΑ 4.1-1: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 2X2 WDM ROUTING... 50 ΕΙΚΟΝΑ 4.1-2: (Α) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΘΥΡΑ ΕΞΟΔΟΥ 1 ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΤΑ ΣΗΜΑΤΑ ΕΞΟΔΟΥ Λ 1 ΚΑΙ Λ 2, (Β) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΘΥΡΑ ΕΞΟΔΟΥ 2 ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΤΑ ΣΗΜΑΤΑ ΕΞΟΔΟΥ Λ 3 ΚΑΙ Λ 4... 51 ΕΙΚΟΝΑ 4.2-1: ECHELLE GRATING ΜΕ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΟΛΩΣΗ... 52 ΕΙΚΟΝΑ 4.2-2: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΣΤΑ 25GBPS ΓΙΑ ΤΕΣΣΕΡΑ ΑΠΟ ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ... 52 ΕΙΚΟΝΑ 4.3-1: ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΣΕ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΚΥΚΛΩΜΑ... 53 ΕΙΚΟΝΑ 4.4-1: ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ... 54 ΕΙΚΟΝΑ 4.4-2: ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ ΚΑΙ PEAK WAVELENGTHS ΓΙΑ ΔΥΟ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΕΙΚΤΕΣ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ.. 55 ΕΙΚΟΝΑ 4.5-1: DYE LASER ΜΕ ΦΡΑΓΜΑ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ... 56 ΕΙΚΟΝΑ 4.5-2: DYE LASER ΜΕ ΤΟ ΦΡΑΓΜΑ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ ΝΑ ΔΙΝΕΙ ΤΗΝ ΕΞΟΔΟ... 56 ΕΙΚΟΝΑ 4.5-3: DYE LASER ΜΕ ΤΟ ΦΡΑΓΜΑ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ, ΚΑΘΡΕΠΤΗ ΚΑΙ OC... 56 ΕΙΚΟΝΑ 4.6-1: ΔΙΠΛΟ MOSAIC GRATING... 58 ΤΙΤΛΟΣ XV

ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΤΙΤΛΟΣ XVII

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

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ WDM ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ Τα τελευταία χρόνια η ταχύτατη ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιακών δικτύων είναι γεγονός. Η συνεχής ανάπτυξη εισάγει ολοένα και περισσότερες απαιτήσεις όσον αφορά την τεχνολογία, γεγονός που έχει στρέψει το ενδιαφέρον στα οπτικά δίκτυα. Οι οπτικές ίνες υποστηρίζουν πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, καλύπτουν μεγάλο εύρος ζώνης, της τάξης των THz, και όλα αυτά κατά μήκος μεγάλων αποστάσεων, με πολύ χαμηλές απώλειες. Για να γίνει όμως αποδοτική η χρήση του τεράστιου εύρους ζώνης που προσφέρουν οι οπτικές ίνες, πρέπει να χρησιμοποιηθεί κάποια μορφή πολυπλεξίας. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται μετάδοση πολλών σημάτων παράλληλα στην ίδια ίνα, αξιοποιώντας το εύρος ζώνης που προσφέρεται. Η πιο ευρέως διαδεδομένη και ευέλικτη τεχνική πολυπλεξίας είναι η πολυπλεξία μήκους κύματος (WDM). Στην WDM πολυπλεξία το εύρος ζώνης της ίνας χωρίζεται σε κανάλια και σε κάθε κανάλι ανατίθεται ένα διαφορετικό μήκος κύματος. Τα μήκη κύματος μεταδίδονται μέσω της ίδιας ίνας, αφού περάσουν πρώτα από έναν πολυπλέκτη. Στην έξοδο περνούν από έναν αποπολυπλέκτη, ώστε να διαχωριστούν. Με αυτό τον τρόπο καταφέρνουμε να αγγίξουμε ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των Tbps, σε σύγκριση με τα περίπου 10Gbps που θα μας πρόσφερε ένα μόνο κανάλι. Εικόνα 1.1-1: WDM πολυπλεξία Ένα πολύ θετικό χαρακτηριστικό της WDM πολυπλεξίας είναι ότι ο αργός, σε σχέση με τις οπτικές ίνες, ηλεκτρονικός εξοπλισμός του τελικού χρήστη πρέπει να λειτουργεί στο ρυθμό μετάδοσης του ενός καναλιού μόνο της ίνας, κάτι που μπορεί να επιλεγεί ανάλογα. Έτσι, εκμεταλλευόμαστε μεν το εύρος ζώνης της ίνας, αλλά με τρόπο που ανταποκρίνεται στις ταχύτητες των ηλεκτρονικών στοιχείων. 20 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η WDM πολυπλεξία διακρίνεται σε δυο κατηγορίες, την CWDM (coarse WDM) και DWDM (dense WDM). Η διαφορά τους είναι ότι στην CWDM πολυπλεξία τα κανάλια έχουν μεγάλη φασματική απόσταση μεταξύ τους, συνήθως στα 20nm, ενώ στην DWDM τα κανάλια έχουν πολύ μικρή φασματική απόσταση μεταξύ τους, 50-200GHz. Στα CWDM δίκτυα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενισχυτές ίνας ερβίου (EDFA), λόγω της μεγάλης φασματικής απόστασης των καναλιών, οπότε περιορίζονται σε θέμα απόστασης σε σχέση με τα δίκτυα DWDM. Για την υλοποίηση της πολυπλεξίας είναι λοιπόν απαραίτητοι οι πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες. Οι πολυπλέκτες και οι αποπολυπλέκτες μπορούν να είναι είτε παθητικές, είτε ενεργητικές διατάξεις στον σχεδιασμό τους. Οι παθητικοί σχεδιασμοί βασίζονται σε διατάξεις όπως είναι τα πρίσματα, τα φράγματα περίθλασης (diffraction grating) και τα παθητικά φίλτρα. Δυο τύποι φραγμάτων περίθλασης είναι τα φράγματα AWG και τα Echelle. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα αναλυθούν τα φράγματα Echelle και θα παρουσιαστεί μια διάταξη μεταγωγής, όπου γίνεται χρήση και μελέτη της συμπεριφοράς του Echelle στα 10Gbps. 1.2 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΈΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Όσο οι απαιτήσεις της τεχνολογίας συνεχώς αυξάνονται, υπάρχει ανάγκη αύξησης της αποδοτικότητας και της εκμετάλλευσης των χαρακτηριστικών των διαθέσιμων υλικών. Έτσι, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (integrated circuits) ήρθαν να αντικαταστήσουν τα αντίστοιχα διακριτά, ελαττώνοντας τις διαστάσεις στις τάξεις των nm, ώστε όλες οι διατάξεις που χρειάζονται να μπορούν να αποτυπωθούν πάνω σε ένα chip. Παράλληλα, αυξάνεται ο ρυθμός μετάδοσης και ελαττώνονται οι απαιτήσεις σε ισχύ, αφού παρακάμπτονται οι πολύπλοκες συνδέσεις μεταξύ των ξεχωριστών διατάξεων και τελικά μειώνεται το κόστος. Αυτό που αλλάζει σε κάθε chip είναι ο σχεδιασμός της μάσκας. Τα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα (PIC Photonic Integrated Circuits) είναι η απάντηση της φωτονικής στην ηλεκτρονική τεχνολογία. Αντίθετα με τα ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα, που κατασκευάζονται κυρίως με πυρίτιο (Si), η κατασκευή των PIC μπορεί να γίνει με υλικά και τεχνολογίες όπως SOI (Silicon-on-Insulator), SOS (Silica-on-Silicon), InP και άλλα. Ένα βασικό πλεονέκτημα των PIC είναι ότι αποφεύγεται η διαδικασία της μετατροπής των οπτικών σημάτων σε ηλεκτρικά και αντίστροφα από και προς το chip, γεγονός που χαμηλώνει το κόστος. Η τεχνολογία SOI είναι η πλέον διαδεδομένη στα PIC, καθώς προσφέρει μεγάλη αύξηση στον ρυθμό μετάδοσης, ενώ παράλληλα ελαχιστοποιεί τις απώλειες, συνεπώς αυξάνοντας την αποδοτικότητα. Το δεύτερο οφείλεται στην παρεμβολή ενός στρώματος διοξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ) ανάμεσα σε δυο στρώσεις Si, στην πρώτη από τις οποίες σχεδιάζεται το κύκλωμα. Το αποτέλεσμα είναι η αύξηση της αποδοτικότητας κατά 30% και η μείωση της ισχύος που απαιτείται κατά δυο με τρεις φορές. Περισσότερα σχετικά με αυτή την τεχνική θα παρουσιαστούν στο Κεφάλαιο 2. ΤΙΤΛΟΣ 21

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Τα PIC, με επικρατούσα την τεχνική SOI, ευνοούν ιδιαίτερα την on-chip κατασκευή WDM διατάξεων, όπως τα AWG και τα Echelle, αντικαθιστώντας τις πολύπλοκες και ογκώδεις διατάξεις φίλτρων που χρησιμοποιούνταν στα διακριτά κυκλώματα. 1.3 AWG ΚΑΙ ECHELLE GRATING Τα φράγματα συστοιχίας κυματοδηγών (AWG-Arrayed waveguide gratings) και τα φράγματα Echelle (Echelle grating) χρησιμοποιούνται πολύ στα συστήματα WDM, ως πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες και δρομολογητές οπτικών σημάτων. Έχουν κατασκευαστεί κατά καιρούς με διάφορες τεχνολογίες και υλικά κατασκευής, όπως SOI (Silicon-on-Insulator), InP, SOS (Silica-on-Silicon) και GOS (Germanium-on- Silicon), όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Η βασική διαφορά στη υλοποίησή τους είναι ότι στα AWG το φως διαδίδεται μέσω μιας συστοιχίας κυματοδηγών με διαφορετικό μήκος, ενώ στα Echelle ταξιδεύει ελεύθερα από και προς την επιφάνεια grating. Ένα AWG χρησιμοποιείται ως πολυπλέκτης ή ως αποπολυπλέκτης. Αποτελείται από δυο συζεύκτες αστέρα, έναν στην είσοδο και έναν στην έξοδο και από μια συστοιχία κυματοδηγών διαφορετικού μήκους. Όταν λειτουργεί ως αποπολυπλέκτης, το φως εισέρχεται στον συζεύκτη αστέρα, στο εσωτερικό του οποίου η οπτική δέσμη αρχίζει να διευρύνεται και προσπίπτει στη συστοιχία των κυματοδηγών που αποτελούν το φράγμα. Η διαφορά σε μήκος που έχουν δυο διαδοχικοί κυματοδηγοί είναι σταθερή. Τα μήκη κύματος που διαδίδονται μέσα στους κυματοδηγούς φτάνουν στον συζεύκτη αστέρα εξόδου με μια διαφορά φάσης ανάλογα με το μήκος κύματος. Ο συζεύκτης εξόδου εστιάζει την οπτική δέσμη στους κυματοδηγούς εξόδου, ανάλογα με τη διαφορά φάσης που έχουν μεταξύ τους. Αυτή η εστίαση είναι διαφορετική για κάθε συνιστώσα του WDM σήματος, οπότε και διαχωρίζονται σε διαφορετικούς κυματοδηγούς στην έξοδο. Εικόνα 1.3-1: Απεικόνιση AWG. Το φως εισέρχεται στον συζεύκτη (1), ταξιδεύει στους κυματοδηγούς διαφορετικού μήκους (3) και στην έξοδο οι κυματοδηγοί συμβάλλουν με τέτοιον τρόπο, ώστε το κάθε μήκος κύματος να καταλήγει σε διαφορετικό κυματοδηγό εξόδου. 22 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στα Echelle δεν έχουμε συστοιχία κυματοδηγών, αλλά η WDM δέσμη περιθλάται στην grating επιφάνεια και τα διαφορετικά μήκη κύματος εκτρέπονται σε διαφορετική γωνία, οπότε και εξέρχονται από διαφορετικούς κυματοδηγούς. Περισσότερες λεπτομέρειες για τη λειτουργία του Echelle grating θα παρουσιαστούν στο Κεφάλαιο 2. Εικόνα 1.3-2: Απεικόνιση Echelle grating Ένας λόγος που τα AWG είναι πιο ευρέως διαδεδομένα είναι η ευκολία κατασκευής σε σχέση με τα Echelle, καθώς η καλή λειτουργία ενός AWG εξαρτάται κυρίως από τις ιδιότητες των εσωτερικών κυματοδηγών, ενώ στα Echelle από την επιφάνεια στην οποία γίνεται η περίθλαση και τη γεωμετρία της, που πρέπει να είναι ακριβείας. Σε ένα AWG μπορεί να προκύψουν σφάλματα στη διαφορά φάσης λόγω κατασκευαστικών ατελειών, όπως μια μικρή απόκλιση στην γεωμετρία των κυματοδηγών. Ένα τέτοιο σφάλμα στη φάση μπορεί να οδηγήσει στην κυματοδήγηση μήκους κύματος σε λάθος κυματοδηγό, προκαλώντας διακαναλική παρεμβολή (crosstalk). Σε ένα Echelle το crosstalk οφείλεται σε κατασκευαστικές ατέλειες της grating επιφάνειας, όπως μικρές διαφορές πάχους σε διαφορετικά σημεία του grating, ή ατέλειες στην ανακλαστική επιφάνεια. Τα Echelle έχουν μεγαλύτερο βαθμό ολοκλήρωσης, καθώς χρησιμοποιούν τον ίδιο χώρο στο chip για τα μήκη κύματος εισόδου και εξόδου. Αντίθετα, τα AWG χρησιμοποιούν μεγαλύτερο χώρο, λόγω της συστοιχίας κυματοδηγών και των δυο διαφορετικών περιοχών εισόδου και εξόδου. Τόσο στα AWG όσο και στα Echelle, το μήκος μονοπατιού που διανύουν τα μήκη κύματος καθορίζει την ελεύθερη φασματική περιοχή (FSR). Στις διατάξεις πυριτίου, η grating επιφάνεια του Echelle προσδίδει λιγότερη διασπορά και συνεπώς μικρότερο ομαδικό δείκτη διάθλασης σε σχέση με τους κυματοδηγούς που χρησιμοποιούνται στα AWG. Αυτό σημαίνει ότι το μήκος μονοπατιού στα Echelle πρέπει να είναι μεγαλύτερο στα απ ότι στα AWG για το ίδιο FSR. Συνεπώς, για να έχουν τα Echelle ΤΙΤΛΟΣ 23

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ το ίδιο αποτέλεσμα με ένα αντίστοιχο AWG, μεγαλώνουν σε μέγεθος πάνω στο chip (footprint), με αύξηση των ραβδώσεων. Τα Echelle είναι τελικά καλύτερη επιλογή για CWDM εφαρμογές, ενώ τα AWG για DWDM εφαρμογές. 1.4 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στην WDM πολυπλεξία και στα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα στα οποία υλοποιείται. Επίσης, γίνεται μια εισαγωγή στις WDM διατάξεις AWG και Echelle grating. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η θεωρητική θεμελίωση που είναι αναγκαία για την κατανόηση της λειτουργίας του Echelle grating. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι τεχνικές ολοκλήρωσης καθώς επίσης η εξέλιξή τους και τέλος περιγράφεται ο τρόπος κατασκευής του ολοκληρωμένου κυκλώματος που χρησιμοποιήθηκε, με την τεχνική SOI. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ο πειραματικός χαρακτηρισμός του Echelle grating και παρουσιάζονται οι μετρήσεις που έγιναν. Επίσης, περιγράφεται η πειραματική διάταξη και η λειτουργία της, με τις συναρτήσεις μεταφοράς, μετρήσεις στο φάσμα και τα διαγράμματα ματιού. Τέλος, παρουσιάζονται οι καμπύλες BER και οι σχετικές μετρήσεις. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται κάποιες εφαρμογές του Echelle grating, όπως η λειτουργία ενός 2x2 παθητικού μεταγωγέα, ενός receiver, ενός φασματόμετρου, ενός αισθητήρα και εφαρμογές στην αστρονομία. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια σύνοψη και αναφέρονται κάποια συμπεράσματα σχετικά με την τεχνολογία που περιγράφηκε στα πλαίσια της διπλωματικής. Το πειραματικό μέρος της διπλωματικής έλαβε χώρα στο εργαστήριο της ερευνητικής ομάδας Φωτονικών Συστημάτων και Δικτύων (Photonic Systems and Networks PHOSNET) του Τμ. Πληροφορικής Α.Π.Θ. 24 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 2 : Α Ρ Χ Η Λ Ε Ι Τ Ο Υ Ρ Γ Ι Α Σ ΚΑΙ Κ ΑΤΑ Σ Κ Ε Υ Η Τ Ο Υ E C H E L L E G R AT I N G ΤΙΤΛΟΣ 25

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγραφεί η αρχή λειτουργίας του Echelle grating και στη συνέχεια θα γίνει μια σύντομη περιγραφή της διαθέσιμης τεχνολογίας για ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα (PIC Photonic Integrated Circuits). Αναφέρονται οι δυο τεχνολογίες υλοποίησης, μονολιθική και υβριδική, ώστε να γίνει κατανοητός ο τρόπος κατασκευής των φωτονικών κυκλωμάτων γενικότερα και πιο συγκεκριμένα του Echelle grating. 2.1 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING 2.1.1 Εξίσωση Φράγματος Όταν μονοχρωματική ακτίνα προσπίπτει πάνω σε μια επιφάνεια φράγματος (grating), περιθλάται σε διακριτές κατευθύνσεις. Το φως που περιθλάται από κάθε ράβδωση συνδυάζεται με τα υπόλοιπα και έτσι δημιουργούνται μέτωπα περιθλασμένου κύματος. Η χρησιμότητα του grating έγκειται στο γεγονός ότι υπάρχουν συγκεκριμένες γωνίες, για τις οποίες, για μια συγκεκριμένη απόσταση (spacing) d μεταξύ των ραβδώσεων, το περιθλασμένο φως από κάθε όψη (facet) είναι σε φάση με φως από κάθε άλλο facet, γεγονός που οδηγεί σε εποικοδομητική συμβολή (constructive interference). Η περίθλαση σε ένα grating φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, όπου μια προσπίπτουσα ακτίνα με μήκος κύματος λ και γωνία πρόσπτωσης α περιθλάται από το grating σε γωνίες β m. Οι γωνίες αυτές μετρώνται από το grating normal, που είναι η ευθεία που διέρχεται από το κέντρο της ράβδωσης και είναι κάθετη στο επίπεδο. Οι γωνίες στο αριστερό ημιεπίπεδο θεωρούνται θετικές, ενώ οι γωνίες στο δεξί ημιεπίπεδο θεωρούνται αρνητικές. 26 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Εικόνα 2.1-1: Περίθλαση στο grating Το μήκος μονοπατιού κάθε ακτίνας είναι η απόσταση που διανύει από την πρόσπτωση και την αλλαγή κατεύθυνσης λόγω της προσπίπτουσας επιφάνειας. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η γεωμετρική διαφορά μονοπατιού (geometrical path difference) μεταξύ δυο παράλληλων ακτίνων, 1 και 2, που προσπίπτουν σε γειτονικές αυλακώσεις. Ορίσαμε ως d την απόσταση μεταξύ δυο διαδοχικών ραβδώσεων. Οι δυο ακτίνες είναι σε φάση στο επίπεδο Α. Η γεωμετρική διαφορά μονοπατιού ανάμεσα σε αυτές τις δυο ακτίνες ισούται με (αφού το β<0, ο όρος είναι αρνητικός). Για να έχουμε εποικοδομητική παρεμβολή (constructive interference), πρέπει αυτή η διαφορά να ισούται με το μήκος κύματος λ του φωτός ή πολλαπλάσιό του., ώστε το φως από τις γειτονικές κορυφές να είναι σε φάση. Για άλλες γωνίες θα έχουμε καταστρεπτική παρεμβολή (destructive interference). Εικόνα 2.1-2: Γεωμετρία της περίθλασης ΤΙΤΛΟΣ 27

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Αυτές οι σχέσεις εκφράζονται από την εξίσωση φράγματος (grating equation):, (2.1) όπου m είναι η τάξη περίθλασης (diffraction order). Όπου μπορούμε να βρούμε τις γωνίες για τη μέγιστη ισχύ όταν ένα μήκος κύματος λ περιθλάται από ένα grating με απόσταση ραβδώσεων d. Για τιμές του m όπου ισχύει mλ/d < 2 έχουμε τάξεις διάθλασης όπου το φως διαδίδεται, αφού sinα + sinβ 2. Στην ειδική περίπτωση όπου m = 0, έχουμε ανάκλαση, όπου β = -α και το grating λειτουργεί σαν καθρέπτης. Για ένα grating με απόσταση ραβδώσεων d, υπάρχει μια μαθηματική σχέση που συνδέει το μήκος κύματος και τις γωνίες πρόσπτωσης και περίθλασης. Για μια τάξη περίθλασης m, τα διαφορετικά μήκη κύματος μιας ακτίνας πολυχρωματικού φωτός που προσπίπτουν με μια γωνία α, διαχωρίζονται σε μια γωνία:. (2.2) Στην περίπτωση m=0, όπου το grating λειτουργεί σαν καθρέπτης, δεν έχουμε διαχωρισμό ( για όλα τα λ). Μια άλλη ειδική περίπτωση είναι εκείνη όπου το προσπίπτον φως περιθλάται πίσω στην κατεύθυνση που ήρθε (α = β), η οποία ονομάζεται ρύθμιση Littrow και η εξίσωση grating γίνεται: (2.3) Εικόνα 2.1-3: Ρύθμιση Littrow 28 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Το m είπαμε ότι είναι η τάξη περίθλασης. Έτσι, όταν, η διαφορά μονοπατιού ισούται με ένα μήκος κύματος, ενώ όταν, η διαφορά μονοπατιού ισούται με 2 μήκη κύματος. Το m μπορεί να είναι αρνητικό ή θετικό, που θα πει ότι έχουμε τάξεις εκατέρωθεν της τάξης 0, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 2.1-4: Τάξεις της περίθλασης 2.1.2 Επικάλυψη φασμάτων στην περίθλαση Μια πολύ σημαντική ιδιότητα του grating σε σχέση με τις τάξεις περίθλασης είναι η επικάλυψη διαφορετικών μηκών κύματος. Από την grating εξίσωση φαίνεται ότι φως μήκος κύματος λ περιθλάται από το grating με μια γωνία β στην τάξη 1, που είναι η ίδια γωνία που θα περιθλαστεί φως με μήκος κύματος λ,, κλπ στην τάξη m=2, 3 κλπ. Στο παράδειγμα της εικόνας [2.1.2-1], το κόκκινο φως στ 600nm στην πρώτη τάξη επικαλύπτεται με το υπεριώδες φως στα 300nm στη δεύτερη τάξη. Έτσι γίνεται η WDM πολυπλεξία, όπου τα πολυπλεγμένα μήκη κύματος εξέρχονται μαζί από τον ίδιο κυματοδηγό. ΤΙΤΛΟΣ 29

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Εικόνα 2.1-5: Επικάλυψη των τάξεων περίθλασης 2.1.3 Γωνιακή διασπορά Ο βασικός σκοπός ενός grating περίθλασης είναι να διασπείρει φως στον χώρο, ανάλογα με το μήκος κύματος. Μια ακτίνα λευκού φωτός θα διαχωριστεί στα μήκη κύματος από τα οποία αποτελείται κατά την περίθλαση από το grating, με κάθε μήκος κύματος να περιθλάται σε διαφορετική γωνία. Η γωνιακή διασπορά εδώ είναι ένα μέτρο για να προσδιοριστεί αυτή η διαφορά στη γωνία, ανάλογα με την τάξη περίθλασης. Η γωνιακή έκταση (spread) Δβ σε μια τάξη περίθλασης m, μεταξύ μήκους κύματος λ και προκύπτει διαφορίζοντας την εξίσωση grating, έχοντας μια κοινή γωνία πρόσπτωσης α. Έτσι, η διαφορά D σε γωνία περίθλασης για κάθε μονάδα μήκους κύματος είναι:, (2.4) όπου το β δίνεται από τη σχέση (2.2). Η ποσότητα λέγεται γωνιακή διασπορά. Όσο αυξάνεται ο παράγοντας, τόσο αυξάνεται η γωνιακή διασπορά, που σημαίνει ότι αυξάνεται η γωνία μεταξύ μηκών κύματος μιας τάξης m. Αν κάνουμε αντικατάσταση σύμφωνα με την εξίσωση grating: (2.5) 30 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Για ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, η γωνιακή διασπορά μπορεί να θεωρηθεί ότι εξαρτάται μόνο από τις γωνίες πρόσπτωσης και περίθλασης. Για την περίπτωση όπου έχουμε ρύθμιση Littrow, η σχέση (2.4) γίνεται: (2.6) Όταν καθοριστεί η γωνία περίθλασης β, πρέπει να γίνει η επιλογή για το αν θα χρησιμοποιηθεί ένα grating με μικρό d (fine-pitch grating) σε χαμηλή τάξη περίθλασης, ή ένα grating με μεγάλο d, όπως ένα Echelle grating, σε υψηλότερη τάξη. 2.1.4 Ελεύθερη Φασματική Περιοχή (FSR) Για ένα δεδομένο ζεύγος προσπίπτουσας γωνίας και γωνίας περίθλασης, η εξίσωση grating ικανοποιείται για διαφορετικό μήκος κύματος για κάθε τάξη περίθλασης. Έτσι, όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 2.1.2, κάποια μήκη κύματος, σε διαφορετική τάξη το καθένα, θα περιθλαστούν στην ίδια κατεύθυνση. Φως μήκους κύματος και τάξης m θα περιθλαστεί στην ίδια κατεύθυνση με φως μήκους κύματος τάξης κλπ. Η ελεύθερη φασματική περιοχή (FSR) είναι η διαφορά στα μήκη κύματος της τάξης με την τάξη, που υποδηλώνει τα μήκη κύματος που κόβονται από το φίλτρο και δεν βγαίνουν στην έξοδο του κυματοδηγού. Στην τάξη, το μήκος κύματος που περιθλάται στην κατεύθυνση του που βρίσκεται στην τάξη, είναι, όπου (2.7) Από εδώ προκύπτει το FSR, που είναι (2.8) Το FSR είναι ένα χαρακτηριστικό που αφορά όλα τα gratings που λειτουργούν σε παραπάνω από μια τάξη περίθλασης, αλλά είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα Echelle, επειδή λειτουργούν σε υψηλές τάξεις με μικρά FSR. Έτσι λοιπόν το FSR είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τις τάξεις περίθλασης και είναι ένας παράγοντας που δηλώνει το πόσο στενό ή φαρδύ είναι το φίλτρο του grating. ΤΙΤΛΟΣ 31

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ FSR Εικόνα 2.1-6: Σχηματική απεικόνιση του FSR σε ένα Echelle 2.1.5 Αποδοτικότητα (grating efficiency) Η ισχύς που θα έχει στις διάφορες τάξεις ένα μήκος κύματος λ στην έξοδο μετά την περίθλαση στο grating, εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, όπως η ισχύς εισόδου και η πόλωση τις προσπίπτουσας ακτίνας, οι γωνίες πρόσπτωσης και περίθλασης, ο δείκτης διάθλασης του υλικού της επιφάνειας του grating και η απόσταση d μεταξύ δυο διαδοχικών ραβδώσεων. Το Echelle ανήκει στην κατηγορία blaze grating, έχει δηλαδή οδοντωτές ραβδώσεις και κάθε «σκαλοπάτι» βρίσκεται σε γωνία πάνω στο επίπεδο. Η γωνία αυτή ισούται με τη γωνία που δημιουργείται μεταξύ της καθέτου στο επίπεδο και της καθέτου στο μέσον της επιφάνειας της ράβδωσης. Ονομάζεται γωνία blaze (blaze angle). Το grating μπορεί να ρυθμιστεί έτσι ώστε να περιθλά το μεγαλύτερο ποσοστό ισχύος σε μια κατεύθυνση, με μια κατάλληλη ρύθμιση των ραβδώσεων, ώστε ένα μήκος κύματος μιας συγκεκριμένης τάξης να περιθλάται με την ίδια σχεδόν γωνία με τη γωνία πρόσπτωσης. Ο πιο διαδεδομένος και απλός τρόπος για τον χαρακτηρισμό της αποδοτικότητας ενός grating είναι η ρύθμιση blazing (blazing condition):. (2.9) Όταν ισχύει αυτή η ρύθμιση, η επιφάνεια του grating λειτουργεί σχεδόν όπως ένας καθρέπτης και ισχύει ότι: (2.10) 32 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Ουσιαστικά, η ρύθμιση blaze πραγματοποιείται όταν η κάθετος στην επιφάνεια της ράβδωσης χωρίζει στα δυο τη γωνία μεταξύ της προσπίπτουσας και της περιθλασμένης ακτίνας, όπως φαίνεται στο σχήμα [2.6]. Εικόνα 2.1-7: Η γωνία blaze Σε περίπτωση που ισχύει ότι (2.11) όπου 2Κ η γωνία μεταξύ της προσπίπτουσας και της περιθλασμένης ακτίνας, έχουμε τη βέλτιστη απόδοση και συνδυασμό της ρύθμισης blaze με τη ρύθμιση Littrow. Όσο το 2Κ αυξάνεται, τόσο χάνουμε σε απόδοση. Για μια γωνία blaze, η ρύθμιση Littrow blaze μας δίνει το μήκος κύματος blaze, για το οποίο έχουμε τη βέλτιστη απόδοση: (2.12) Τα Echelle έχουν μεγάλη γωνία blaze, μεγάλο d και χρησιμοποιούνται σε μεγαλύτερες τάξεις. Λόγω της διπλοθλαστικότητας του πυριτίου, εξαρτώνται αρκετά από την πόλωση, γεγονός που επηρεάζει περισσότερο σε DWDM εφαρμογές απ ότι σε CWDM εφαρμογές. Επίσης, με την αύξηση της θερμοκρασίας μετακινείται η συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου του Echelle, εισάγοντας θόρυβο, γεγονός που δεν επηρεάζει τόσο σε CWDM εφαρμογές όσο σε DWDM. ΤΙΤΛΟΣ 33

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ 2.2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΦΩΤΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ένα ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα (PIC) είναι πολύ κοντά εννοιολογικά σε ένα ηλεκτρονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα, με τη διαφορά ότι αντί για ηλεκτρόνια έχουμε φωτόνια. Κατά συνέπεια, ενώ στο δεύτερο έχουμε τρανζίστορ, πυκνωτές και αντιστάσεις, σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα περιέχονται lasers, διαμορφωτές, εξασθενητές, πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες και οπτικοί ενισχυτές. Στα φωτονικά κυκλώματα έχουμε δυο τύπους ολοκλήρωσης, την μονολιθική και την υβριδική. Μονολιθική ολοκλήρωση ονομάζεται η τεχνική κατά την οποία όλα τα στοιχεία του κυκλώματος, τόσο τα ενεργά και όσο και τα παθητικά, κατασκευάζονται στο ίδιο chip πυριτίου, αποτελώντας μία ενιαία μονάδα. Υβριδική ολοκλήρωση ονομάζεται η τεχνική κατά την οποία οι ενεργές διατάξεις κατασκευάζονται μονολιθικά σε ξεχωριστά chip, ενώ οι παθητικές διατάξεις (κυματοδηγοί, συζεύκτες, παθητικά φίλτρα κλπ) στο κυρίως chip. Στη συνέχεια, γίνεται επικόλληση των ενεργών διατάξεων πάνω στο κυρίως chip, σε προκαθορισμένες σχεδιαστικά θέσεις και με πολύ συγκεκριμένες διαδικασίες. Αρχικά επικρατούσα ήταν η μονολιθική ολοκλήρωση, επειδή η επικόλληση των εξωτερικών διατάξεων πάνω στο κυρίως chip ήταν ιδιαίτερα πολύπλοκη. Η πολυπλοκότητα αυτή έγκειται κυρίως στο γεγονός ότι η υβριδική ολοκλήρωση απαιτεί τοποθετήσεις και ευθυγραμμίσεις τεράστιας ακρίβειας της τάξης των μm, εισάγοντας μεγάλες απώλειες με την παραμικρή γεωμετρική απόκλιση. Σημαντικός παράγοντας είναι και η διαφορετικότητα τον υλικών που χρησιμοποιούνται, καθώς δυο διαφορετικά υλικά μπορεί να έχουν διαφορετικά οπτικά, μηχανικά ή θερμικά χαρακτηριστικά και συνεπώς να χρειάζονται διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας για τον έλεγχο της θερμικής διαστολής, γεγονός που αυξάνει το κόστος. Ωστόσο, η δυσκολία που προκύπτει στη μονολιθική ολοκλήρωση είναι ότι τα ενεργά στοιχεία κατασκευάζονται από σύνθετους ημιαγωγούς που συνενώνονται δύσκολα χημικά με τους κυματοδηγούς πάνω στο chip. Η εταιρία Infinera ήταν πρωτοπόρος στη μονολιθική ολοκλήρωση και κατασκεύασε το πρώτο μονολιθικά ολοκληρωμένο chip και πιο συγκεκριμένα ένα ζεύγος chip InP, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους, σε λειτουργία πομπού-δέκτη σε DWDM σύστημα στα 100 Gbps. Λειτουργεί με 10 μήκη κήματος, το κάθε κανάλι στα 10 Gbps. Μετά από μερικά χρόνια, η ίδια εταιρία αύξησε την ταχύτητα στα 400 Gbps και αργότερα στα 1.6 Tbps. Όμως, με την εξέλιξη μεθόδων τοποθέτησης υψηλής ακρίβειας, και την βελτιστοποίηση των τεχνικών τόσο κατασκευής των ενεργών στοιχείων, αλλά και των παθητικών board που θα τα φιλοξενήσουν, μειώνοντας σημαντικά τις απώλειες, το ενδιαφέρον για αυτή την μέθοδο ολοκλήρωσης αναζωπυρώθηκε τα τελευταία χρόνια. 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 34 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING 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 μονολιθικών PIC ήταν διαδεδομένη, καθώς προσφέρει αποτελεσματική ολοκλήρωση ενεργών και παθητικών διατάξεων στα παράθυρα των 1310nm και 1550nm. Με την εισαγωγή του πυριτίου στα PIC, και την ευκολία συνδυασμού με ημιαγώγιμα στοιχεία τύπου III-V, διαδεδομένα στην κατασκευή laser και φωτοανιχνευτών, η ολοκλήρωση γίνεται ευκολότερη και οικονομικότερη. Έτσι, η αποτελεσματικότητα αυξάνεται. Επίσης, με την κατασκευή των κυκλωμάτων επάνω σε wafer πυριτίου, υπάρχει μικρότερη θερμική απαγωγή, μιας και το πυρίτιο μπορεί να απομακρύνει μεγαλύτερα ποσά θερμότητας. Το επιθυμητό είναι να γίνει αποτελεσματική εκμετάλλευση των στοιχείων και ενώσεων αυτών, ώστε να έχουμε την βέλτιστη δυνατή κατασκευή και συνδυασμό κυματοδήγησης και οπτικών διατάξεων. Ερευνητικές και πειραματικές προσεγγίσεις, όπως αυτής του προγράμματος BOOM, ανέδειξαν τις δυνατότητες του πυριτίου στην κατασκευή PIC, 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 UDWDM πομποδεκτών, έως και 160Gbps, πληροφορίας σε μορφή πακέτων. Στην συνέχεια παρουσιάζεται ο τρόπος κατασκευής του chip και των παθητικών του διατάξεων. 2.3 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ CHIP Η τεχνολογία κατασκευής του chip είναι τύπου SOI (Silicon-On-Insulator). Για την δημιουργία του SOI chip χρησιμοποιήθηκε η τεχνική UNIBOND της SOITEC. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική, αρχικά έχουμε μια φέτα (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 SiO 2 (σε μερικές ώρες μπορούν έτσι να δημιουργηθούν στρώματα SiO 2 μερικών μm), το οποίο είναι ο μονωτής. Έπειτα εμφυτεύεται υδρογόνο στο wafer σε συγκεκριμένο βάθος. Αφού το wafer αναστραφεί (flipping), επικολλάται σε ένα δεύτερο wafer πυριτίου και διασπάται εύκολα στον οριζόντιο άξονα, κατά τον οποίο έγινε η εμφύτευση υδρογόνου. Η επιφάνεια του πυριτίου λειαίνεται για να σχεδιαστούν στην συνέχεια τα παθητικά στοιχεία και έχει πάχος 4 μm μετά τη λείανση. Εδώ είναι που θα σχεδιαστούν οι κυματοδηγοί και η επιφάνεια grating. Το δεύτερο wafer που αφαιρέθηκε κατά τη διαδικασία, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη δημιουργία επόμενου chip. ΤΙΤΛΟΣ 35

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Στο σχήμα [2.3-1] απεικονίζεται η διαδικασία της τεχνικής UNIBOND. Εικόνα 2.3-1: Η τεχνική UNIBOND σε SOI Το chip του Echelle αποτελείται μόνο από παθητικές διατάξεις, τους κυματοδηγούς και το grating. 2.4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ GRATING ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Οι κυματοδηγοί, όπως και το grating, δημιουργούνται πάνω στο wafer πυριτίου, με μία διαδικασία χάραξης (etching). Αποτελούνται δηλαδή από πυρίτιο. Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) χρησιμοποιείται λόγω του μικρού δείκτη διάθλασης που έχει (1.3) σε σχέση με το πυρίτιο (3.45), ώστε να περιορίζεται η κυματοδηγούμενη ισχύς στο κέντρο του κυματοδηγού και να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες. 36 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Εικόνα 2.4-1: Rib κυματοδηγός σε SOI chip Πριν τη διαδικασία της χάραξης γίνεται το σχέδιο της μάσκας, δηλαδή το σχέδιο του επιθυμητού κυκλώματος. Στη συνέχεια η μάσκα τοποθετείται πάνω στο wafer πυριτίου και γίνεται η χάραξη του κυκλώματος πάνω σε ένα υλικό που τοποθετείται πάνω από το πυρίτιο, 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. Έπειτα, το chip εκτίθεται σε δέσμη ιόντων, τα οποία καταστρέφουν σταδιακά τα στρώματα του wafer ανάλογα με την ισχύ και την χρονική διάρκεια έκθεσης. Στο τέλος το photoresist layer απομακρύνεται και το αποτέλεσμα είναι το επιθυμητό οπτικό κύκλωμα. Εικόνα 2.4-2: Επτά διαφορετικοί σχεδιασμοί μάσκας του Echelle, από το ολοκληρωμένο σύστημα που κατασκευάστηκε στο ινστιτούτο VTT Το βάθος της χάραξης εξαρτάται από τη διάταξη που θέλουμε να σχηματίσουμε. Για την κατασκευή των rib κυματοδηγών γίνεται χάραξη μόνο στο στρώμα πυριτίου. Αν θέλαμε να προσθέσουμε ενεργές διατάξεις σε παθητικό chip, θα χρειαζόταν βαθύτερη χάραξη μέχρι και το στρώμα διοξειδίου, λαμβάνοντας υπόψη και το υλικό συγκόλλησης που θα έπρεπε να τοποθετηθεί ώστε να επικολληθούν και να ευθυγραμμιστούν με ακρίβεια. Ο κυματοδηγός μπορεί να αφεθεί από την επάνω πλευρά εκτεθειμένος στον αέρα, είτε να επικαλυφθεί περαιτέρω με ένα στρώμα SiO 2, ώστε η ολική ανάκλαση να μην εξαρτάται από την θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα. Η εναπόθεση του οξειδίου γίνεται με την τεχνική υδρόλυσης με φλόγα (Flame Hydrolysis Deposition), κατά την οποία χλωριούχο πυρίτιο (SiCl4) εναποτίθεται με καύση οξυυδρικής φλόγας (H 2-0 2 ) σε υψηλή θερμοκρασία, και στην συνέχεια λόγω μικροανωμαλειών, λειαίνεται θερμικά (annealing proccess), δίνοντας υψηλής καθαρότητας στρώματα SiO 2. ΤΙΤΛΟΣ 37

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ 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 ενώνονται βέλτιστα με τις εξωτερικές ίνες, που είναι μεγαλύτερες σε μέγεθος. Η grating επιφάνεια έχει καλυφθεί με αλουμίνιο, για τη διευκόλυνση της ανάκλασης από και προς τους κυματοδηγούς. Εικόνα 2.4-3: Το chip του Echelle 38 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 3 : Π Ε Ι ΡΑ Μ ΑΤ Ι ΚΟ Σ Χ Α ΡΑ Κ Τ Η Ρ Ι Σ Μ Ο Σ Τ Ο Υ E C H E L L E G R AT I N G ΤΙΤΛΟΣ 39

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING 3.1 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ECHELLE Το πρώτο στάδιο πειραματικής μελέτης του Echelle περιλαμβάνει τον χαρακτηρισμό του αναφορικά με βασικά μεγέθη, όπως τις απώλειες και τη συνάρτηση μεταφοράς για τους διαφορετικούς συνδυασμούς εισόδων/εξόδων. Σε αυτό το αρχικό στάδιο είχαμε ως εισόδους τις θύρες 1, 2 και 3 του Echelle και ως εξόδους τις θύρες 4, 5 και 6. Για κάθε θύρα εισόδου μετρήθηκαν οι απώλειες στην έξοδο με μια πηγή λευκού θορύβου (ASE) και βρέθηκε το μήκος κύματος με τις λιγότερες απώλειες (Peak Wavelength). Τα αποτελέσματα φαίνονται στον επόμενο πίνακα, όπως και στις συναρτήσεις μεταφοράς παρακάτω. Επίσης, μετρήθηκαν οι απώλειες για τα τέσσερα CW σήματα που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, χωρίς να περάσουν από διαμορφωτή (MOD). Εικόνα 3.1-1: Αρχικές μετρήσεις του Echelle Αρχικά οι συζεύκτες στις άκρες των ινών που συνδέονται με το chip του Echelle ήταν PC και έγινε αλλαγή με APC (angled) συζεύκτες, για να ελαττωθούν οι απώλειες λόγω ανάκλασης (back-reflection), με τη γωνία που αυτοί εισάγουν. Με αυτόν τον τρόπο μειώθηκαν οι απώλειες γύρω στα 5dB. Το λ 4 στα 1558.88nm έχει μεγαλύτερες απώλειες λόγω του φίλτρου του Echelle. Στη συγκεκριμένη θύρα η ισχύς κορυφής είναι στα 1562.5nm, οπότε ελαττώνεται η ισχύς του λόγω της απόκλισης αυτής. 40 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Επίσης, βλέπουμε ότι το εύρος ημίσειας ισχύος (3dB bandwidth) κινείται στα 4.1-4.8nm, οπότε το φίλτρο είναι αρκετά φαρδύ και για τον λόγο αυτό τα Echelle χρησιμοποιούνται σε CWDM εφαρμογές. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε τη συνάρτηση μεταφοράς του Echelle για όλους τους δυνατούς συνδυασμούς εισόδου-εξόδου. Βλέπουμε δηλαδή τη συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου, γιατί όπως έχουμε αναφέρει, το Echelle λειτουργεί σαν φίλτρο. Εικόνα 3.1-2: Συνάρτηση μεταφοράς του Echelle Στα επόμενα σχήματα φαίνεται η συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου για κάθε θύρα εξόδου του Echelle ανάλογα με την είσοδο. Βλέπουμε δηλαδή ποια μήκη κύματος κόβονται από τις εξόδους και ποια μήκη κύματος επιτρέπει κάθε έξοδος να περάσουν. ΤΙΤΛΟΣ 41

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Εικόνα 3.1-3: Συναρτήσεις μεταφοράς των θυρών του Echelle, (α) Θύρα 1, (β) Θύρα 2, (γ) Θύρα 3 Σύμφωνα με τις συναρτήσεις μεταφοράς, γνωρίζουμε από ποιες θύρες εξόδου θα περάσουν τα μήκη κύματος λ 1 =1534.76nm, λ 2 =1546.28nm, λ 3 =1551.9nm και λ 4 =1558.88nm που επιλέξαμε. Τα λ 1 και λ 2 θα περάσουν από τη θύρα εξόδου 6 του Echelle, ενώ τα λ 3 και λ 4 από τη θύρα εξόδου 5. Επίσης, η ελεύθερη περιοχή μεταξύ των καναλιών διαφέρει. Στη θύρα 2, εικόνα [3.1-3 (β)], είναι στα 18nm και 14.2nm. Η ελεύθερη φασματική περιοχή (FSR) είναι κοντά στα 95nm, όπως φαίνεται στην εικόνα [3.1-3 (α)]. 42 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING 3.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Εικόνα 3.2-1: Πειραματική διάταξη για τη μελέτη του Echelle Με βάση την εικόνα [3.2-1] βλέπουμε ότι το πείραμα μας έχει σαν είσοδο 4 διαφορετικά μήκη κύματος, λ 1, λ 2, λ 3 και λ 4, που προέρχονται από τα laser κατανεμημένης ανάδρασης DFB (Distributed FeedBack), το καθένα σε διαφορετικό μήκος κύματος. Στη συνέχεια, το κάθε σήμα περνάει από έναν PC (polarization controller), ώστε να τους δοθεί η καλύτερη δυνατή πόλωση και συνεπώς οι απώλειες σε ισχύ να είναι όσο το δυνατόν λιγότερες. Τα σήματα περνούν σε ζεύγη ανά δυο από ένα AWG, όπου γίνεται η πολύπλεξη. Τα λ 1 και λ 2 περνούν από το AWG-2, ενώ τα λ 3 και λ 4 από το AWG-1, αντίστοιχα. Το κάθε ένα από τα δυο πλέον πολυπλεγμένα σήματα περνάει πάλι από έναν PC, για ρύθμιση της πόλωσης και στη συνέχεια από έναν διαμορφωτή (MOD-modulator). Στους δυο αυτούς διαμορφωτές, MOD-1 και MOD-2 αντίστοιχα, εγγράφονται στα σήματα τα δεδομένα, που είναι μια ψευδοτυχαία δυαδική ακολουθία PRBS (Pseudo random bit sequence). Οι PRBS που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα 2 7-1 =127 bit, που σημαίνει ότι έχουμε 32 μεταβάσεις από «1» σε «0» και το αντίστροφο. Αν το σήμα έχει διαμορφωθεί από τους MODs κατά bit, θα έχει 64 «0» και 63 «1», ενώ στην περίπτωση διαμόρφωσής του συμπληρωματικού, bit, έχει 63 «0» και 64 «1». Στη συνέχεια, στον κάθε κλάδο (branch) παρεμβάλλεται ένας ενισχυτής ίνας ερβίου (EDFA), όπου και ενισχύονται τα 2 πολυπλεγμένα σήματα. Μετά από μια ακόμα ρύθμιση της πόλωσης, τα δυο σήματα εισέρχονται στο Echelle, τα λ 1 και λ 2 στην είσοδο 6 και τα λ 3 και λ 4 στην είσοδο 5. Μέσα στο Echelle γίνεται η διαδικασία του routing και τα 4 αρχικά σήματα εξέρχονται πλέον από διαφορετικές εξόδους του Echelle, ανάλογα με το μήκος κύματός τους και σύμφωνα με τη συνάρτηση μεταφοράς των θυρών του Echelle. Έτσι, τα λ 1 και λ 3 εξέρχονται πολυπλεγμένα από τη θύρα 2, ενώ τα λ 2 και λ 4 από τη θύρα 1. Μετά την έξοδο από το Echelle, τα δυο διαφορετικά πλέον ζευγάρια σημάτων ενισχύονται, περνώντας από έναν ενισχυτή EDFA και τελικά αποπολυπλέκονται σε 2 AWG, ένα για κάθε πολυπλεγμένο σήμα. Στην έξοδο των δυο AWG παίρνουμε τα αρχικά σήματα, που είναι τα λ 1 και λ 3 στις θύρες εξόδου του AWG-4 και τα λ 2 και λ 4 στις θύρες εξόδου του AWG-3. ΤΙΤΛΟΣ 43

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Τα μήκη κύματος είναι τέτοια ώστε να περνούν τόσο από το φίλτρο του Echelle, όσο και από το φίλτρο του AWG. Στον παρακάτω πίνακα σημειώνεται η ισχύς σε κάθε σημείο της διάταξης όπου έγιναν μετρήσεις. Στα σημεία C και E τα σήματα είναι ενισχυμένα, αφού έχουν περάσει από τους ενισχυτές EDFA, ενώ στο σημείο D βλέπουμε τις απώλειες που έχει εισάγει το Echelle, οι οποίες είναι μεγάλες σε σχέση με την ενίσχυση. Εικόνα 3.2-2 Οι μετρήσεις της ισχύος σε τέσσερα διαφορετικά σημεία της διάταξης Τα 2 ζευγάρια των CW σημάτων μετρήθηκαν με τον φασματογράφο μετά την έξοδό τους από τους διαμορφωτές (MODs). Στα παρακάτω σχήματα βλέπουμε τα φάσματα εξόδου από τον φασματογράφο μετά τον MOD-1 και τον MOD-2. Στην έξοδο του MOD-1 φαίνονται τα σήματά μας, που είναι τα δυο με τη μεγαλύτερη ισχύ, στα 1551.9 nm και 1558.88 nm. Αντίστοιχα, στην έξοδο του MOD-2 οι δυο κορυφές είναι στα 1534.76 nm και 1546.28 nm. 44 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Εικόνα 3.2-3: Τα φάσματα στις εξόδους των διαμορφωτών, (α) MOD-1 και (β) MOD-2 Με τον φασματογράφο μετρήθηκαν επίσης και οι έξοδοι του Echelle. Στη θύρα 1 τα σήματα που εξακολουθούν να έχουν τη μεγαλύτερη ισχύ είναι τα λ 2 και λ 4, στα 1546.28 nm και 1558.88 nm αντίστοιχα, αν και παίρνουμε και κάποιον θόρυβο μαζί με τα αρχικά σήματα. Στη θύρα 2 οι δυο κορυφές είναι στα 1534.76 nm και 1551.9 nm, που είναι τα σήματα λ 1 και λ 3. Εικόνα 3.2-4: Τα φάσματα στις εξόδους του Echelle, (α) Έξοδος 1, (β) Έξοδος 2 Τα σήματα μετρήθηκαν ξανά με τον φασματογράφο μετά την έξοδό τους από τα AWG-3 και AWG-4. Στην θύρα εξόδου 1 του AWG-3 παίρνουμε το λ2 στα 1546.28 nm, ενώ στη θύρα 2 το λ4 στα 1558.88 nm. Αντίστοιχα, στο AWG-4 παίρνουμε το λ1 στα 1534.76 nm στη θύρα 1 και το λ3 στα 1551.9 nm στη θύρα 2. ΤΙΤΛΟΣ 45

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Εικόνα 3.2-5: Τα φάσματα στις εξόδους 1 και 2 των AWG-3 και AWG-4 Τελικά, έγιναν μετρήσεις BtB (Back-to-Back), ώστε να γίνει σύγκριση με το Echelle και να γίνει ο χαρακτηρισμός του. Το Echelle αντικαταστάθηκε από έναν εξασθενητή μεταβλητών απωλειών VOA (Variable Optical Attenuator), που εισάγει απώλειες στο σήμα. Αυτό έγινε να φτάσουμε την ισχύ των σημάτων στο ίδιο επίπεδο όπως ήταν με την παρεμβολή του Echelle, πριν την είσοδο στους δυο ενισχυτές και τα AWG. Το Echelle, λόγω της συνάρτησης μεταφοράς του που λειτουργεί σαν φίλτρο, κόβει κάποιες συχνότητες και ρίχνει την ισχύ. Ο εξασθενητής απλώς ρίχνει την ισχύ, χωρίς να επηρεάζει το σήμα με άλλον τρόπο. 46 ΤΙΤΛΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ECHELLE GRATING Εικόνα 3.2-6: Διαγράμματα ματιού και ακολουθίες bit για τις μετρήσεις BtB και με το Echelle, στα 3.2 mv/div για τα λ 1 και λ 2 και στα 2.7 mv/div για λ 3 και λ 4 Στην εικόνα [3.2-7] φαίνεται από τον παλμογράφο ότι η συμπεριφορά του Echelle είναι καλή, καθώς δεν εισάγει τόσες απώλειες ώστε να χαλάσει αισθητά το διάγραμμα ματιού. Το ER είναι 15dB για τα λ 1, λ 2 και λ 3 και 13.5dB για το λ 4, ενώ δεν έχουμε jitter, αφού το Echelle είναι παθητικό στοιχείο. Η διαμόρφωση πλάτους ήταν 0.5 db για τα λ 1, λ 3 και λ 4, ενώ 0.8dB για το λ 2. Τα σήματα λ 1 και λ 2 έχουν την αντίστροφη ακολουθία διαμόρφωσης από τα λ 3 και λ 4. Στο τελικό στάδιο του πειράματος έγιναν οι μετρήσεις BER. Αρχικά πηγαίνουμε στο επίπεδο όπου τα σφάλματα ελαχιστοποιούνται (error free) και μετά εισάγουμε απώλειες χαμηλώνοντας σταδιακά την ισχύ και παίρνουμε τις καλύτερες περιπτώσεις λαθών για κάθε επίπεδο ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο παίρνουμε δυο καμπύλες BER, μια για τις BtB μετρήσεις και μια για τις μετρήσεις με το Echelle. Έτσι βλέπουμε το Power Penalty, που είναι η απόσταση μεταξύ της BtB και της καμπύλης με το Echelle. Βλέπουμε δηλαδή πόσο περισσότερη ισχύς χρειάζεται στην περίπτωση του Echelle, ώστε να έχουμε τον ίδιο αριθμό σφαλμάτων που θα είχαμε αν δεν υπήρχε το Echelle στη διάταξη. Στην εικόνα [3.2-8] απεικονίζονται οι καμπύλες BER. ΤΙΤΛΟΣ 47

log(ber) ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ -3-4 -5-6 BER Curves BER-λ3 BtB-λ3 BER-λ1 BtB-λ1 BER-λ4 BtB-λ4 BER-λ2 BtΒ-λ2-7 -8-9 -10-27 -26-25 -24-23 -22-21 -20-19 -18 Average Data Power (dbm) Εικόνα 3.2-7: Καμπύλες BER Για το λ 3 έχουμε το μικρότερο Power Penalty στα 0.2 db, ενώ για τα υπόλοιπα σήματα κυμαίνεται κοντά στα 0.4dB. Οι μετρήσεις του Power Penalty των σημάτων γίνονται στην περιοχή όπου log(ber)= 10-9. Να σημειωθεί ότι οι διαφορές σε ισχύ που παρατηρούνται μεταξύ των τεσσάρων σημάτων δεν οφείλεται στη λειτουργία του Echelle, αλλά είναι πιο πιθανό να συμβαίνει λόγω του φίλτρου κάποιου ενισχυτή EDFA. 48 ΤΙΤΛΟΣ

Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 4 : Ε Φ Α Ρ Μ Ο Γ Ε Σ E C H E L L E G R AT I N G

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ECHELLE GRATING 4.1 ΠΑΘΗΤΙΚΟΣ 2Χ2 WDM ΜΕΤΑΓΩΓΕΑΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΧΡΟΝΙΚΗ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ Σαν μια συνέχεια της πειραματικής διάταξης που μελετήθηκε στην παρούσα διπλωματική, έχει προταθεί μια αρχιτεκτονική παθητικού 2x2 WDM μεταγωγέα (switch) με τη χρήση του Echelle grating. Δυο tunable lasers (TLD), ελεγχόμενα από ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, λειτουργούν ως πομποί. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα καθορίζει ποια θα είναι τα μήκη κύματος που θα εισέλθουν στον μεταγωγέα, έτσι ώστε να εξέλθουν από την επιθυμητή πύλη. Κάθε CW σήμα διέρχεται στη συνέχεια από έναν διαμορφωτή MOD, ώστε να μετατραπούν σε σήματα δεδομένων (data signals). Εικόνα 4.1-1: Αρχιτεκτονική 2x2 WDM routing Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, επιλέγοντας το μήκος κύματος λ 1 ως είσοδο για τη θύρα 1, η πληροφορία θα εξέλθει από την θύρα 1 (bar routing), ενώ με την επιλογή του λ 2, η πληροφορία θα εξέλθει από τη θύρα 2 (cross routing). Αντίστοιχα, για τη θύρα εισόδου 2, αν επιλεγεί το λ 3 ως σήμα δεδομένων, θα εξέλθει από τη θύρα εξόδου 1 (cross routing), ενώ αν επιλεγεί το λ 4, θα εξέλθει από τη θύρα εξόδου 2 (bar routing). Η λειτουργία του Echelle ως μεταγωγέας είναι καθαρά παθητική, αφού στηρίζεται μόνο στην επιλογή των μηκών κύματος που θα δρομολογηθούν, με βάση τα χαρακτηριστικά του. Στην εικόνα [4.1-2] φαίνονται οι συναρτήσεις μεταφοράς για κάθε έξοδο του Echelle και τα αντίστοιχα διαγράμματα ματιού. 50 ΤΙΤΛΟΣ

Εικόνα 4.1-2: (α) Συνάρτηση μεταφοράς για τη θύρα εξόδου 1 και διαγράμματα ματιού για τα σήματα εξόδου λ 1 και λ 2, (β) Συνάρτηση μεταφοράς για τη θύρα εξόδου 2 και διαγράμματα ματιού για τα σήματα εξόδου λ 3 και λ 4 Πέρα από τη δυνατότητα δρομολόγησης, η αρχιτεκτονική αυτή εισάγει και την έννοια του buffering. Για τον λόγο αυτό εισάγονται δυο διαφορετικές γραμμές καθυστέρησης (DL delay lines) στις εξόδους του μεταγωγέα, με διαφορετική χρονική καθυστέρηση η κάθε μια, t 1 και t 2. Έτσι, έχουμε τέσσερις διαφορετικές περιπτώσεις buffering, η πρώτη με τα λ 1 και λ 3 να έχουν χρόνο buffering t 2, η δεύτερη με τα λ 2 και λ 3 να έχουν χρόνο buffering t 1 και t 2 αντίστοιχα, η τρίτη με τα λ 1 και λ 4 να έχουν χρόνο buffering t 2 και t 1 αντίστοιχα και η τελευταία, με τα λ 2 και λ 4 να έχουν χρόνο buffering t 1. 4.2 ΔΕΚΤΗΣ Στα data centers είναι απαραίτητες οπτικές συνδέσεις με χαμηλό κόστος, υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και χαμηλά επίπεδα ισχύος. Οι δέκτες είναι ένα από τα κρίσιμα μέρη μιας τέτοιας σύνδεσης. Έχει παρουσιαστεί μια υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος δέκτη για WDM εφαρμογές, που αποτελείται από 40 υψίρυθμους φωτοανιχνευτές κατασκευασμένους από γερμάνιο (Ge) και Echelle grating με 40 κανάλια και 100GHz απόσταση μεταξύ τους. Χρησιμοποιήθηκαν κυματοδηγοί με τεχνική SOI, των 3μm. Οι απώλειες του Echelle είναι 2.5dB, με τις απώλειες λόγω πόλωσης (PDL Polarisation Dependent Loss) στα 0.5dB. Η εξάρτηση από την πόλωση ελαττώθηκε με την εφαρμογή μιας επιφάνειας σε λειτουργία πρίσματος επάνω στην grating επιφάνεια, ώστε οι ΤΕ και ΤΜ τρόποι να εστιάζουν στο ίδιο σημείο. ΤΙΤΛΟΣ 51

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Εικόνα 4.2-1: Echelle grating με ρύθμιση για την πόλωση Η απόσταση των μηκών κύματος κορυφής από τον θόρυβο είναι μεγαλύτερη από 27dB. Ο κάθε φωτοανιχνευτής έχει τουλάχιστον 28GHz εύρος ζώνης στα 3dB. Συνδυάζοντας τα 40 WDM κανάλια, στα 25Gbps το κάθε ένα, το συνολικό εύρος ζώνης του receiver τελικά ξεπερνά το 1Tbps. [18] Εικόνα 4.2-2: Διαγράμματα ματιού στα 25Gbps για τέσσερα από τα κανάλια 52 ΤΙΤΛΟΣ

4.3 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΣΕ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ CMOS- ΣΥΜΒΑΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Η χρήση των φραγμάτων περίθλασης για τη δημιουργία φασματόμετρων είναι διαδεδομένη. Έχουν καλή απόδοση όσον αφορά την ανάλυση, το εύρος ζώνης και τον μικρό χώρο που καταλαμβάνουν πάνω στο chip. Παρακάτω θα παρουσιαστεί ένα φασματόμετρο (spectrometer) πάνω σε chip, που αποτελείται από ένα Echelle και μια σειρά από MSM (Metal-Semiconductor-Metal) φωτοανιχνευτές, με την τεχνική SOI. Εικόνα 4.3-1: Φασματόμετρο σε ολοκληρωμένο κύκλωμα Στο παθητικό μέρος του chip χρησιμοποιήθηκε SiON (silicon oxynitride) για τον πυρήνα των κυματοδηγών, το οποίο εναποτέθηκε μετά την επιλεκτική απομάκρυνση του Si από την επάνω στρώση του SOI wafer. Στο ενεργό μέρος, οι MSM φωτοανιχνευτές κατασκευάστηκαν στο επάνω στρώμα Si του SOI wafer, εκμεταλλευόμενοι την μόνωση που τους προσφέρει το SiO 2. Ο κάθε φωτοανιχνευτής έχει πλάτος 6μm και μεταξύ τους έχουν 1.5μm απόσταση. Το crosstalk είναι κοντά στα 18dB. Η κατασκευή είναι CMOS-συμβατή και λειτουργεί ως φασματόμετρο με 60 κανάλια, τα οποία απέχουν 0.494nm μεταξύ τους. Το chip έχει διαστάσεις 9mm x 6mm και λειτουργεί κοντά στα 850nm. Αξίζει να σημειωθεί ότι το SiON έχει καλά χαρακτηριστικά στο εύρος 400-2000nm, ο δείκτης διάθλασής του είναι υψηλός και κυμαίνεται στο 1.47 με 2.3. Οι κυματοδηγοί αυτοί είναι αρκετά ανθεκτικοί. Σε αντίθεση με άλλες σχεδιάσεις, οι φωτοανιχνευτές τοποθετούνται στις εξόδους του Echelle grating, χωρίς να υπάρχουν ενδιάμεσοι κυματοδηγοί, αποφεύγοντας τις απώλειες που αυτοί θα εισήγαγαν. Όσον αφορά το Echelle, λειτουργεί στην τάξη περίθλασης m=35 με 24nm FSR στη μπάντα των 850nm. Οι συνολικές απώλειες υπολογίζονται στα 11dB και οφείλονται σε κατασκευαστικούς λόγους και απώλειες των κυματοδηγών (οι κυματοδηγοί SiON εισάγουν 10dB/cm απώλειες). ΤΙΤΛΟΣ 53

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Το τελικό κύκλωμα είναι μια επιλογή χαμηλού κόστους και μεγάλης φασματικής ανάλυσης, για υπέρυθρο φως και της κοντινής του φασματικής περιοχής, κάτω από τα 1100nm. Η λειτουργία του αυτή είναι χρήσιμη σε ιατρικές εφαρμογές, στη διάγνωση ασθενειών. Η αντικατάσταση του SiON με Si συνεπάγεται τη δημιουργία φασματόμετρου που λειτουργεί πάνω από τα 1100nm. [19] 4.4 ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΠΤΙΚΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ Οι οπτικοί αισθητήρες έχουν κινήσει το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας, λόγω του χαμηλού κόστους και της αποτελεσματικότητας που προσφέρουν σε βιολογικές, περιβαλλοντικές και χημικές εφαρμογές. Έχουν παρουσιαστεί διάφοροι τύποι αισθητήρων, όπως αισθητήρες που βασίζονται σε MZI συμβολόμετρα και σε δακτυλίους. Ένα οπτικό σύστημα αισθητήρα αποτελείται από μια διάταξη κυματοδηγών, μια οπτική πηγή και ένα σύστημα ανίχνευσης φωτονίων. Πρόσφατα προτάθηκε η υλοποίηση αισθητήρα που βασίζεται στο φαινόμενο Vernier μεταξύ ενός δακτυλίου (single ring resonator) και ενός Echelle. Μια πηγή φωτός αποτελεί την είσοδο του δακτυλίου. Ο δακτύλιος προκαλεί φασματική μετάδοση σε μορφή «χτένας» και τα μήκη κύματος μετακινούνται ανάλογα με την αλλαγή στον δείκτη διάθλασης του δακτυλίου, που εξαρτάται από το δείγμα αναλύτη. Αφού το φως εξέλθει από διαφορετικές θύρες του Echelle, καταλήγει σε διαφορετικούς ανιχνευτές. Εικόνα 4.4-1: Σχηματική απεικόνιση του αισθητήρα Λόγω της μικρής διαφοράς στα FSR του Echelle grating και του δακτυλίου, πραγματοποιείται το φαινόμενο Vernier και έχουμε μετατόπιση στο φάσμα. Στα σημεία όπου έχουμε αλληλοεπικάλυψη στο φάσμα, προκύπτει το μήκος κύματος κορυφής (peak wavelength). Με αυτόν τον τρόπο, το peak wavelength εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης του αναλύτη. 54 ΤΙΤΛΟΣ

Εικόνα 4.4-2: Μετατόπιση και peak wavelengths για δυο διαφορετικούς δείκτες διάθλασης Η πρόταση υλοποίησής του αναφέρεται σε SOI κατασκευή με Si κυματοδηγούς των 500nm στον δακτύλιο και Echelle grating που λειτουργεί σε τάξη m=18, με 45 κανάλια και απόσταση 1nm μεταξύ τους. Το εύρος ημίσειας ισχύος του (FWHM) είναι 0.1nm. Το μήκος του δακτυλίου είναι 675μm, με FSR 0.975nm. Ο αισθητήρας μπορεί να δώσει δυο αποτελέσματα, διαφορετικής ακριβείας τα οποία μπορούν να συνδυαστούν. Εφόσον το Echelle grating και ο δακτύλιος βρίσκονται πάνω στο ίδιο chip και οι φασματικές τους αλλαγές λόγω θερμοκρασίας είναι ανάλογες, θεωρείται ότι ο αισθητήρας δεν θα είναι ευαίσθητος σε αλλαγές θερμοκρασίας. [20] 4.5 LASERS Τα laser έχουν χαρακτηριστικές καμπύλες κέρδους, που συνδέουν την ισχύ με το μήκος κύματος. Για να συντονίσουμε το laser στο μήκος κύματος με το μεγαλύτερο κέρδος, ο ένας καθρέπτης της κοιλότητας μπορεί να αντικατασταθεί από ένα φράγμα περίθλασης. Με αυτό τον τρόπο γίνεται περίθλαση των μηκών κύματος που προσπίπτουν στην επιφάνεια του φράγματος και με την κατάλληλη τοποθέτησή του το επιθυμητό μήκος κύματος είναι αυτό που θα υπερισχύσει με τη διάδοσή του στην κοιλότητα του laser. Στην παρακάτω εικόνα έχουμε ένα dye laser με ένα φράγμα περίθλασης σε ρύθμιση Littrow. Το φως που προσπίπτει πάνω στην grating επιφάνεια περιθλάται και το μήκος κύματος που θέλουμε να ενισχυθεί επιστρέφει πίσω στην κοιλότητα, αφού το φράγμα περίθλασης είναι τοποθετημένο ανάλογα. ΤΙΤΛΟΣ 55

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Εικόνα 4.5-1: Dye laser με φράγμα περίθλασης Μια διαφορετική διάταξη φαίνεται στην εικόνα [4.5-2], όπου το φράγμα περίθλασης δίνει την έξοδο. Σε αυτή την περίπτωση το μήκος κύματος της μηδενικής τάξης είναι το ζητούμενο και ο συζεύκτης εξόδου (OC output coupler), έχει αντικατασταθεί από έναν καθρέπτη. Εικόνα 4.5-2: Dye laser με το φράγμα περίθλασης να δίνει την έξοδο Μια ακόμα παραλλαγή φαίνεται στην εικόνα [4.5-2], όπου η έξοδος του φράγματος ανακλάται σε έναν καθρέπτη και περιθλάται ξανά πάνω στην επιφάνεια του φράγματος. Στη συνέχεια διαδίδεται μέσα στην κοιλότητα του laser και εξέρχεται από τον OC, ενώ μέρος του ανακλάται πίσω στην κοιλότητα. Εικόνα 4.5-3: Dye laser με το φράγμα περίθλασης, καθρέπτη και OC 56 ΤΙΤΛΟΣ

Τα excimer lasers, ένας τύπος laser που λειτουργούν στην υπεριώδη περιοχή του φάσματος, είναι ιδιαίτερα χρήσιμα στη χειρουργική, τη μικρομηχανική και την φωτολιθογραφία. Ενισχύεται μια μικρή περιοχή του φάσματος με τη χρήση Echelle grating σε ρύθμιση Littrow. Το Echelle έχει d>10μm, λειτουργεί σε μεγάλες τάξεις διάθλασης (m>>10) και η γωνία πρόσπτωσης πρέπει να είναι πολύ μεγάλη, μεταξύ 65 και 79, ώστε να είναι μεγάλη η διασπορά. Στην άλλη άκρη της κοιλότητας βρίσκεται ένας OC, ο οποίος αφήνει να περάσει το ζητούμενο μήκος κύματος, ανακλώντας ένα μεγάλο μέρος του πίσω στην κοιλότητα. 4.6 ECHELLE GRATING ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑΣ Πολλά από αυτά που γνωρίζουμε για το σύμπαν οφείλονται στην ανάλυση του φωτός που φτάνει στη γη από πλανήτες, αστέρια και γαλαξίες. Τα φασματόμετρα με φράγματα περίθλασης χρησιμοποιούνται πολύ για τέτοιου είδους μετρήσεις. Η ανάλυση του φάσματος του φωτός που προέρχεται από έναν πλανήτη βοηθά στο να προσδιοριστεί η σύστασή του, η ταχύτητα με την οποία κινείται, η ηλικία του αλλά και η απόστασή του από τη γη. Τα τηλεσκόπια έχουν μεγάλο άνοιγμα, ώστε να δέχονται όσο περισσότερο φως γίνεται. Συνεπώς, τα φράγματα διάθλασης πρέπει να είναι πολύ μεγάλα. Το 1990 η Newport εισήγαγε την κατασκευή δυο όμοιων φραγμάτων περίθλασης, βασισμένα σε ένα πρωτότυπο, πάνω σε ένα ενιαίο υπόστρωμα. Με εξαίρεση έναν κενό χώρο μεταξύ των δυο φραγμάτων, η υπόλοιπη επιφάνεια αποτελείται από την grating επιφάνεια. Τα δυο φράγματα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένα με ακρίβεια. Στο Σχήμα [4.6-1] φαίνεται ένα μεγάλο διπλό Echelle grating (mosaic) που κατασκευάστηκε από την Newport για το ESO (European Southern Observatory). Η γωνία blaze των Echelle είναι 75.1 και οι διαστάσεις της επιφάνειας είναι 214x840mm, όπου το κάθε Echelle έχει διαστάσεις 214x415mm. [1] ΤΙΤΛΟΣ 57

ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ Εικόνα 4.6-1: Διπλό mosaic grating 58 ΤΙΤΛΟΣ