Ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και οπτικών διεπαφών πλατφόρμας SOI για εφαρμογές σε οπτικά δίκτυα επικοινωνιών

Abstract

The first main purpose of this thesis is the development of integrated photonic devices for their adoption in next generation optical communications networks. The adoption of these devices will allow broad and in-depth electro-optical integration, enabling ultra-high-speed, and low-power consumption optical interconnection for use in both telecom and datacom networks. These elements will be widely adopted as basic circuits in all-optical switching circuits for use in optical nodes, allowing the implementation of elastic optical network topologies. The second purpose of this thesis is the development of high-performance optical interfaces for silicon photonics platform, that will be tolerant in misalignments induced during fabrication and assembly process. The first major issue studied in this thesis was the design of filter elements fabricated on silicon photonics integration platform, targeting their adoption in elastic optical network topologies. A thermo-optically controlled element consisting of a two serially coupled ring resonator cavities with variable coupling ratio, achieved by utilizing MZI structures, was developed and exhibited adaptive bandwidth and variable wavelength tuning operation. An upgraded version of this element was designed, utilizing air trenches to enhance its spectral characteristics, via more efficient thermal insulation between the waveguides. Experimental evaluation of the proposed devices demonstrated their excellent behavior as variable optical filters. The second major issue studied, was the design of optical interface between silicon photonics to polymer waveguides, and fiber optics. Optical interfacing was based on the design of a silicon waveguide taper, by following the constant loss per unit length criterion. The adiabatic optical coupler is characterized by low coupling loss, high operation bandwidth, and sufficient tolerance to imperfections induced during fabrication and assembly processes. Finally, the third major issue studied was the design of a 3D optical coupler for optical interfacing of silicon waveguides with waveguides inscripted in glass integration platform using passive alignment techniques, and operating in both polarization states. Design is based on the silicon waveguide taper width profile extraction, enabling optical power transfer from silicon to angled glass waveguide, based on the principle of constant loss per unit length. Simulation studιes revealed high power coupling performance, while the overall circuit was characterized by broadband and high tolerance operation.

Ο πρώτος βασικός άξονας της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ολοκληρωμένων φωτονικών διατάξεων με σκοπό την υιοθέτηση τους σε οπτικά δίκτυα επικοινωνιών επόμενης γενιάς. Η υιοθέτηση αυτών των διατάξεων, θα επιτρέψει την ευρεία και σε βάθος ηλεκτρο-οπτική ολοκλήρωση, ενεργοποιώντας την οπτική διασύνδεση υπερ-υψηλών ταχυτήτων και χαμηλής κατανάλωσης λειτουργία για χρήση τόσο στο telecom όσο και στο datacom δίκτυο. Τα στοιχεία αυτά, θα υιοθετηθούν ευρέως ως βασικά κυκλώματα σε αμιγώς οπτικά συστήματα μεταγωγής για χρήση σε οπτικούς κόμβους, επιτρέποντας την υλοποίηση τοπολογιών ελαστικών οπτικών δικτύων. Δεύτερος βασικός άξονας της διατριβής αυτής, είναι η δημιουργία διατάξεων οπτικής διεπαφής υψηλής απόδοσης κυκλωμάτων πυριτίου, ανεκτικών σε αστοχίες που εισάγονται κατά τα στάδια κατασκευής και συναρμολόγησης. Το πρώτο σημαντικό θέμα που μελετήθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής, ήταν ο σχεδιασμός στοιχείων φίλτρων κατασκευασμένων σε τεχνολογία ολοκλήρωσης πυριτίου, με σκοπό την υιοθέτησή τους σε τοπολογίες ελαστικών οπτικών δικτύων. Επιτεύχθηκε σχεδιασμός δομής σειριακά συζευγμένων θερο-οπτικά ελεγχόμενων δομών δακτυλίων μεταβλητού λόγου σύζευξης αξιοποιώντας δομές ΜΖΙ, για λειτουργία προσαρμοστικού εύρους ζώνης και μεταβλητού μήκους κύματος συντονισμού. Σχεδιάστηκε επίσης αναβαθμισμένη έκδοσή τους αξιοποιώντας εγκοπές αέρα για ενίσχυση των φασματικών τους χαρακτηριστικών, διαμέσου της αποδοτικότερης θερμικής απομόνωσης μεταξύ των κυματοδηγών. Η πειραματική τους αξιολόγηση κατέδειξε την άριστη συμπεριφορά τους ως μεταβλητά στοιχεία φίλτρων. Το δεύτερο σημαντικό θέμα που μελετήθηκε, ήταν ο σχεδιασμός οπτικής διάταξης για χρήση οπτικού συζεύκτη διεπαφής φωτονικών κυκλωμάτων πυριτίου με πολυμερικούς κυματοδηγούς και οπτικές ίνες. Ο σχεδιασμός βασίστηκε σε δημιουργία κωνικής δομής κυματοδηγού πυριτίου, αξιοποιώντας το κριτήριο των σταθερών απωλειών της ζεύξης ανά μονάδα μήκους διάδοσης. Ο αδιαβατικός οπτικός συζεύκτης, χαρακτηρίστηκε από χαμηλό αριθμό απωλειών, μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, και ικανοποιητική ανοχή σε ατέλειες που εισάγονται στα στάδια κατασκευής και συναρμολόγησης. Τέλος, το τρίτο σημαντικό θέμα που μελετήθηκε, ήταν ο σχεδιασμός τρισδιάστατου οπτικού συζεύκτη για οπτική διασύνδεση κυματοδηγών πυριτίου με κυματοδηγό εγχαραγμένο σε πλατφόρμα ολοκλήρωσης γυαλιού, για λειτουργία και στις δύο πολωτικές καταστάσεις αξιοποιώντας τεχνικές παθητικής ευθυγράμμισης. Ο σχεδιασμός βασίζεται στη δημιουργία κωνικής δομής κυματοδηγού πυριτίου για σύζευξη οπτική ισχύος σε υπό γωνία κυματοδηγό γυαλιού, βασισμένης στην αρχή σταθερών απωλειών ανά μονάδα μήκους. Η προσομοιωτική μελέτη κατέδειξε υψηλή απόδοση σύζευξης ισχύος, ενώ η συνολική διάταξη χαρακτηρίστηκε από ευρυζωνικότητα και μεγάλη αντοχή σε κατασκευαστικές ατέλειες και ατέλειες που εισάγονται στο στάδιο της συναρμολόγησης.