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

Abstract

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, χαρακτηρήστηκε 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 χαρακτηρήστηκε από ευρυζωνικότητα και μεγάλη αντοχή σε κατασκευαστικές ατέλειες και ατέλειες που εισάγονται στο στάδιο της συναρμολόγησης.