Πλασμονικές (dlspp) Διατάξεις Ολοκληρωμένες Σε Πυρίτιο (si) Για Οπτικά Δίκτυα Διασύνδεσης Υπολογιστικών Συστημάτων

Abstract

Στα πλαίσια των νέων αναγκών των διασυνδέσεων τωνυπολογιστικών συστημάτων υψηλών επιδόσεων για τεράστιαχωρητικότητα διαύλων, χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση, υψηλήπυκνότητα ολοκλήρωσης, η αντικατάσταση των ηλεκτρικώνδιασυνδέσεων με οπτικές αποτελεί ήδη πρακτική λύσηυιοθετώντας φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Ενώ η συμφόρησητης χωρητικότητας και η ενεργειακή κατανάλωση στιςηλεκτρικές διασυνδέσεις έχει προσεγγίσει τα όρια τηςτεχνολογίας για την επικοινωνία σε κλίμακα τσιπ, οι οπτικέςτεχνολογίες περιορίζοντα από τον φυσικό φραγμό του ορίουπερίθλασης μην επιτρέποντας στις φωτονικές δομές νααξιοποιήσουν τα πλεονεκτήματα τους σε μικρό μέγεθος. Οιπλασμονικές διασυνδέσεις καλύπτουν αυτό το κενό καθώςστέκονται ανάμεσα στις δύο τεχνολογίες και επιτρέπουν τηγεφύρωση των πλεονεκτημάτων της οπτικής τεχνολογίας σεδιαστάσεις nm-κλίμακας που επιτρέπει η τεχνολογία τωνηλεκτρονικών την ίδια στιγμή που υπόσχονται χαμηλέςκαταναλώσεις ισχύος για τις ενεργές λειτουργίες που απαιτείτο δίκτυο σε τσιπ.Το βασικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβήςαποτελεί η μελέτη, ο χαρακτηρισμός και η πειραματικήεπίδειξη της πλασμονικής τεχνολογίας (DLSPP) για τηνανάπτυξη δομών μεταγωγής που θα εφοδιάσουν τα δίκτυα σετσιπ, ικανά να προσφέρουν τεράστια χωρητικότητα, μικρόμέγεθος και χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Για την επίτευξη τουστόχου αυτού, παρουσιάζεται ένα υβριδικό σχήμα ολοκληρωμένωνδομών όπου ενεργές δομές DLSPP κυματοδηγών ετερο-ολοκληρώνονται σε παθητικές πλατφόρμες πυριτίου (SOI). Hαξιοποίηση των συγκριτικών πλεονεκτημάτων των δύοτεχνολογιών υπαγορεύει τη χρήση της Si φωτονικής τεχνολογίαςγια τις παθητικές λειτουργίες της πλατφόρμας με χαμηλέςαπώλειες διάδοσης, χαμηλές απώλειες διασύνδεσης στο τσιπ καιτη χρήση της DLSPP τεχνολογίας για τις ενεργές λειτουργίεςτης δομής όπου το μικρό μέγεθος και η ενεργειακή κατανάλωσηπαίζουν καθοριστικό ρόλο. Για το σκοπό αυτό παρουσιάζεται ηεπιτυχής λειτουργία του 2x2 πλασμονικού διακόπτηαξιοποιώντας τον θερμο-οπτικό μηχανισμό ελέγχου.Η επιλογή της παθητικής πλατφόρμας που θα φιλοξενήσει τιςενεργές πλασμονικές δομές βασίζεται στην ανάπτυξη SOIκυματοδηγών Rib-τύπου που χαρακτηρίζονται από χαμηλέςαπώλειες διάδοσης και προσφέρουν τη δυνατότητα για υλοποίησηδομών σύζευξης που διασφαλίζουν την επικοινωνία από/προς τηνίνα και το τσιπ. Κατά την πορεία της μελέτης, σχεδιάστηκανκαι αξιολογήθηκαν δύο διαφορετικές δομές κυματοδηγών οιοποίοι επιτρέπουν τη σύζευξη και την κυματοδήγηση του TMπολωτικού ρυθμού πάνω στο τσιπ. Πραγματοποιήθηκαν εκτενείςμετρήσεις χαρακτηρισμού σε κατακόρυφο σταθμό εργασίας γιαδείγματα συζευκτών με διαφορετικές τιμές περιόδου με σκοπότον προσδιορισμό των απωλειών σύζευξης των δομών και τηςαπώλειας διάδοσης με χρήση πειραματικών τεχνικών (cutbackmethod) και της φασματικής απόκρισης.Η ανάπτυξη DLSPP κυματοδηγών διερευνάται διεξοδικά καθώςπαρουσιάζονται δομές πλασμονικών κυματοδηγών με διηλεκτρικήλωρίδα από PMMA ετερο-ολοκληρωμένες σε SOI παθητικήπλατφόρμα που έχει επιλεγεί στην πρώτη φάση της διατριβής. Oσχεδιασμός και η πειραματική αξιολόγηση της Si-to-DLSPPδιεπαφής παρουσιάζεται επιδεικνύοντας ικανοποιητικές τιμέςαπωλειών σύζευξης στο σημείο διεπαφής για τον TM πολωτικόρυθμό από τους SOI κυματοδηγούς Rib-τύπου στον DLSPPκυματοδηγό. Οι απώλειες διάδοσης του πλασμονικού ρυθμού καιοι επιδόσεις των κυματοδηγών μελετήθηκαν για τα δείγματακυματοδηγών μεταβλητού μήκους στη μάσκα που αξιολογήθηκεπειραματικά στο σταθμό εργασίας. Η διάδοση σήματοςπληροφορίας μέσα από τον DLSPP κυματοδηγό αξιολογήθηκε γιασήματα πληροφορίας 10Gb/s με χρήση κωδικοποίησης τύπου NRZμε σκοπό τον προσδιορισμό της παραμόρφωσης στην ποιότητα τουσήματος. Πείραμα μετάδοσης fs-κλίμακας παλμών στα 160Gb/sαξιοποιώντας την οπτική πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου(OTDM) παρουσιάζεται στη συνέχεια με χρήση παλμών με RZκωδικοποίηση.Η εισαγωγή του σχήματος μεταγωγής με χρήση πλασμονικού απλούδακτυλίου (WRR) βασισμένο σε DLSPP κυματοδηγό μελετάται στησυνέχεια. Ο σχεδιασμός, η κατασκευή και ο στατικόςπειραματικός χαρακτηρισμός της λειτουργίας του μικρο-δακτυλίου παρουσιάζεται μέσω μεγάλου αριθμού πειραματικώνμετρήσεων. Ο ενεργός έλεγχος του διακόπτη από PMMAαξιοποιώντας τον θερμο-οπτικό μηχανισμό μελετάται διεξοδικάεστιάζοντας στις θερμικές παραμέτρους και την κατανάλωσηισχύος. Η αξιοποίηση πολυμερικών υλικών που εμφανίζουνυψηλότερες τιμές θερμο-οπτικού συντελεστή (TOC) για τηνεπίτευξη χαμηλότερης κατανάλωσης ισχύος είναι το κίνητρο γιατη χρήση του πολυμερούς Cyclomer για την επίδειξη διπλώνδακτυλίων που ελέγχονται θερμο-οπτικά με σκοπό την υλοποίησηκυκλώματος μεταγωγής.Η μελέτη του ασύμμετρου συμβολομετρικού διακόπτη Mach-Zehnder (Α-ΜΖΙ) εισάγεται στη συνέχεια με σκοπό τηναξιοποίηση του θερμο-οπτικού μηχανισμού ελέγχου για τηνεπίτευξη της λειτουργίας μεταγωγής που υποστηρίζει τηλειτουργία WDM πολυπλεξία για αύξηση χωρητικότητας. Μεγάλοςαριθμός πειραματικών μετρήσεων εστιάζει στον προσδιορισμότης στατικής και δυναμικής λειτουργίας του A-MZI διακόπτηεφοδιασμένου με το πολυμερές Cyclomer ενώ ταυτόχροναμελετήθηκε η επίδραση της ετερο-ολοκλήρωσης πλασμονικώνδομών στην ποιότητα της SOI πλατφόρμας. Η επίδοση του A-MZIδιακόπτη σε περιβάλλον πραγματικής κίνησης δεδομένωνμελετήθηκε μέσα από την επίδειξη μεταγωγής συνεχούς κίνησηςδεδομένων στα 10Gb/s NRZ κωδικοποίησης. Τα αποτελέσματα πουπροέκυψαν αποτέλεσαν την πρώτη πειραματική επιβεβαίωσηωφέλειας ως προς το αποτύπωμα μιας ενεργής πλασμονικής δομήςπου αποτελείται από υλικό με μεγάλο θερμο-οπτικό συντελεστή,έχοντας κατά συνέπεια θετικό αντίκτυπο στον παράγοντααξιολόγησης που βασίζεται στην κατανάλωση ισχύος, το χρόνοαπόκρισης και το ενεργό μήκος του διακόπτη.