Study of integrated photonic circuits for optical telecommunications
| datacite.contributor.RelatedPerson | Καλύβας, Γρηγόρης | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μπίρμπας, Μιχάλης | |
| datacite.contributor.Supervisor | Τόμκος, Ιωάννης | |
| dc.contributor.author | Στύλιος, Δημοσθένης | |
| dc.contributor.other | Stylios, Dimosthenis | |
| dc.date.accessioned | 2022-10-17T09:37:15Z | |
| dc.date.available | 2022-10-17T09:37:15Z | |
| dc.date.issued | 2022-10-13 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | The focus of this Thesis is the photonic circuit of modulator. The study of modulators is of great interest since modern telecommunication systems and mainly intra datacenter connection need higher data rates, bigger bandwidth, and lower cost. Central to modern telecommunication systems is the device of digital to analog conversion, in many cases a device costly in power, footprint and with constellation imperfections. In high-speed digital optical transmitters, the Digital to Optical (D/O) translation typically comprises power consuming and costly electrical Digital to Analog Convertors (eDAC)-based data conversion, followed by analogue optical modulation. The idea of adopting a direct Digital to Optical domain (D/O) conversion, eliminating the eDAC intermediaries is put forward, but first a perfect segmented Mach-Zehnder Modulator (SEMZM) must be implemented. Prior to that, the Electro – Optic effects, that offer some materials the ability to modulate light are presented, then the topologies that are in use are explained and the fabrication techniques for different modulators are demonstrated. In the last chapter of this Thesis a silicon Mach-Zehnder Modulator (MZM) and a segmented MZM of the same type are implemented in the simulation tool VPI PHOTONICS. The segmented MZM is acting as an optical Digital to Analog Converter (oDAC) and its performance is studied. Moreover, the multi-level multi parallel oDAC architecture is explained. Finally, a novel design, that combines a parallel modulator’s architecture of oDAC and the above segmented MZM is explained and implemented in the VPI Photonics. | |
| dc.description.translatedabstract | Η διπλωματική αυτή έχει θέμα την Μελέτη Ολοκληρωμένων Φωτονικών διατάξεων για συστήματα οπτικών τηλεπικοινωνιών. Εστιάζει στην διαμόρφωση του οπτικού σήματος, διότι έχει σαν τελικό στόχο την υλοποίηση μια καινοτόμα αρχιτεκτονικής οπτικού μετατροπέα από ψηφιακό σε αναλογικό σήμα (optical digital to analog converter) . Η σχεδίαση που βασίστηκε στο [9], γίνεται για να επιτευχθούν ψηλότεροι ρυθμοί και ανώτερες τύποι διαμόρφωσης. Στοιχεία τα οποία είναι αναγκαία για το σύγχρονο περιβάλλον τηλεπικοινωνιών, όπου οι ρυθμοί μετάδοσης είναι τεράστιοι και οι διαδικασίες αποθήκευση δεδομένων σε cloud, παροχές stream και το internet of things οδηγούν σε αύξηση του όγκου των δεδομένων. Επειδή το σημερινό περιβάλλον το τηλεπικοινωνίων βασίζεται στο internet του οποίου η ραχοκοκαλιά είναι οι οπτικές ίνες μια φωτονική λύση κρίνεται η πιο δελεαστική. Οι μετατροπείς του ψηφιακού σε αναλογικό σήμα πρέπει να έχουν μεγαλύτερο ήλεκτρο-οπτικό εύρος ζώνης άλλα και την δυνατότητα να κάνουν υψηλού τύπου διαμόρφωσης ( PAM, QAM). Συνεπώς πρέπει να μελετηθούν οι διαμορφωτές, τα υλικά και οι αρχιτεκτονικές αυτών που μπορεί να ανταπεξέλθουν στις απαιτήσεις αυτές. Στο επίκεντρο αυτής της μελέτης βρίσκεται η φωτονική διάταξη των διαμορφωτών. Στο πρώτο κεφάλαιο αυτής της διπλωματικής περιγράφονται όλα τα ήλεκτρο-οπτικά φαινόμενα, τα οποία προσφέρουν σε συγκεκριμένα υλικά την δυνατότητα να διαμορφώνουν το φως. Ως ηλεκτρο-οπτικά φαινόμενα ορίζονται τα φαινόμενα, τα οποία προκαλούν αλλαγές στον δείκτη διάθλασης ενός υλικού λόγω της εφαρμογής ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο διαμορφώνει τις οπτικές ιδιότητες του υλικού. Η παρουσία ηλεκτρικού πεδίου επηρεάζει την κίνηση των ηλεκτρονίων στα άτομα ή τα μόρια του υλικού και παραμορφώνει την κρυσταλλική του δομή. Αυτά τα φαινόμενα επηρεάζουν επίσης τις οπτικές ιδιότητες. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται το φαινόμενο Pockels, το οποίο εμφανίζεται σε κέντρο-συμμετρικού κρυστάλλους, το φαινόμενο Franz-Keldysh, το οποίο εμφανίζεται σε ημιαγωγούς. Επίσης αναλύονται τα φαινόμενο διασποράς ελευθέρων φορέων, το οποίο εξελίσσεται σε υλικά όπου είτε υπάρχει ικανή συγκέντρωση ελευθέρων φορέων είτε δημιουργείται με συγκεκριμένες τεχνικές, αλλά και το φαινόμενο ανάκλασης Bragg. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται όλες οι γνωστές τοπολογίες διαμορφωτών. Αρχικά αναλύονται οι εξωτερικοί διαμορφωτές, αυτοί δηλαδή στους οποίους εισάγεται το φως μια πηγής laser και το διαμορφώνουν. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο διαμορφωτή Mach-Zehnder και όλες τις περιπτώσεις του. Επίσης περιγράφονται οι πιθανές τοπολογίες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παραχθεί ένα οπτικό σήμα PAM. Στην συνέχεια αναλύεται ο διαμορφωτής Electro-Absorption, ο οποίος είναι ένας από τους διαδιδομένους και οικονομικούς διαμορφωτές. Τέλος εξηγείται και η διαδικασία απευθείας διαμόρφωσης ένος laser. To κεφάλαιο τρία είναι ένα από τα εκτενέστερα κεφάλαια αυτής της διπλωματικής εργασίας, στο οποίο περιγράφεται ο τρόπος κατασκευής και τεχνικές βελτιστοποίηση των πιο γνωστών υλικών που χρησιμοποιούνται. Οι δυο παρακάτω πίνακες συνοψίζουν κατά κάποιο τρόπο το κεφάλαιο. EO effect Topology LN Pockels Effect MZM III-V SEMICONDUCTORS Franz-Keldysh StarkEffect/Plasma Dispersion EAM/MZM SILICON Plasma Dispersion MZM/MRM ELECTRO-OPT POLYMERS Τεχνητό Pockels Effect MZM TWO DIMENSIONS Τεχνητό Plasma Dispersion MZM VπL(Vcm) ER (dB) EO(GHz) Hybrid LN-Si 6.7 20 106 LN thin film 0.7 30 100 InP 0.55 25 55 Si MZM 0.62 2.1 17 Si MRM undefined 8 Si MZM with Bragg-grating undefined 3 110 Polymer 0.029 20 15 Στο κεφάλαιο τέσσερα μελετώνται πλατφόρμες, ο οποίες παρουσιάζουν κάποιο ξεχωριστό ενδιαφέρον και γίνεται ανάλυση και παρουσίαση πολλών χαρακτηριστικών τους με κυριότερο την σχέση φάση και τάση. Επίσης κάποιες από αυτές αποτελούν το πραγματικό ισοδύναμο των μοντέλων που υλοποιήθηκαν με χρήση του εργαλείου προσομοιώσεων VPI photonics, που περιγράφεται στο επόμενο κεφάλαιο. Το κεφάλαιο πέντε αποτελεί πρώτα από όλα το εργαστηριακό σκέλος αυτής της διπλωματικής, κατά το οποίο συγκεκριμένοι διαμορφωτές υλοποιήθηκαν και προσομοιώθηκαν. Επιπλέον αποτελεί την πειραματική επιβεβαίωση του [9], διότι παρουσιάζεται ένας σε σειρά segmented MZM, ο οποίος λειτουργεί σαν οπτικός DAC. Σχεδιάσθηκε βάσει ένος πραγματικού silicon διαμορφωτή και όσων σχετικά με την αρχιτεκτονική του ορίζουν οι συγγραφείς στο [9] και όντως παράγει ένα τέλειο οπτικό σήμα. Επίσης παρουσιάζεται ένα υβριδικό μοντέλο διαμόρφωσης, το οποίο είναι ο συνδυασμός laser άμεσης διαμόρφωσης και ένος εξωτερικού EA διαμορφωτή. Όλα αυτά μπορούν να αποτελέσουν την αρχή για την υλοποίηση παράλληλων αρχιτεκτονικών σαν αυτές που περιγράφονται στο [10] , οι οποίες εν τέλη θα οδηγήσουν σε οπτικούς μετατροπής υψηλών μορφών διαμορφώσεων, οι οποίοι ωστόσο δεν θα χρειάζονται ηλεκτρικές γεννήτριες PAM. Γεγονός, το οποίο μειώνει την συνθετότατα του συστήματος, το απελευθερώνει από τους περιορισμούς των ηλεκτρονικών συσκευών και το κόστος αυτών. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/23411 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Photonic integrated circuits | |
| dc.subject | Optical digital to analog converters | |
| dc.subject | VPI photonics | |
| dc.subject.alternative | Ολοκληρωμένες φωτονικές διατάξεις | |
| dc.subject.alternative | Συστήματα οπτικών τηλεπικοινωνιών | |
| dc.title | Study of integrated photonic circuits for optical telecommunications | |
| dc.title.alternative | Μελέτη ολοκληρωμένων φωτονικών διατάξεων για συστήματα οπτικών τηλεπικοινωνιών |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- Study of Photonic Integrated Circuits for Optical Telecomunications Dimosthenis Stylios.pdf
- Size:
- 3.16 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
License bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- license.txt
- Size:
- 4.53 KB
- Format:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Description: