Τεχνολογίες και αρχιτεκτονικές για υψίρρυθμες οπτικές μνήμες RAM τυχαίας προσπέλασης
Authors: Φίτσιος Δημήτριος 
Published: August 2021

Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής, αναπτύχθηκε για πρώτη φορά μια ενιαία θεωρητική ανάλυση που περιγράφει τη φασματική συνάρτηση μεταφοράς των δύο κυριότερων κατηγοριών κυκλωμάτων οπτικής μνήμης, που βασίζονται σε συζευγμένα μεταγωγικά στοιχεία ή σε μεταγωγικά στοιχεία και βρόχο ανάδρασης, λαμβάνοντας υπ’ όψη όλα τα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά τους. Η ανάλυση βασίζεται σε απλουστευμένες αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις της θεωρίας διαταραχών, καθιστώντας εφικτό τον προσδιορισμό των αρχιτεκτονικών παραμέτρων εκείνων που επιδρούν στην απόδοση και ποιοτική απόκριση των κυκλωμάτων οπτικής μνήμης. Έγινε ανάλυση της απόκρισης κυκλώματος μνήμης RAM συζευγμένων SOA-MZI, καθώς και κυκλώματος οπτικού Flip-Flop βασισμένου σε SOA-MZI και βρόχο ανάδρασης, ενώ έγινε ευθεία σύγκριση και αντιπαράθεση των δύο παραπάνω μεγάλων κατηγοριών αρχιτεκτονικών οπτικής μνήμης. Η ανάλυση που διενεργήθηκε κατέληξε σε οδηγίες εφαρμογής της εκάστοτε αρχιτεκτονικής ανά περίπτωση και σε προσδιορισμό της μέγιστης απόδοσης κάθε κυκλώματος ανά κατηγορία μετρικών για επίτευξης ταχυτήτων της τάξης των 40GHz. Ακολούθως, ως απάντηση στην ανάγκη για περιορισμό της κατανάλωσης ενέργειας και του μεγέθους των κυκλωμάτων οπτικής μνήμης RAM, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε πειραματικά κύκλωμα οπτικής μνήμης RAM που βασίζεται μόλις σε 3 οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού. Στη συγκεκριμένη διάταξη, αξιοποιήθηκε για πρώτη φορά η διάσταση του μήκους κύματος για μείωση του αριθμού των απαιτούμενων ενεργών στοιχείων και άρα άμεση μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και του συνολικού μεγέθους του κυκλώματος, μέσω εκμετάλλευσης της πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM). Φέρνοντας τα ολοκληρωμένα κυκλώματα οπτικής μνήμης RAM ένα βήμα πιο κοντά, διενεργήθηκε ο σχεδιασμός και η πειραματική ανάλυση ολοκληρωμένου chip σε πλατφόρμα πυριτίου-σε-μονωτή, που περιελάμβανε τις βασικότερες ενεργές και παθητικές διατάξεις για τη σύσταση λειτουργικών κυκλωμάτων οπτικής μνήμης RAM συμβατών με τεχνολογία ολοκλήρωσης CMOS. Οι ενεργές διατάξεις σχηματίστηκαν μετά από ενσωμάτωση συστοιχιών ενισχυτών SOA στην πλατφόρμα πυριτίου-σε-μονωτή με χρήση της τεχνικής θερμοσυγκόλλησης, έχοντας για πρώτη φορά και στις δύο πλευρές ευθυγραμμισμένους τους οπτικούς κυματοδηγούς του chip πυριτίου και ανοίγοντας το δρόμο για τη σύσταση πολύπλοκων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Σχηματίστηκαν λειτουργικά ολοκληρωμένα συμβολόμετρα SOA-MZI με επιτυχή λειτουργία μετατροπής μήκους κύματος στα 12.5 Gb/s. Στο τελικό μέρος της διατριβής περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής και πειραματικής ανάλυσης SOA που βασίστηκε στο ανθεκτικό στην αλλαγή θερμοκρασίας υλικό ημιαγωγού GaInNAs (dilute nitride). Ο κατασκευασθείς SOA που λειτουργεί στην περιοχή των 1.3μm, παρουσίασε εξαιρετικά υψηλό κέρδος, που άγγιξε τα 28dB, καθώς και χρόνους επαναφοράς φορέων κέρδους που έφταναν τα 100ps. Και οι δύο παραπάνω τιμές αποτελούν ρεκόρ απόδοσης για οπτικό ενισχυτή ημιαγωγού τεχνολογίας GaInNAs, ανοίγοντας το δρόμο για επιτυχή εφαρμογή σε κυκλώματα οπτικής μνήμης, ενώ η συσκευή λειτούργησε επιτυχώς ως μετατροπέας μήκους κύματος σε ταχύτητες έως και 10 Gb/s. Επιπλέον, η συσκευή επέδειξε εξαιρετική ανοχή στη λειτουργία υπό αυξημένη θερμοκρασία, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε δυνατότητα ολοκλήρωσης συστοιχιών της συσκευής σε πλατφόρμα SOI υψηλής πυκνότητας, αποκτώντας έτσι chip μειωμένου μεγέθους και με ικανότητα λειτουργίας στις συνθήκες αυξημένης θερμοκρασίας.