System development of silicon photonics transceivers for future upgrades of high energy physics experiments at CERN
Authors: Προυσαλίδη Θεώνη 
Published: May 2024

Στις επόμενες δεκαετίες, διάφορες αναβαθμίσεις θα λάβουν χώρα στους ανιχνευτές και στα πειράματα του CERN. Η πρώτη από αυτές ονομάζεται high luminosity LHC, βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη και προβλέπει την λειτουργία των αναβαθμισμένων συστημάτων από το 2026. Ξεκινώντας από το τέλος της εποχής του HL-LHC, τα υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας και οι αυξημένοι ρυθμοί δεδομένων λόγω της αυξημένης φωτεινότητας του επιταχυντή θα επιβάλουν την ανάγκη για μια νέα γενιά οπτικών ζεύξεων, ικανών να αντέξουν τις ακραίες συνθήκες στους ανιχνευτές και να υποστηρίξουν τους ρυθμούς δεδομένων. Οι διαθέσιμοι σήμερα οπτικοί πομποδέκτες δεν θα είναι σε θέση να επιβιώσουν στις ενδότερες περιοχές ορισμένων ανιχνευτών λόγω της περιορισμένης ανθεκτικότητάς τους στην ακτινοβολία. Είναι εμφανές λοιπόν ότι μια νέα γενιά οπτικών ζεύξεων μεταφοράς δεδομένων θα απαιτηθεί για τις μελλοντικές αναβαθμίσεις των πειραμάτων στο CERN. Η τεχνολογία των φωτονικών συστημάτων πυριτίου (SiPh) έχει αναγνωριστεί ως ο τέλειος υποψήφιος για αυτή την αναβάθμιση, καθώς συνδυάζει όλα τα πλεονεκτήματα που απαιτούνται για μια τέτοια εφαρμογή. Τα τελευταία χρόνια το CERN έχει ενδιαφερθεί για την τεχνολογία SiPh για τον προαναφερθέντα λόγο. Μια εκτεταμένη προσπάθεια έχει λάβει χώρα στο πλαίσιο της ομάδας EP-ESE του CERN που επικεντρώνεται στη μοντελοποίηση και την ανάπτυξη πομποδεκτών SiPh για εφαρμογή σε πειράματα φυσικής υψηλών ενεργειών. Η προσπάθεια αυτή περιλαμβάνει την προσομοίωση, το σχεδιασμό και την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων SiPh για την ανάπτυξη των απαραίτητων δομικών στοιχείων που μπορούν να συνδυαστούν για την υλοποίηση πομποδεκτών SiPh ανθεκτικών στην ακτινοβολία. Ταυτόχρονα, μέρος αυτής της προσπάθειας αποτελεί και η δοκιμή και ο χαρακτηρισμός των δομών που σχεδιάστηκαν ως μέρος της διαδικασίας ανατροφοδότησης που απαιτείται για τη λήψη αποφάσεων σχεδιασμού, τεχνολογίας και αρχιτεκτονικής όσον αφορά το σύστημα-στόχο. Απαραίτητη πλευρά της ανάπτυξης οπτικών ζεύξεων με βάση τα SiPh για χρήση στο CERN είναι επίσης η εκτεταμένη μελέτη και επικύρωση της ανοχής στην ακτινοβολία των εξαρτημάτων και των κυκλωμάτων που αναπτύχθηκαν. Χωρίς αυτή τη μελέτη, η ενσωμάτωση των SiPh TRx δεν θα είναι δυνατή σε πειράματα του CERN. Στο πλαίσιο της συνεργασίας του CERN, έχουν σχεδιαστεί και χαρακτηριστεί διάφορα δοκιμαστικά τσιπ SiPh. Σχετικό με την παρούσα διατριβή είναι το δεύτερο τσιπ που σχεδιάστηκε στο CERN το 2019 και κατασκευάστηκε από το multi project wafer (MPW) της imec το 2020, δηλαδή το PICv2. Αυτό το δοκιμαστικό PIC περιλαμβάνει IP μπλοκ που σχεδιάστηκαν στο CERN ή διατέθηκαν από τις βιβλιοθήκες του fab, τα οποία συνδυάζονται για να σχηματίσουν δομές για επιδείξεις μετάδοσης δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, το PIC περιλαμβάνει διάφορες παραλλαγές διαμορφωτών δακτυλίου, διαμορφωτές Mach-Zehnder (MZMs), φωτοδιόδους Γερμανίου, οπτικούς πολυπλέκτες, συμβολόμετρα για μελέτες ανάκτησης πόλωσης, καθώς και ένα κύκλωμα WDM με τέσσερεις διαμορφωτές δακτυλίου συνδεδεμένους σειριακά. Αυτό το PIC χρησίμευσε καταρχάς ως όχημα δοκιμών για τον χαρακτηρισμό των επιμέρους στοιχείων, την υλοποίηση test ακτινοβολίας και τη σύγκριση των διαφόρων παραλλαγών των στοιχείων όσον αφορά την απόδοση και την ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία. Ταυτόχρονα, τα δομικά στοιχεία που είναι διαθέσιμα από το PIC μπόρεσαν να συνδυαστούν και να χρησιμοποιηθούν για τη συναρμολόγηση μιας πρώτης υλοποίησης πομπών και δεκτών, επιτρέποντας δοκιμές και χαρακτηρισμό υψηλότερου επιπέδου. Σε επίπεδο συστήματος, η ανάπτυξη και λειτουργία πομποδεκτών πυριτίου περιλαμβάνει πολλές προκλήσεις. Από την πλευρά του πομπού, μια πολύ σημαντική πρόκληση είναι η σταθεροποίηση του μήκους κύματος των διαμορφωτών δακτυλίου. Αυτό είναι απαραίτητο για να επιτευχθεί η σταθερή λειτουργία τους στο επιθυμητό μήκος κύματος λειτουργίας ανεξάρτητα από τις μεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών (π.χ. θερμοκρασία, μεταβολή του μήκους κύματος του εξωτερικού λέιζερ). Μια άλλη σημαντική πρόκληση είναι η διαχείριση της πόλωσης. Αυτό απαιτείται λόγω της μοναδικής αρχιτεκτονικής μιας τέτοιας ζεύξης που επιβάλλει την τοποθέτηση των οπτικών πηγών στο back-end, μακριά από τα SiPh PICs, και τη σύνδεσή τους με οπτικές ίνες που δεν διατηρούν την πόλωση. Το ίδιο πρόβλημα υπάρχει και στην πλευρά του δέκτη, δεδομένου ότι ο SiPh δέκτης θα συνδεθεί με τον BE πομπό μέσω οπτικών ινών. Ειδικά στην περίπτωση μιας υλοποίησης πολυπλεξίας μηκών κύματος, ολόκληρη η αρχιτεκτονική της ζεύξης, συμπεριλαμβανομένου του κυκλώματος SiPh, των laser και της διαχείρισης της πόλωσης και του θερμικού συντονισμού, γίνεται πιο πολύπλοκη και απαιτεί επιπλέον προσπάθεια και προκλήσεις προς αντιμετώπιση. Το αντικείμενο αυτής της διατριβής, που αντικατοπτρίζει επίσης την δουλειά που πραγματοποίησε η συγγραφέας τα τελευταία τρία χρόνια, αφορά στην ανάπτυξη ενός SiPh πομπού και δέκτη με βάση τα εξαρτήματα που παρέχονται από το PICv2. Αφορά επίσης την αντιμετώπιση των προκλήσεων που συνεπάγεται η ανάπτυξη ενός τέτοιου SiPh πομποδέκτη σε επίπεδο συστήματος. Αυτοί οι στόχοι στοχεύουν στην πρόοδο προς μια πρώτη υλοποίηση ενός SiPh πομποδέκτη για πειράματα φυσικής υψηλών ενεργειών.