Πλασμονικές (DLSPP) διατάξεις ολοκληρωμένες σε πυρίτιο (Si) για οπτικά δίκτυα διασύνδεσης υπολογιστικών συστημάτων
Authors: Γιαννούλης Ιωάννης 
Published: September 2021

Στα πλαίσια των νέων αναγκών των διασυνδέσεων των υπολογιστικών συστημάτων υψηλών επιδόσεων για τεράστια χωρητικότητα διαύλων, χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση, υψηλή πυκνότητα ολοκλήρωσης, η αντικατάσταση των ηλεκτρικών διασυνδέσεων με οπτικές αποτελεί ήδη πρακτική λύση υιοθετώντας φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Ενώ η συμφόρηση της χωρητικότητας και η ενεργειακή κατανάλωση στις ηλεκτρικές διασυνδέσεις έχει προσεγγίσει τα όρια της τεχνολογίας για την επικοινωνία σε κλίμακα τσιπ, οι οπτικές τεχνολογίες περιορίζοντα από τον φυσικό φραγμό του ορίου περίθλασης μην επιτρέποντας στις φωτονικές δομές να αξιοποιήσουν τα πλεονεκτήματα τους σε μικρό μέγεθος. Οι πλασμονικές διασυνδέσεις καλύπτουν αυτό το κενό καθώς στέκονται ανάμεσα στις δύο τεχνολογίες και επιτρέπουν τη γεφύρωση των πλεονεκτημάτων της οπτικής τεχνολογίας σε διαστάσεις nm-κλίμακας που επιτρέπει η τεχνολογία των ηλεκτρονικών την ίδια στιγμή που υπόσχονται χαμηλές καταναλώσεις ισχύος για τις ενεργές λειτουργίες που απαιτεί το δίκτυο σε τσιπ. Το βασικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη, ο χαρακτηρισμός και η πειραματική επίδειξη της πλασμονικής τεχνολογίας (DLSPP) για την ανάπτυξη δομών μεταγωγής που θα εφοδιάσουν τα δίκτυα σε τσιπ, ικανά να προσφέρουν τεράστια χωρητικότητα, μικρό μέγεθος και χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, παρουσιάζεται ένα υβριδικό σχήμα ολοκληρωμένων δομών όπου ενεργές δομές DLSPP κυματοδηγών ετερο-ολοκληρώνονται σε παθητικές πλατφόρμες πυριτίου (SOI). H αξιοποίηση των συγκριτικών πλεονεκτημάτων των δύο τεχνολογιών υπαγορεύει τη χρήση της Si φωτονικής τεχνολογίας για τις παθητικές λειτουργίες της πλατφόρμας με χαμηλές απώλειες διάδοσης, χαμηλές απώλειες διασύνδεσης στο τσιπ και τη χρήση της DLSPP τεχνολογίας για τις ενεργές λειτουργίες της δομής όπου το μικρό μέγεθος και η ενεργειακή κατανάλωση παίζουν καθοριστικό ρόλο. Για το σκοπό αυτό παρουσιάζεται η επιτυχής λειτουργία του 2x2 πλασμονικού διακόπτη αξιοποιώντας τον θερμο-οπτικό μηχανισμό ελέγχου. Η επιλογή της παθητικής πλατφόρμας που θα φιλοξενήσει τις ενεργές πλασμονικές δομές βασίζεται στην ανάπτυξη SOI κυματοδηγών Rib-τύπου που χαρακτηρίζονται από χαμηλές απώλειες διάδοσης και προσφέρουν τη δυνατότητα για υλοποίηση δομών σύζευξης που διασφαλίζουν την επικοινωνία από/προς την ίνα και το τσιπ. Κατά την πορεία της μελέτης, σχεδιάστηκαν και αξιολογήθηκαν δύο διαφορετικές δομές κυματοδηγών οι οποίοι επιτρέπουν τη σύζευξη και την κυματοδήγηση του TM πολωτικού ρυθμού πάνω στο τσιπ. Πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μετρήσεις χαρακτηρισμού σε κατακόρυφο σταθμό εργασίας για δείγματα συζευκτών με διαφορετικές τιμές περιόδου με σκοπό τον προσδιορισμό των απωλειών σύζευξης των δομών και της απώλειας διάδοσης με χρήση πειραματικών τεχνικών (cutback method) και της φασματικής απόκρισης. Η ανάπτυξη DLSPP κυματοδηγών διερευνάται διεξοδικά καθώς παρουσιάζονται δομές πλασμονικών κυματοδηγών με διηλεκτρική λωρίδα από PMMA ετερο-ολοκληρωμένες σε SOI παθητική πλατφόρμα που έχει επιλεγεί στην πρώτη φάση της διατριβής. O σχεδιασμός και η πειραματική αξιολόγηση της Si-to-DLSPP διεπαφής παρουσιάζεται επιδεικνύοντας ικανοποιητικές τιμές απωλειών σύζευξης στο σημείο διεπαφής για τον TM πολωτικό ρυθμό από τους SOI κυματοδηγούς Rib-τύπου στον DLSPP κυματοδηγό. Οι απώλειες διάδοσης του πλασμονικού ρυθμού και οι επιδόσεις των κυματοδηγών μελετήθηκαν για τα δείγματα κυματοδηγών μεταβλητού μήκους στη μάσκα που αξιολογήθηκε πειραματικά στο σταθμό εργασίας. Η διάδοση σήματος πληροφορίας μέσα από τον DLSPP κυματοδηγό αξιολογήθηκε για σήματα πληροφορίας 10Gb/s με χρήση κωδικοποίησης τύπου NRZ με σκοπό τον προσδιορισμό της παραμόρφωσης στην ποιότητα του σήματος. Πείραμα μετάδοσης fs-κλίμακας παλμών στα 160Gb/s αξιοποιώντας την οπτική πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου (OTDM) παρουσιάζεται στη συνέχεια με χρήση παλμών με RZ κωδικοποίηση.Η εισαγωγή του σχήματος μεταγωγής με χρήση πλασμονικού απλού δακτυλίου (WRR) βασισμένο σε DLSPP κυματοδηγό μελετάται στη συνέχεια. Ο σχεδιασμός, η κατασκευή και ο στατικός πειραματικός χαρακτηρισμός της λειτουργίας του μικρο-δακτυλίου παρουσιάζεται μέσω μεγάλου αριθμού πειραματικών μετρήσεων. Ο ενεργός έλεγχος του διακόπτη από PMMA αξιοποιώντας τον θερμο-οπτικό μηχανισμό μελετάται διεξοδικά εστιάζοντας στις θερμικές παραμέτρους και την κατανάλωση ισχύος. Η αξιοποίηση πολυμερικών υλικών που εμφανίζουν υψηλότερες τιμές θερμο-οπτικού συντελεστή (TOC) για την επίτευξη χαμηλότερης κατανάλωσης ισχύος είναι το κίνητρο για τη χρήση του πολυμερούς Cyclomer για την επίδειξη διπλών δακτυλίων που ελέγχονται θερμο-οπτικά με σκοπό την υλοποίηση κυκλώματος μεταγωγής. Η μελέτη του ασύμμετρου συμβολομετρικού διακόπτη Mach-Zehnder (Α-ΜΖΙ) εισάγεται στη συνέχεια με σκοπό την αξιοποίηση του θερμο-οπτικού μηχανισμού ελέγχου για την επίτευξη της λειτουργίας μεταγωγής που υποστηρίζει τη λειτουργία WDM πολυπλεξία για αύξηση χωρητικότητας. Μεγάλος αριθμός πειραματικών μετρήσεων εστιάζει στον προσδιορισμό της στατικής και δυναμικής λειτουργίας του A-MZI διακόπτη εφοδιασμένου με το πολυμερές Cyclomer ενώ ταυτόχρονα μελετήθηκε η επίδραση της ετερο-ολοκλήρωσης πλασμονικών δομών στην ποιότητα της SOI πλατφόρμας. Η επίδοση του A-MZI διακόπτη σε περιβάλλον πραγματικής κίνησης δεδομένων μελετήθηκε μέσα από την επίδειξη μεταγωγής συνεχούς κίνησης δεδομένων στα 10Gb/s NRZ κωδικοποίησης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποτέλεσαν την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση ωφέλειας ως προς το αποτύπωμα μιας ενεργής πλασμονικής δομής που αποτελείται από υλικό με μεγάλο θερμο-οπτικό συντελεστή, έχοντας κατά συνέπεια θετικό αντίκτυπο στον παράγοντα αξιολόγησης που βασίζεται στην κατανάλωση ισχύος, το χρόνο απόκρισης και το ενεργό μήκος του διακόπτη.