Πειραματικός Χαρακτηρισμός Ολοκληρωμένων Φωτονικών Κυκλωμάτων Πυριτίου
Creators: name: Σιδεράς, Γεώργιος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Οπτικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα
Φωτονική Πυριτίου
Πειραματικός Χαρακτηρισμός
Photonic Intergraded Circuits
Silicon Photonics
Experimental Characterization

description: Τα ολοκληρωμένα ϕωτονικά κυκλώματα (PIC) πυριτίου είναι ένας τύπος ϕωτονικής διάταξης που περιέχει πολλαπλές δομές ϕωτονικής σε ένα ενιαίο κύκλωμα ϐασισμένο στο πυρίτιο. Γίνονται όλο και πιο ευρέως διαδεδομένα λόγω του μικρού τους μεγέθους, αλλά και την ικανότητα μεταγωγής του οπτικού σήματος με ακρίβεια, ταχύτητα, λιγοστές απώλειες και χαμηλό ενεργειακό κόστος. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο ϕάσμα εφαρμογών, όπως είναι η τεχνητή νοημοσύνη με τη χρήση τσιπ που υλοποιούν νευρωνικά δίκτυα και η ϐιοϊατρική με τη χρήση τους ως ϐιοαισθητήρες. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται μια αναφορά σχετικά με τον χαρακτηρισμό του PIC, εστιάζοντας στις ιδιότητες που έχουν οι δομές που το αποτελούν. Επίσης, παρουσιάζεται η τεχνική που χρησιμοποιείται για την αυτοματοποιημένη διαδικασία μετρήσεων για την επίσπευση τους. Αναλυτικότερα, το ολοκληρωμένο ϕωτονικό κύκλωμα πυριτίου που χαρακτηρίστηκε αποτελείται από διαφορετικά είδη δομών. Για το κάθε είδος, υπάρχουν αρκετές δομές, οι οποίες έχουν ελαφρώς διαφορετικά χαρακτηριστικά. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι το σχήμα και οι διαστάσεις του κυματοδηγού, αλλά και συγκεκριμένα χαρακτηριστικά για το κάθε είδος δομής, όπως για παράδειγμα η ακτίνα της κάμψης του κυματοδηγού. Αφού έγινε η μέτρηση της ισχύος για το σύνολο των δομών, ακολούθησε η πειραματική ανάλυση των δεδομένων, η παρουσίαση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Αρχικά, έγινε χαρακτηρισμός των κυματοδηγών σε σχήμα σπείρας για διαφορετικά μήκη κυματοδηγών, και μελετήθηκε η απώλεια διάδοσης. ΄Υστερα, για τους κυματοδηγούς με σχήμα καμπύλης, υπολογίστηκε η απώλεια που προσδίδει η κάθε καμπύλη για διάφορες ακτίνες κάμψης. Στη συνέχεια, χαρακτηρίστηκε μια δομή που ονομάζεται συμβολόμετρο πολλαπλών τρόπων και παρουσιάστηκαν οι απώλειες που προσδίδει αλλά και το ποσοστό διαμοιρασμού που έχει, για ένα σύνολο από διαφορετικά χαρακτηριστικά και επιλέχθηκε η καλύτερη από αυτές. Τέλος, υπολογίστηκαν οι απώλειες και ο λόγος παρεμβολής που έχουν οι κυματοδηγοί με διασταυρώσεις για διάφορα χαρακτηριστικά και επιλέχθηκε πάλι αυτή με τα καλύτερα.
description: Silicon photonic integrated circuits (PICs) are a type of photonic layout which consists of multiple other devices in a single circuit based on silicon. They are becoming increasingly widespread due to the small footprint, but also the ability to transfer the optical signal with precision, fast speed, low loss and low energy cost. In addition, they are used in a wide range of applications like artificial intelligence in which the chip are used as a neural network or in the field of biomedicine with the use of the biosensors. his thesis presents the characterization of a PIC, focusing on the properties of the constituent structures. Also, the technique used for the automated measurement process is presented which makes efficient the procedure of measuring multiple structures on a single PIC. In more detail, the silicon photonic integrated circuit characterized consists of different types of structures. For each kind, there are several structures which have slightly different characteristics. These characteristics are the shape and dimensions of the waveguide, but also characteristics specific to each type of structure, such as for example the radius of the waveguide bend. After measuring the power of all the structures, the experimental analysis of the data was followed by the presentation and evaluation of the results. First, a characterization of the spiral-shaped waveguides was performed for different lengths and widths of waveguides, and the propagation loss was studied. Then, for the bend waveguides, the loss imparted by each bend was calculated for different bending radii. Next, a structure called a multi-mode interferometer was characterized and the loss it inserts and its splitting ratio were presented for a set of different characteristics and the best of them was chosen. Finally, the losses and the cross talk of waveguides crossing were calculated for a set of structures with different characteristics and the one with the best performance was pointed out.