Characterization of Photonic Integrated Circuits (PICs)
Creators: name: Ζέλτση, Αλεξάνδρα Θάνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Ολοκληρωμένα Φωτονικά Κυκλώματα
Χαρακτηρισμός
Διαμορφωτής Mach Zehnder
Photonic Integrated Circuits
Characterization
Mach Zehnder Modulator

description: The characterization of Photonic Integrated Circuits (PICs) plays a crucial role for device development and optimization for new technologies. Characterization enables truthful extraction of the device parameters, decreasing the development time and cost. The current work looks at the characterization of a Silicon (Si) Photonic transceiver with Mach-Zehnder Modulators (MZMs) and the development of automated processes going in with that goal. In the project, an introduction to Photonic Integrated Circuits (PICs) is first given. The devices of Mach-Zehnder Modulators (MZMs) are accordingly discussed in the second chapter. In particular, the processes of Optical and Electro-Optical (EO) phase modulation as well as Non-Return-to-Zero (NRZ) and Pulse Amplitude Modulation 4-level (PAM4) modulation are explained. The Thermo-Optic (TO) phase shifters’ working principle is additionally explained. In the third chapter, the Vector Network Analyzer (VNA) type of characterization and measurement is discussed. The need for Radio Frequency (RF) characterization of advanced devices is pointed out and the process for recording the information of the Scattering parameters (S-parameters) is presented. The fourth chapter includes the experimental results and their evaluation. First and foremost, the experimental setup is presented. The device characterization starts with the Direct Current (DC) characterization. Biasing the Mach Zehnder Modulator via a heater, the value of Vπ voltage and the modulation efficiency of the structure is found. The evaluation continues with the electro-electro (EE) and the electro-optical (EO) response of the MZI. The S-parameter curves are recorded for a wide range of reverse bias voltages to the modulator and reveal vital information for the working frequency range of the device. NRZ and PAM4 measurements are subsequently executed. NRZ eye diagrams from high-speed modulation and PAM4 eye diagrams for low data rate, gave information for the signal modulation and the digital transmission of the data.
description: Ο χαρακτηρισμός των Φωτονικών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο για την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση συσκευών για νέες τεχνολογίες. Ο χαρακτηρισμός επιτρέπει την αξιόπιστη εξαγωγή των παραμέτρων της συσκευής, μειώνοντας τον χρόνο ανάπτυξης και το κόστος. Η τρέχουσα εργασία εξετάζει τον χαρακτηρισμό ενός φωτονικού πομποδέκτη πυριτίου (Si) με διαμορφωτές Mach-Zehnder (MZM), καθώς και την ανάπτυξη αυτοματοποιημένων διαδικασιών που συνδράμουν στον χαρακτηρισμό. Στην παρούσα εργασία, γίνεται αρχικά μια εισαγωγή στα Φωτονικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα. Οι συσκευές των Mach-Zehnder Modulators (MZM) αναλύονται στο δεύτερο κεφάλαιο. Ειδικότερα, επεξηγούνται οι διαδικασίες διαμόρφωσης της φάσης του οπτικού και ηλεκτρο-οπτικού σήματος, καθώς και της διαμόρφωσης NRZ και PAM4. Επεξηγείται επιπρόσθετα η αρχή λειτουργίας των θερμο-οπτικών διαμορφωτών φάσης. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναλύεται ο τύπος χαρακτηρισμού και μέτρησης Vector Network Analyzer (VNA). Επισημαίνεται η ανάγκη χαρακτηρισμού προηγμένων συσκευών στο εύρος των ραδιοσυχνοτήτων (RF) και παρουσιάζεται η διαδικασία καταγραφής των πληροφοριών που προσφέρουν οι παράμετροι ανάκλασης (S-parameters). Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα πειραματικά αποτελέσματα και την αξιολόγησή τους. Αρχικά, παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη. Ο χαρακτηρισμός της συσκευής ξεκινά με τον χαρακτηρισμό μέσω συνεχούς ρεύματος (DC). Πολώνοντας τον διαμορφωτή Mach Zehnder μέσω ενός θερμο-οπτικού του στοιχείου, βρίσκεται η τιμή της τάσης Vπ και η απόδοση που προσφέρει η δομή. Η αξιολόγηση συνεχίζεται με την ηλεκτρο-ηλεκτρική (EE) και την ηλεκτρο-οπτική (EO) απόκριση του διαμορφωτή. Οι καμπύλες των S-παραμέτρων καταγράφονται για ένα ευρύ φάσμα τάσεων αντίστροφης πόλωσης στον διαμορφωτή και αποκαλύπτουν ζωτικής σημασίας πληροφορίες για το εύρος των συχνοτήτων λειτουργίας της συσκευής. Οι μετρήσεις NRZ και PAM4 εκτελούνται ακολούθως. Τα διαγράμματα «ματιού» NRZ από διαμόρφωση σε υψηλή ταχύτητα και PAM4 για χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, έδωσαν πληροφορίες για τη διαμόρφωση σήματος την ψηφιακή μετάδοση των δεδομένων.