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Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Eng. Elétrica e de Computação
Departamento de Comunicações
Alexandre Passos Freitas
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ESENVOLVIMENTO DE UM
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ODULADOR
DP-QPSK
EM
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OTÔNICA
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NTEGRADA
CAMPINAS
2014
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Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Eng. Elétrica e de Computação
Departamento de Comunicações
D
ESENVOLVIMENTO DE UM
M
ODULADOR
DP-QPSK
EM
F
OTÔNICA
I
NTEGRADA
Autor: Alexandre Passos Freitas
Orientador: Prof. Dr. Hugo Enrique Hernandez Figueroa
Co-orientador: Dr. Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Área de concentração: Telecomunicações e Telemática.
Este exemplar corresponde à versão final da dissertação defendida pelo aluno Alexandre Passos Freitas e orientada pelo Prof. Dr. Hugo Enrique Hernandez Figueroa.
_________________________________ Hugo Enrique Hernandez Figueroa
CAMPINAS
2014
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Resumo
O crescente aumento da demanda de tráfego de dados nos sistemas de comunicação ópticos, em conjunto com a busca da integração e miniaturização cada vez maior dos componentes, impulsionaram a fotônica integrada em silício como uma das tecnologias promissoras para a evolução das novas gerações de dispositivos ópticos. Esta tecnologia, além de possuir suas características de um alto contraste de índice de refração, capacidade de modulação óptica através de controle de temperatura ou por densidade de portadores, se utiliza da infraestrutura de fabricação para a indústria de microeletrônica já desenvolvida nas últimas décadas.
Neste cenário, este trabalho propõe o desenvolvimento de um modulador de fase fabricado com a tecnologia de fotônica integrada em silício, para o formato de modulação DP-QPSK, e que opere na banda C de comunicação óptica. Análises tanto de simulações quanto experimentais foram realizadas para a validação do fluxo de desenvolvimento do circuito e de cada componente utilizado individualmente.
Palavras-chave: Modulação digital, Fotônica integrada, Moduladores de luz, Grades de difração, Silício - Propriedades ópticas, Comunicações ópticas.
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Abstract
The increasing demand for data in optical communication systems with a constant search for reduction of device dimensions boosted silicon photonics as a candidate technology to the following optical device generations. Besides having high refractive index contrast, modulation capabilities through thermal or by carrier density control, this technology takes advantage of the microelectronic infra-structure developed in the last decades to fabricate small optical components with high reliability.
In this scenario, this dissertation proposes the design of a phase modulator in silicon photonic technology. This modulator is able to operate at C-band and make the DP-QPSK modulation. Simulation and experiment analysis were made to validate the design flow for the optical circuit and for each single component.
Keywords: Digital modulation, Integrated photonics, Light modulators, Diffraction gratings, Silicon - Properties optics, Optical communications.
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Sumário
1. Introdução ... 1
2. Materiais e Métodos de Modulação ... 4
2.1 Modulação ... 4 2.1.1 Modulação de Amplitude ... 4 2.1.2 Modulação de Fase ... 5 2.1.3 Modulador Mach-Zehnder... 5 2.1.4 Formato de Modulação DP-QPSK ... 7 2.2 Materiais ... 12 2.2.1 Niobato de Lítio ... 13 2.2.2 Fosfeto de Índio ... 13 2.2.3 Arseneto de Gálio ... 14 2.2.4 Polímeros ... 14 2.2.5 Cristais Orgânicos ... 15 2.2.6 Silício ... 15 3. Projeto ... 18
3.1 Etapas de desenvolvimento do chip em fotônica integrada ... 19
3.2 Processos de Fabricação ... 21
3.2.1 Litografia Óptica ... 21
3.2.2 Feixe de elétrons ... 22
3.2.3 Corrosão Seca ... 22
3.2.4 Corrosão com feixe de íons focalizado ... 22
3.3 Sistema de Caracterização ... 23
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3.4.1 Guias de onda Monomodo... 28
3.4.2 Grade de acoplamento ... 31
3.4.2.1 Equação de Difração ... 33
3.4.2.2 Parâmetros de uma Grade de acoplamento ... 35
3.4.2.3 Grade de Acoplamento com Foco 1-D ... 37
3.4.2.4 Grade de acoplamento de duas polarizações 2-D (Polarization Splitter Grating Coupler - PSGC) ... 38
3.4.3 Moduladores ... 40
3.4.3.1 Efeito Eletro-Óptico Linear... 41
3.4.3.2 Efeito Eletro-Óptico Quadrático ... 42
3.4.3.3 Efeito da Eletroabsorção ... 42
3.4.3.4 Efeito da Densidade de Portadores ... 42
4. Resultados ... 48 4.1 Layout do Chip ... 48 4.2 Grade de Acoplamento ... 49 4.2.1 Período ... 55 4.2.2 Duty-cycle ... 56 4.2.3 Profundidade da corrosão... 56
4.2.4 Espessura da casca e do BOX ... 57
4.2.5 Ângulo de incidência... 59 4.2.6 Posição da Fibra ... 59 4.2.7 Grade 2D ... 60 4.3 Pads e linhas de RF ... 67 4.4 Modulador de Silício ... 69 4.4.1 Análise DC ... 70 4.4.2 Análise AC ... 75
xiii 4.4.3 Transmissão Digital ... 79 4.4.3.1 Transmissão BPSK ... 81 4.4.3.2 Transmissão QPSK ... 83 4.4.3.3 Transmissão DP-QPSK ... 84 5. Conclusão ... 85
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Agradecimentos
Agradeço ao Prof. Dr. Hugo Enrique Hernandez Figueroa e ao Dr. Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira pela orientação, e por compartilhar seus conhecimentos para a realização deste trabalho.
À toda minha família pelo apoio e participação em meu desenvolvimento até este momento. Gratidão especial à minha mãe Marinilze e ao meu pai Eduardo que sempre torceram e deram suporte para que eu superasse todas as dificuldades enfrentadas, bem como à minha namorada Débora, pelo apoio, conselhos, e paciência nesta fase da minha vida.
Gostaria de agradecer também aos meus amigos de infância e de graduação, que de alguma forma contribuíram e me incentivaram em cada desafio superado. Aos colegas do CPqD por compartilharem seus conhecimentos e tempo ao longo do período deste trabalho. Em especial ao João Januário, Fellipe Grillo, Bernardo Kyotoku, Yesica Bustamante, Diogo Motta, Juliano Oliveira, Francisco Hélder, Uiara Moura, Getúlio Paiva, Luis Hecker, Julio Diniz, Glauco Simões, Flávio Borin, Hélio Godoy, Leandro Matiolli, Valentino Corso, Felipe Marques, Amauri Juriollo, Marcelo Lopes, Márcio Argentato, Bruno Angeli, Fernando Padela, Eduardo Magalhães, Ulysses Duarte.
Agradeço à UNICAMP/FEEC, ao CPqD e ao FUNTTEL pelo apoio estrutural e financeiro.
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Lista de Figuras
Figura 1: Evolução do sistema de comunição ... 2
Figura 2: Modulador Mach-Zehnder... 6
Figura 3: Ponto de operação do MZM: a) Curva de transmitância, tensão de operação BPSK (vermelho), tensão de operação OOK (verde), b) constelação OOK, c) constelação BPSK. ... 7 Figura 4: Constelação QPSK ... 8 Figura 5: DP-QPSK modelo 1 ... 9 Figura 6: DP-QPSK modelo 2 ... 9 Figura 7: DP-QPSK modelo 3 ... 10 Figura 8: QPSK modelo 1 ... 11
Figura 9: QPSK modelo 2 - MZM com tensões diferentes ... 11
Figura 10: modelo 2 - MMI responsável por gerar a defasagem de 90° entre os sinais .... 12
Figura 11: Estrutura dos moduladores de LiNbO3 a) MZM discreto b) Traveling-wave MZM ... 13
Figura 12: Diagrama de aparato para caracterização de chips fotônicos ... 24
Figura 13: (a) Montagem mecânica de Testes (b) Chip recebido ... 25
Figura 14: Vista superior do setup mecânico do sistema de caracterização ... 25
Figura 15: Vista superior da PCB ... 26
Figura 16: Vista lateral da PCB ... 26
Figura 17: Placa processadora ... 27
Figura 18: Propagação do feixe em um guia planar ... 28
Figura 19: análise de dispersão da seção transversal de um guia de onda strip com dimensões de 500nm x 220nm ... 30
Figura 20: modo fundamental do campo elétrico (a) campo transverso (|Ex|) (b) campo longitudinal (|Ez|) ... 30
Figura 21: Acoplamento de luz pela superfície do guia... 32
Figura 22: Geometria de uma grade de acoplamento 2-D ... 34
Figura 23: Detalhe dos parâmetros da grade de acoplamento ... 35
Figura 24: Grade de Acoplamento com foco ... 38
Figura 25: grade de polarização 2-D. Acima é utilizada como separador de polarização, enquanto que abaixo é utilizado como combinador de polarização. ... 39
Figura 26: Seção transversal do diodo polarizado diretamente ... 43
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Figura 28: Modulador em anel ... 46
Figura 29: Função de transferência do modulador em anel ... 46
Figura 30: Pontos de operação do modulador em anel ... 47
Figura 31: Esquemático do modulador DP-QPSK... 48
Figura 32: Layout do Chip enviado para fabricação ... 49
Figura 33: Relação do ângulo de incidência do modo e o período da grade. ... 51
Figura 34: Relação do ângulo do duty-cycle e o período da grade ... 51
Figura 35: Esquemático da simulação FDTD 2D - Grade de acoplamento 1D ... 52
Figura 36: Módulo do campo do sinal propagante normalizado no guia sendo desacoplado pela grade ... 53
Figura 37: Medida da diretividade para a grade de acoplamento 1D em função do período e da espessura do dente da grade ... 53
Figura 38: Medida da transmissão para a grade de acoplamento 1D em função do período e da espessura do dente da grade ... 54
Figura 39: Padrão do ângulo de incidência em função dos parâmetros de período e espessura do dente da grade ... 54
Figura 40: Influência do período da grade na transmissão da grade 1D ... 55
Figura 41: Influência do duty-cycle da grade na transmissão da grade 1D. ... 56
Figura 42: Influência da variação da profundidade da corrosão na transmissão da grade 1D... 57
Figura 43: Influência da espessura do BOX na transmissão da grade 1D ... 58
Figura 44: Influência da espessura da casca na transmissão da grade 1D ... 58
Figura 45: Resposta do ângulo da fibra na transmissão da grade 1D. Para cada ângulo foi feita uma varredura deslocando a posição da fibra para determinar o maior valor de acoplamento. ... 59
Figura 46: Influência do deslocamento da fibra na transmissão da grade 1D ... 60
Figura 47: Esquemático da simulação FDTD 3D - Grade de acoplamento 2D a) plano XY b) plano XZ ... 61
Figura 48: Campo Elétrico normalizado no plano da grade 2D ... 62
Figura 49: Resultado da simulação da grade 2D ... 63
Figura 50: dispositivo para teste a) perda de inserção b) PDL ... 64
Figura 51: Diagrama do teste com fibra polida ... 64
Figura 52: Comparação entre os resultados da perda de inserção da simulação e do experimento ... 65
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Figura 53: Resultado experimental da PDL na grade 2D ... 66
Figura 54: Dispositivos de teste dos pads de RF ... 67
Figura 55: Carta de Smith com a impedância característica dos pads ... 68
Figura 56: Transmissão do sinal de RF nos pads com deslocamento ... 68
Figura 57: (a) Estrutura do modulador (b) Modo fundamental óptico, |E| (c) Modo fundamental RF ... 69
Figura 58: (a) Concentração de lacunas para tensão aplicada 0V, (b) Concentração de elétrons para tensão aplicada 0V. ... 70
Figura 59: Seção transversal do um modulador de fase presente no modulador TWMZ .. 72
Figura 60: Simulação de Atraso de fase e atenuação em função da tensão para o modulador TWMZ ... 73
Figura 61: Simulação das perdas ópticas em função da tensão ... 74
Figura 62: Medida do Ponto de Operação do modulador ... 75
Figura 63: Distribuição de campo elétrico junto às flechas brancas que representam o campo magnético no modulador ... 75
Figura 64: Simulação da impedância característica do modulador ... 76
Figura 65: a) Impedância característica b) Reatância da linha de transmissão do modulador ... 77
Figura 66: Diagrama do posicionamento das pontas de prova para a análise de interferência entre as linhas de transmissão dos moduladores Mach-Zehnder ... 78
Figura 67: Análise da interferência entre as linhas de transmissão dos moduladores ... 79
Figura 68: Diagrama do experimento de transmissão digital a) Transmissor b) Receptor 80 Figura 69: a) Constelação e b) relação BER x OSNR para modulação BPSK 28 Gpbs.... 81
Figura 70: Diagrama de olho para modulação BPSK com modulação em apenas um braço do modulador ... 82
Figura 71: Constelação para modulação BPSK no enlace de ... 82
Figura 72: Diagrama de tensões no IQM ... 83
Figura 73: Constelação QPSk ... 83
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Lista de Tabelas
Tabela 1: Desempenho das grades de acoplamento publicadas na literatura ... 40 Tabela 2: Característica de alguns moduladores Mach-Zehnder em silício, sendo IL a perda de inserção, BW a largura de banda e ER a razão de extinção do modulador. ... 47 Tabela 3: Parâmetros de referência para as simulações das grades. ... 50
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Lista de Abreviaturas e Siglas
ADC Conversor analógico digital (Analog to digital converter) BER Taxa de erro de bit (Bit error rate)
BOX Óxido queimado (Buried Oxide)
BPM Método de feixe propagante (Beam propagation methode) BPSK Chaveamento binário de fase (Binary phase shift keying) CD Dispersão cromática (Chromatic dispersion)
CPW Linha de tira coplanar (Coplanar strip lines)
DP-QPSK Dupla polarização com chaveamento de fase e quadratura (Dual polarization quadrature phase shift keying)
DUV Ultravioleta profunda (Deep ultraviolet)
DWDM Multiplexação em comprimento de onda densa (Dense wavelength division multiplexing)
E-BEAM Feixe de eletróns (Electron beam)
EDFA Amplificador à fibra dopada com érbio (Erbium doped fiber amplifier) FDTD Diferença finita no domínio do tempo (Finite difference time domain) FEM Método de elementos finitos (Finite elements method)
FIB Feixe de íons focalizado (Focused ion beam) FP Fator de preenchimento (Duty-cycle)
GC Grade de acoplamento (Grating coupler)
GDD Dispersão por atraso de grupo (group delay dispersion) GDSII Sistema de dados grádico II (Graphic Data System II)
GVD Dispersão por velocidade de grupo (Group velocity dispersion) IME Institute of Micro-electronics
IQM Modulador fase-quadratura (In-phase and quadrature modulator) LT Linha de transmissão
MMI Acoplador de interferência multimodo (Multimode interference coupler) MOS Metal oxido semicondutor(Metal oxide semiconductor)
MPW Projeto multi-usuários (Multi-project wafer)
MZM Modulador do tipo Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator) OIF Fórum de Interconexões Ópticas (Optical Internetworking Forum)
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OOK "Chaveamento liga-desliga" (On-off keying)
OSNR Relação sinal ruído óptica (Optical signal-to-noise ratio)
PBC Combinador polarizante de feixes (Polarization beam combiner) PBS Divisor polarizante de feixes (Polarization beam splitter)
PDL Perda dependente da polarização (Polarization dependent loss) PIC Circuito fotônico integrado (Photonic Integrated Circuit)
PML Camada perfeitamente casada (Perfectly matched layer)
PSGC Grade de acoplamento com divisão de polarização (Polarization splitter grating coupler)
QPSK Chaveamento de fase e quadratura (Quadrature phase shift keying) RF Rádio Frequência
RIE Corrosão reativa de íon (Reactive ion etching) SMF Fibra monomodo (Single mode fiber)
SOA Amplificador óptico à semicondutor (Semiconductor optical amplifier) SOI Silício sobre isolante (Silicon on insulator)
SPI Interface periférica serial (Serial Peripheral Interface) TE Transverso Elétrico
TM Transverso Magnético
TWMZ Modulador Zehnder de onda viajante (Traveling-wave Mach-Zehnder)
VNA Analisador de rede (Vector Network Analyzer)
WDM Multiplexação em comprimento de onda (Wavelength division multiplexing)
1
1. Introdução
A combinação do crescente aumento dos serviços multimídias na internet, como por exemplo, jogos online, vídeos, e entretenimento interativo, juntamente ao aumento do número de usuários com acesso à banda larga elevaram o tráfego da rede e consequentemente uma demanda crescente de banda. Isso implica na elevação do custo do transporte da informação em uma rede de comunicação óptica, podendo torná-la inviável. Para que o custo seja reduzido é necessário aumentar a capacidade de transmissão do canal de tal forma que o retorno do investimento seja maior do que o da tecnologia vigente. Esta abordagem ocorre desde o começo das comunicações ópticas. Os amplificadores ópticos de fibra dopada com Érbio (Erbium doped fiber amplifier - EDFA), por exemplo, foram de fundamental importância para a redução do custo de transmissão da informação por meio de fibra óptica. E, combinado com a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (Wavelength Division Multiplex - WDM), foi possível, durante a década de 90, eliminar um grande número de conversores eletro ópticos dos enlaces ópticos, uma vez que com o WDM foi possível inserir mais de um canal na fibra além de poder amplificá-los simultaneamente com os EDFAs.
Outras tecnologias que são empregadas para redução dos custos são os formatos avançados de modulação e a detecção coerente, pois podem utilizar a infraestrutura de fibras ópticas, amplificadores e filtros já instalados, necessitando apenas alterações nas extremidades dos enlaces ópticos. Estas tecnologias podem atingir uma alta eficiência espectral, porém, com uma maior complexidade dos dispositivos utilizados, aumentando os custos individuais e as dimensões dos dispositivos. Por isso, existe um compromisso entre o custo individual de cada componente e o quanto que este afeta no custo do sistema instalado por um todo.
No início das transmissões ópticas, a modulação utilizada nos sinais era a modulação de amplitude conhecida como on-off-keying (OOK). Contudo, no início dos anos 2000, formatos de modulação baseados na mudança de fase, como por exemplo, o binary phase shift keying (BPSK) e o quadrature phase shift keying (QPSK) foram empregados nas redes de para aumentar o desempenho
2
do sistema [1]. Porém, para transmissões em taxas de , técnicas adicionais seriam necessárias, como a utilização de diversidade polarização para a transmissão do sinal, por exemplo, dual polarization quadrature phase shift keying (DP-QPSK) [2]. A Figura 1 ilustra a evolução da capacidade de transmissão dos sistemas de comunicação ópticos em função dos diferentes formatos de modulação.
Figura 1: Evolução do sistema de comunição
Pela figura acima é possível observar que existe um conjunto de três fatores que influenciam à taxa de transmissão de dados em sistemas ópticos, o número de portadoras, o formato de modulação e a taxa de transmissão de símbolo (Baud rate). O fator limitante para o aumento do número de portadoras é
3
a existência de uma grade já definida de canais espaçados por comprimento de onda. Já para o caso do aumento do número de símbolos da constelação no eixo do formato de modulação, o principal fator limitante é a relação-sinal-ruído entre os símbolos, já que o aumento da proximidade dos símbolos requer uma maior sensibilidade dos receptores. Para o último eixo, o da taxa de transmissão de símbolos, o fator limitante é a velocidade de transição no domínio elétrico. Uma vez que as taxas para os sinais de RF não acompanharam a evolução da demanda de transmissão, há a necessidade da utilização de circuitos ópticos cada vez mais complexos no plano entre o formato de modulação e o número de portadoras.
Os circuitos fotônicos integrados (Photonic Integrated Circuits - PIC) em silício, quando comparados com os dispositivos discretos existentes no mercado, são uma solução para a miniaturização, redução do consumo de potência, e principalmente redução no custo dos dispositivos quando fabricados em larga escala. É possível a miniaturização dos dispositivos uma vez que há um alto contraste no índice de refração entre o silício e a sílica. Já a redução no custo de fabricação se dá devido à utilização das foundries que já desenvolveram processos de fabricação de chips para a indústria eletrônica [3], pois já consumiram tempo e investimento para o desenvolvimento de um processo de fabricação maduro e com alta confiabilidade.
O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de um modulador DP-QPSK que opere em comprimentos de onda de até , ou seja, toda a banda C de uma rede óptica com multiplexação em comprimento de onda densa (Dense wavelength division multiplexing – DWDM), sendo este dispositivo fabricado em um chip de silício sobre isolante (silicon on insulator - SOI). Para isso, este trabalho esta estruturado em cinco capítulos, sendo: Capítulo 1 a introdução; Capítulo 2 os materiais e métodos de modulação; Capítulo 3 o projeto, introduzindo um fluxo de desenvolvimento de chips fotônicos, com as características dos componentes envolvidos no projeto; Capítulo 4 os resultados obtidos nos ambientes de simulação e experimental; e por fim o Capítulo 5 com as conclusões deste trabalho.
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2. Materiais e Métodos de Modulação
2.1 Modulação
A comunicação digital possui um alfabeto discreto de palavras capazes de serem transmitidas através de um meio, e serem traduzidas no receptor. Possui a vantagem de ser mais imune ao ruído quando comparada com a comunicação analógica. A comunicação digital é feita de diferentes maneiras desde o início da história da humanidade, sendo a comunicação por sinais de fumaça um exemplo. A presença ou ausência de fumaça se caracteriza pelos estados ativado ou desativado da palavra (como um sinal binário), enquanto que o canal de transmissão seria o ar no qual a imagem se propaga. No caso das comunicações ópticas, este meio é a fibra óptica.
Existem diferentes formatos de modulação aplicados em sinais ópticos para que seja realizada a comunicação digital, diferindo entre si pela complexidade, custo de desenvolvimento e implantação nos sistemas de comunicação. Os moduladores ópticos são dispositivos responsáveis por formatar o sinal óptico para que seja transmitido na modulação desejada. A seguir há uma breve descrição de alguns formatos de modulação utilizados nos sistemas de comunicação ópticas [4].
2.1.1 Modulação de Amplitude
A forma mais simples de se modular um sinal é por meio da variação de amplitude do mesmo. Logo, com a ausência ou presença de sinal pode-se representar um bit em estado 0 ou 1 por exemplo. Caso necessite de mais estados é possível discretizar ainda mais a faixa de potência do sinal, em valores intermediários entre o mínimo e o máximo de potência, porém, neste caso, a razão de extinção seria menor já que a distância entre os estados é reduzida.
A modulação de amplitude pode ser realizada através da modulação direta da potência do laser, variando a intensidade de corrente no laser. Este tipo de
5
modulação foi amplamente utilizado em sistemas com modulação liga-desliga (on-off keying - OOK). A principal desvantagem da modulação direta do laser é que a influência do gorjeio (chirp) passa a ser significativa em sistemas de longas distâncias com altas taxas, ou acima.
Outra maneira de realizar a modulação de amplitude é utilizando materiais capazes de absorver a luz, atenuando a potência do sinal, dependendo do campo elétrico aplicado, como por exemplo, materiais semicondutores. E efeito conhecido como Franz-Keldysh gera esta alteração de absorção óptica em função de um campo elétrico aplicado [4].
2.1.2 Modulação de Fase
Outra maneira de codificar a informação por meio de uma onda eletromagnética é através do controle da fase da onda. A fase de um sinal óptico é função do comprimento do guia fotônico, do índice de refração e do comprimento de onda. Assim, no caso de um material que possua um índice de refração em função de uma tensão de controle, é possível realizar a modulação de fase, sendo este o caso de guias de onda de niobato de lítio, ou de silício com junção por exemplo.
2.1.3 Modulador Mach-Zehnder
Utilizando moduladores de fase com o princípio de interferência é possível realizar modulação de intensidade. O dispositivo que utiliza este fenômeno é o modulador Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator - MZM) [4] ilustrado na Figura 2.
6
Figura 2: Modulador Mach-Zehnder
Cada braço do modulador é controlado por uma tensão aplicada em um eletrodo distinto. Assim, a luz na entrada é dividida igualmente em dois guias de onda que podem sofrer variações de fase independentes. Em seguida, a luz é combinada novamente podendo sofrer interferência construtiva ou destrutiva dependendo das tensões aplicadas. O modulador apresenta uma tensão a qual é definida como a tensão que gera um atraso de fase de radianos. A partir disso, e considerando a aplicação de tensão em apenas um eletrodo, é possível modelar a resposta do modulador seguindo a equação abaixo:
(1)
Sendo igual à soma do sinal elétrico aplicado ( ) com o sinal
modulante ( ). Dependendo dos valores de e de pode-se modular a
luz de forma a obter uma modulação de amplitude ou de fase como é mostrado na Figura 3.
7
Figura 3: Ponto de operação do MZM: a) Curva de transmitância, tensão de operação BPSK (vermelho), tensão de operação OOK (verde), b) constelação OOK, c) constelação BPSK.
Devido à flexibilidade de ajuste de ponto de operação juntamente a outras características como razão de extinção e linearidade, faz dos MZMs um dos dispositivos mais utilizados para realizar modulações ópticas. Esses modulares ainda são empregados em formatos de modulação mais complexos como, por exemplo, o modulador de fase-quadratura (in-phase and quadrature modulator - IQM) [4].
2.1.4 Formato de Modulação DP-QPSK
No caso da transmissão de informação digital de bits 0 e 1, é necessário apenas a transição entre duas fases, e, para que seja um sistema robusto, as duas fases devem estar separadas o máximo possível, neste caso . Esta é a forma mais simples de modulação de fase conhecida como binary phase shift keying (BPSK).
8
No caso de uma onda divida com metade da potência passando por dois caminhos ópticos, com uma diferença de fase de 90°, ao final quando os dois sinais são recombinados é possível representar quatro símbolos, cada um deles com dois bits. Esta é a técnica conhecida como quadrature phase-shift keying (QPSK) cuja constelação é apresentada na Figura 4.
Figura 4: Constelação QPSK
Combinando-se dois sinais modulados com o formato QPSK e com polarizações ortogonais, surge o formato de modulação dual-polarization quadrature phase-shift keying (DP-QPSK). O formato de modulação DP-QPSK foi eleito o padrão pela Optical Internetworking Forum (OIF) para o sistema de comunição óptica . Existem diferentes possibilidades de circuitos ópticos capazes de atuarem como moduladores DP-QPSK. Observe na figura seguinte os modelos [4].
DP-QPSK modelo 1: neste esquema (Figura 5), o sinal deve ser acoplado com um acoplador lateral (edge coupler), em seguida é dividido em dois caminhos. Neste caso cada um dos moduladores QPSK é otimizado para operar em uma das polarizações.
9 QPSK TE Acoplador Lateral Acoplador Lateral Combinador de Polarização Divisor de Polarização QPSK TM Figura 5: DP-QPSK modelo 1
DP-QPSK modelo 2: neste segundo modelo (Figura 6) apenas a polarização TE é acoplada (acoplador lateral). Isso indica que somente o MZM projetado para operar nesta polarização é necessário. Neste circuito, o sinal, que é dividido para dois braços, é modulado por um modulador QPSK, porém antes de se recombinarem, a luz, em um dos braços, sofre a ação de um rotor de polarização. QPSK TE QPSK TE Divisor Y ou Acoplador Direcional Acoplador Lateral Acoplador Lateral Rotor de Polarização Combinador de Polarização Figura 6: DP-QPSK modelo 2
DP-QPSK modelo 3: na terceira forma (Figura 7), o rotor de polarização, o combinador de polarização e o acoplador lateral são substituídos por uma grade de acoplamento com divisão de polarização (polarization splitter grating coupler - PSGC), a qual possui a característica de acoplar ortogonalmente a luz que percorre os guias com as mesmas polarizações.
10 QPSK TE QPSK TE Acoplador Lateral Grade de acoplamento com divisão de polarização (PSGC) Divisor Y ou Acoplador Direcional Figura 7: DP-QPSK modelo 3
Além destas três configurações de circuitos para a construção de um modulador DP-QPSK, ainda é possível realizar alterações nos moduladores QPSK. Abaixo, seguem alguns modelos de moduladores QPSK sugeridos.
QPSK - modelo 1: O modulador QPSK pode ser feito com apenas um MZM (Figura 8), para isso deve-se inserir cada sinal elétrico à ser transmitido em um dos braços do modulador. Existem diferentes formas para que a diferença de fase entre os braços do modulador seja de . A primeira alternativa é através da criação de um MZM com tamanhos de braços diferentes, assim, um sinal percorrerá uma distância maior que o outro, gerando a diferença de fase. Esta alternativa pode não ser a melhor solução para dispositivos que operam em uma banda relativamente larga, como no caso da banda óptica de comunicação. Isso porque uma diferença fixa de comprimento do guia gerará uma diferença de fase que é função do comprimento de onda, ou seja, para cada canal da banda o resultado será uma diferença de fase diferente.
A segunda alternativa para gerar a mudança de fase é através da aplicação de tensões diferentes em cada braço, assim, o índice de refração será diferente em cada um dos braços, alterando a velocidade de propagação da luz e consequentemente acontece a defasagem entre os sinais. No caso de moduladores fabricados em silício, esta alternativa gera um aumento na tensão necessária para a mudança de fase ( ), diminuindo a eficiência de modulação do dispositivo.
11
A terceira alternativa para gerar esta diferença de fase é através de moduladores térmicos presentes em cada braço do modulador Mach-Zehnder. Esta abordagem evita o aumento do e é capaz de sintonizar o modulador para o ponto de operação desejado.
Guia de onda MZM
Guia de onda
Figura 8: QPSK modelo 1
QPSK - modelo 2: Outra maneira de se construir um modulador QPSK é através de um IQM, utilizando dois MZM defasados de trabalhando de forma independente, ou seja, cada sinal a ser transmitido modula um MZM. Os braços do modulador são regulados com sinais diferenciais. Assim, cada MZM opera como se fosse um modulador BPSK. Logo, quando há a combinação dos sinais dos dois MZMs, a constelação mostrada na Figura 4 é obtida, devido à defasagem entre os dois sinais.
A diferença de fase pode ser feita da mesma forma como citada para o modelo 1 do modulador QPSK, por meio da aplicação de temperaturas, tensões ou caminhos com tamanhos diferentes. Este modelo é apresentado na Figura 9. . MZM Guia de onda Divisor Y ou Acoplador Direcional MZM Guia de onda Divisor Y ou Acoplador Direcional
Figura 9: QPSK modelo 2 - MZM com tensões diferentes
Um segundo método para gerar a diferença de fase entre os MZM é por meio de um dispositivo conhecido como acoplador de interferência multimodo
12
(multimode interference coupler - MMI). Além de implementar a diferença desejada ainda pode reduzir as perdas de acoplamento geradas por um divisor Y. Esta configuração é mostrada na Figura 10.
. MZM Guia de onda Divisor Y ou Acoplador Direcional MZM
Guia de onda MMI
Figura 10: modelo 2 - MMI responsável por gerar a defasagem de 90° entre os sinais
Para este projeto foi escolhido o conjunto com o modelo número 3 do modulador DP-QPSK, e o modelo 2 do modulador QPSK. Este conjunto visa à redução do tempo de desenvolvimento do projeto, uma vez que a maioria dos componentes já estava presente na biblioteca de componentes da foundry. Logo, neste caso seria necessário o desenvolvimento da grade de acoplamento com divisão de polarização, para que o projeto possuísse todos os componentes necessários.
2.2 Materiais
Para usufruir dos efeitos de modulação de amplitude e de fase no desenvolvimento de moduladores, diferentes materiais foram utilizados em esquemas de estruturas diversificadas. Os materiais mais comuns utilizados nos moduladores são: niobato de lítio (LiNbO3), fosfeto de índio (InP), arseneto de
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2.2.1 Niobato de Lítio
Moduladores de niobato de lítio (LiNbO3) são amplamente usados nos
sistemas de comunicação óptica. Os primeiros moduladores feitos com este material começaram a ser produzidos ainda na década de 60 [5]. Devido ao seu alto coeficiente eletro óptico em um dos seus eixos, a modulação da luz por meio de sinais elétricos é direta, porém é dependente da polarização. Esses moduladores de fase feitos com este material possuem uma estrutura semelhante aos mostrados em silício, como apresentado na Figura 11.
Figura 11: Estrutura dos moduladores de LiNbO3 a) MZM discreto b) Traveling-wave MZM
2.2.2 Fosfeto de Índio
Fosteto de índio (InP) é um semicondutor capaz de propagar luz na faixa da banda de comunicação óptica. O contraste de índice de refração entre o guia e a casca é menor que o do silício com o dióxido de silício, o que dificulta a miniaturização dos componentes ópticos com a mesma eficiência do silício, apesar de poder criar os mesmos componentes passivos. Contudo, com este material é possível criar componentes ativos, como por exemplo, lasers e amplificadores ópticos semicondutores (semiconductor optical amplifier - SOA) [5]
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2.2.3 Arseneto de Gálio
Arseneto de gálio (GaAs) é um semicondutor III-V originalmente utilizado em circuitos integrados aeroespaciais, uma vez que é insensível à temperatura, devido ao bandgap elevado. Por possuir um bandgap direto, este material é capaz de gerar meios de ganho, por sua vez, desenvolver lasers e amplificadores com custos de material e processo mais baixos, quando comparados com InP [5]. Ainda, GaAs tendem a ter menos ruído, podendo trabalhar com frequências de operações maiores que componentes fabricados em silício.
Este material não possui um óxido natural para ser isolante como o SiO2,
como no caso do silício. Para realizar o confinamento, é produzido uma heteroestrutura com alumínio GaAs/AlGaAs, que possui um índice de refração inferior ao GaAs. Contudo, este contraste entre os dois meios não é muito grande quanto no silício.
2.2.4 Polímeros
Componentes feitos com base em polímeros podem alcançar um alto coeficiente eletro-óptico por meio de manipulação química, e potencialmente integrar este dispositivo em circuitos optoeletrônicos mais complexos. Existem diversos tipos de polímeros que possuem efeitos eletro-ópticos como, por exemplo, policarbonetos e poliamidas [5]. A principal dificuldade em dispositivos feitos por este tipo de material é relacionada à instabilidade com o passar do tempo. Esta instabilidade pode ser dada por fotoinstabilidade após um longo período de exposição à luz, instabilidade devido à temperatura, e à perda óptica por erros na fabricação [5].
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2.2.5 Cristais Orgânicos
Cristais orgânicos, como grafeno, exibem não linearidades de segunda ordem, sendo uma alternativa para a modulação óptica ao invés de niobato de lítio, e semicondutores III-V. Considerando a resposta do material, cristais orgânicos oferecem vantagem similar aos polímeros, como por exemplo, o casamento das velocidades da onda óptica e da onda de rádio frequência, sendo promissor para modulações em frequências de até . Por outro lado, o processo de fabricação dos cristais orgânicos para guias de onda precisa de abordagens diferentes em relação aos polímeros e aos outros materiais inorgânicos [5].
2.2.6 Silício
Silício é um dos semicondutores mais estudados. Devido à sua estrutura cristalina, possui propriedades ópticas definidas pela estrutura do cristal e pelo bandgap indireto de , responsável pela absorção óptica de comprimentos de onda inferiores à . A fim de fabricar componentes ativos, é necessário o uso de dopantes para a criação de regiões tipo n e tipo p. A concentração de portadores influencia o índice de refração e o coeficiente de absorção. A variação da absorção com relação à concentração de portadores é apresentada na equação abaixo [6]:
(2)
Sendo o valor da carga elétrica, é a velocidade da luz no vácuo, a mobilidade do elétron, a mobilidade da lacuna, e a massa efetiva de
elétrons e de lacunas respectivamente, é a concentração de elétrons, a concentração de lacunas, é a permissividade no vácuo e o comprimento de onda no vácuo. Soref e Bennett [6] compararam a teoria com dados
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experimentais, indicando uma discrepância. A partir disso, produziram equações baseadas nos resultados experimentais para comprimentos de onda de e .
Para :
(3)
Para :
(4)
Sendo é a variação da absorção devido aos elétrons, é a variação da absorção devido às lacunas, a concentração de elétrons livres e a concentração de lacunas livres.
O efeito termo óptico no silício acontece devido à dependência do índice de refração deste material em função da temperatura. Para um comprimento de onda de em um guia de silício o coeficiente termo óptico é dado por: [5]
(5)
Embora o efeito termo óptico seja eficiente, em relação à variação do índice de refração, trata-se de uma modulação lenta e consequentemente não é utilizado para modulação em altas taxas.
No silício, o índice de refração ainda pode ser alterado por meio da mudança de concentração de portadores livres [6]
(6)
A variação do índice de refração também foi estudada experimentalmente por Soref, que obteve as seguintes equações:
17 Para :
(7)
Para :
(8)
Sendo e a variação do índice de refração devido à concentração de elétrons livres e à de lacunas livres, respectivamente.
Com o conhecimento das principais características dos materiais e um objetivo claro do que se deseja obter é possível iniciar o projeto prospectando as foundries disponíveis, a fim de analisar a viabilidade de fabricação em cada uma delas, levando em consideração as principais limitações de fabricação.
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3. Projeto
As tecnologias de CMOS utilizam a mesma infraestrutura necessária para fabricação de circuitos integrados eletrônicos, e podem compartilhar custo de operação com sua produção, incluindo além de equipamentos, a manutenção destes. Tais características aumentam o número de fábricas disponíveis, o que aumenta a competitividade, refletindo na qualidade dos processos e no custo de fabricação dos circuitos. No entanto, dimensões básicas dos componentes, em particular suas espessuras, são diferentes o suficiente para impossibilitar o uso do mesmo processo usado em circuitos integrados eletrônicos para fabricação de circuitos integrados fotônicos. Por exemplo, em circuitos integrados eletrônicos existe uma camada de sílica em baixo dos transistores, essa camada possui em alguns casos de espessura. Em circuitos integrados fotônicos, a mesma camada deve ser maior para evitar perda de potência óptica devido ao acoplamento de luz no substrato. Essa diferença torna necessário o redesenvolvimento do processo de fabricação que custa na ordem de dezenas a centenas de milhões de reais.
Diversas foundries operam num processo de compartilhamento de recursos físicos, manutenção de equipamentos, e administrativos. Nessas foundries, funcionários das empresas contratantes operam os equipamentos de fabricação. Nessa forma de operação, a contratante tem a maior flexibilidade, podendo definir todos os aspectos da fabricação Este desenvolvimento do processo de fabricação consome tempo e recursos. Logo, o custo dessa opção é muito alto, atingindo algumas dezenas de milhões de reais anualmente.
Nesse modelo de negócio, uma empresa, muitas vezes a própria foundry, desenvolve um processo de fabricação, e oferece o serviço de fabricação do layout de circuitos para terceiros. Nesse modo, os custos do desenvolvimento do processo e dos funcionários que realizam a fabricação são compartilhados, mitigando o custo de fabricação que chega à ordem de milhões de reais. No entanto, como o processo de fabricação já foi definido anteriormente, o projeto dos componentes é menos flexível.
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Na etapa inicial da fabricação é necessária a confecção de matrizes (denominadas máscaras) para produção final do chip. No entanto, essas máscaras representam um custo significativo no processo de fabricação, tornando muitas vezes inviável a fabricação das mesmas em áreas muito pequenas. Assim, geralmente as máscaras são fabricadas nas dimensões da bolacha (wafer) de silício, para aproveitar o máximo possível de área útil do wafer. Contudo, esta área geralmente é muito maior que a necessidade da maioria dos projetos, uma vez que os dispositivos ópticos fabricados em silício possuem um fator de miniaturização alto.
A fim de dividir os custos de produção, entidades intermediárias agrupam vários projetos para compartilhar a mesma máscara, num modelo chamado de projeto multi-usuários (multi-project wafer MPW). Em geral as operadoras de MPW abrem as chamadas para fabricação em média de três ou quatro vezes durante o ano e o prazo para entrega do chip fabricado é de quatro à seis meses.
A primeira escolha para início do projeto do circuito integrado fotônico foi da foundry, e a escolhida foi o Institute of Micro-electronics (IME), Singapura. Sua contratação, no entanto, foi por intermédio da operadora de MPW OpSIS, devido a maturidade do processo, pois a OpSIS foi a única a oferecer uma plataforma contendo moduladores Mach-Zehnder, e detectores nas taxas requeridas. Operacionalmente o kit de desenvolvimento [7] contém a documentação descrevendo o processo de fabricação em conjunto com a biblioteca de componentes no formato do Sistema de Dados Gráfico II (Graphic Data System II - GDSII), que é o formato padrão de arquivo utilizado pelas foundries contendo as informações geométricas de cada uma das camadas utilizadas no processo de fabricação.
3.1 Etapas de desenvolvimento do chip em fotônica integrada
O processo de desenvolvimento de um circuito fotônico é longo, complexo, e pode envolver diversas etapas. Os passos a serem tomados e a ordem dos
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mesmos dependem intimamente do projeto, porém podem-se mencionar quatro etapas como regra geral (especificação, simulação, Layout, e caracterização).
Especificação e análise: Como primeira etapa deve-se realizar uma análise e especificação do projeto. Neste momento é necessário detalhar a aplicação, as funcionalidades do circuito a ser desenvolvido, e a determinação do processo de fabricação desejado para que atenda aos requisitos definidos.
Simulação: Terminada a especificação, devem ser feitas diversas simulações computacionais, tanto de cada componente do circuito óptico como do circuito fotônico completo. O objetivo da simulação é prever e validar o comportamento do dispositivo empregado ou projetado. Caso os resultados obtidos não sejam condizentes com o esperado, é necessário alterar as características elétricas, ópticas ou geométricas do dispositivo ou até mesmo, alterar o dispositivo.
Layout: Por fim, é feito o layout do circuito. Nesta etapa é feita a geração dos arquivos GDSII, que contêm todas as informações necessárias para a fabricação do dispositivo. O arquivo é validado por um software específico, que verifica se este atende aos requisitos de fabricação da foundry. Terminado este passo, o arquivo é encaminhado à foundry e o chip é fabricado.
Caracterização: após a entrega do chip, são realizadas diversas medidas e testes experimentais, verificando se o comportamento desejado é atendido.
Para a definição da foundry ideal para a aplicação desejada é importante o conhecimento dos processos de fabricação disponíveis. Como para este projeto o objetivo é a fabricação de um dispositivo compacto, a tecnologia de fotônica integrada em silício foi à opção escolhida, devido ao alto contraste de índice de refração. Assim, os processos mais tradicionais para a fabricação de guias ópticos em silício são apresentados a seguir.
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3.2 Processos de Fabricação
Para o projeto de um chip fotônico integrado é importante conhecer os diferentes processos de fabricação e as suas principais características. Os processos seguem um fluxo semelhante em que o primeiro passo é a limpeza do wafer, e a adição de material fotorresistivo (resist), o qual irá proteger da corrosão as camadas que estiverem abaixo. Em seguida, o circuito fotônico é escrito sobre o resist e as partes expostas do material são removidas. Logo após esta etapa o wafer é exposto para a corrosão caso seja uma etapa de fabricação dos guias, ou é exposta para implantações iônicas para a dopagem das regiões dos moduladores por exemplo.
Existem algumas formas de realizar a escrita no material fotorresistivo, sendo os principais métodos a litografia óptica e o feixe de elétrons.
3.2.1 Litografia Óptica
A litografia óptica utiliza luz ultravioleta (deep ultraviolet - DUV) para iluminar uma máscara, a qual possui os padrões do circuito fotônico. Como o resist é sensível à exposição de luz, após esta etapa, o wafer possuirá regiões que serão protegidas enquanto que outras sofrerão a corrosão. Um ponto importante para destacar é em relação à resolução dos guias. Existem vários fatores que influenciam, sendo o comprimento de onda da luz ultravioleta o principal deles. Quanto menor o comprimento de onda, menor a largura do guia que é possível de se fabricar. As principais fábricas de circuitos fotônicos utilizam comprimentos de onda de e , com larguras mínimas de guias de e respectivamente. A principal vantagem da utilização deste método é a velocidade de fabricação, muito importante para fabricação em larga escala, pois em uma única etapa é possível criar as mesmas estruturas em todo o wafer [8].
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3.2.2 Feixe de elétrons
O feixe de elétron (electron beam - e-beam) utiliza-se de um feixe de elétrons focalizado para escrever os padrões da estrutura sobre o material fotorresistivo. Por se tratar de um feixe, este método é muito mais preciso quando comparado com a litografia óptica, podendo fabricar estruturar muito menores e com menos rugosidades. Contudo, a desvantagem é que este método não é interessante para a fabricação em massa, por se tratar de um processo muito lento [8], [9].
3.2.3 Corrosão Seca
Para a transferência do padrão do resist para o silício é necessária à etapa de corrosão. Uma corrosão utilizando reagentes químicos não é ideal para a fabricação de guias nanométricos, pois causa imperfeições na corrosão. Com isso, as corrosões a seco são desejáveis para estas estruturas. Uma das formas de se realizar esta corrosão é por meio do processo conhecido como corrosão reativa de íon (reactive ion etching - RIE). Neste processo, a aplicação de um campo elétrico muito elevado, em um ambiente fechado com gases gera íons que são acelerados na direção do wafer. Estes íons, ao colidirem com as partes expostas do wafer ocasionam a corrosão do material [8], [9].
3.2.4 Corrosão com feixe de íons focalizado
Este processo de corrosão conhecido como feixe de elétrons focalizado (focused ion beam - FIB) é muito semelhante ao e-beam, com a diferença que um feixe de íons é utilizado ao invés de um feixe de elétrons. Este processo também é muito lento por se tratar de uma corrosão serial, ou seja, o feixe deve percorrer toda a estrutura do circuito fotônico.
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Para o projeto foi disponibilizado o processo de litografia óptica com um feixe de DUV com uma corrosão a seco com RIE, o que é recomendado para fabricação de componentes em larga escala [8], [9].
3.3 Sistema de Caracterização
Para a caracterização dos chips, foi necessária a elaboração de um sistema de caracterização com alta confiabilidade, o qual fosse capaz de suprir as necessidades requeridas por todos os testes dos dispositivos. Este sistema foi planejado de maneira que seja possível realizar testes em componentes passivos e ativos. Como o componente mais complexo fabricado foi um modulador DP-QPSK, este foi o dispositivo de referência para a elaboração do sistema de caracterização.
A primeira parte foi à montagem de um conjunto mecânico que consiste em: base plana para prender o chip com vácuo, dois estágios de alinhamento óptico com seis eixos com precisão de , dois estágios de alinhamento de pontas de prova de RF com três eixos com precisão de e um microscópio óptico para auxílio no alinhamento das fibras e das pontas de teste de RF. A precisão dos estágios de alinhamento de fibra óptica deve ser maior do que a dos estágios elétricos, uma vez que o acoplamento óptico exige um alinhamento muito preciso para evitar perdas. Um diagrama com o sistema de caracterização é apresentado na Figura 12.
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Figura 12: Diagrama de aparato para caracterização de chips fotônicos
A segunda etapa foi à elaboração de um sistema automático de controle e aquisição de dados para os testes. Este sistema envolve o controle dos equipamentos, como por exemplo, o laser sintonizável e o analisador de rede via protocolo GPIB além da aquisição dos dados via uma placa fabricada pelo CPqD controlada por um micro controlador.
A terceira etapa foi à compra dos equipamentos necessários para a integração dos sinais de controle com chip, como por exemplo, as pontas de prova para oito sinais de RF, os baias tee para o acoplamento dos níveis DC com RF no modulador, resistores de terminação, DC-Blocks, cabos casados de RF, conectores entre outros.
A Figura 13.a mostra a montagem mecânica do sistema de caracterização, ele contém as pontas de prova de multi contato de RF, os estágios de posicionamento e as câmeras de monitoramento. Já a Figura 13.b apresenta uma fotografia do primeiro chip fotônico em silício fabricado pelo CPqD.
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Figura 13: (a) Montagem mecânica de Testes (b) Chip recebido
É importante destacar que os posicionadores mecânicos possuem a precisão de e de . As probes ópticas são os estágios que necessitam desta maior precisão, pela fibra possuir um núcleo na ordem de de diâmetro. Isso significa que qualquer desalinhamento pode gerar aumento das perdas de inserção, dificultando a caracterização dos dispositivos. A Figura 14 mostra a vista superior do aparato mecânico para uma caracterização de componentes passivos. Neste caso os acoplamentos são feitos por grades de acoplamento, ou seja, a luz é inserida e coletada através do plano superior do chip. Nesta figura é possível observar o chip posicionado no centro imagem, e as duas fibras posicionadas nas laterais opostas.
Figura 14: Vista superior do setup mecânico do sistema de caracterização
Para o sistema automático de controle foi utilizada uma placa de circuito impresso que aciona os sinais de controle para os dispositivos através de
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conversores digitais analógicos (digital to analog converter - DACs) controlados pelo protocolo de comunicação serial (serial peripheral interface - SPI), e recebe os sinais elétricos e ópticos das medições por meio de fotodetectores e conversores analógicos digitais (analog to digital converter - ADCs) também controlados por SPI.
As Figura 15 e Figura 16 apresentam, respectivamente, as vistas superior e frontal da placa de circuito impresso desenvolvida que atende os requisitos desejados.
Figura 15: Vista superior da PCB
Figura 16: Vista lateral da PCB
Pode-se ver que esta placa acomoda uma placa processadora (apresentada na Figura 17) que realizará toda a comunicação necessária com os demais dispositivos da placa.
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Figura 17: Placa processadora
A processadora que será utilizada será a BeagleBone. O processador utilizado apresenta:
720MHz super-scalar ARM Cortex-A8 (armv7a); 3D graphics accelerator;
ARM Cortex-M3 for power management;
2x Programmable Realtime Unit 32-bit RISC CPUs; Além disso, interfaces de conectividade tais como: USB client: power; USB host;
Ethernet;
2x 46 pin headers;
2x I2C, 5x UART, I2S, SPI, CAN, 66x 3.3V GPIO, 7x ADCAs.
A etapa do controle dos equipamentos foi feita através de códigos utilizando python e GPIB, com esta estrutura é possível fazer varreduras de comprimentos de onda em um laser sintonizável para caracterização de componentes passivos ou fazer aquisições de coeficientes de reflexão no caso de caracterizações elétricas por meio de um analisador de rede (Vector Network Analyzer - VNA).
3.4 Principais Componentes do projeto
Em um circuito de um IQM existem diversos componentes como observado anteriormente. Logo, é importante destacar as características de cada um para que o projeto possa otimizá-los. Para o modulador IQM com diversidade de
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polarização, os principais componentes são a grade de acoplamento 2D e o modulador óptico.
3.4.1 Guias de onda Monomodo
Antes de iniciar a modelagem dos componentes ópticos é importante que se faça uma análise da condição de guiamento de onda. É importante também que o guia óptico seja monomodo para que não ocorram perdas e dispersão devido à excitação de outros modos de propagação. A figura seguinte ilustra a propagação da luz em um guia de onda.
Figura 18: Propagação do feixe em um guia planar
Um feixe de luz propagando na direção e confinado no eixo por um guia de onda com altura através de reflexão total interna pode ser usado para exemplificar os modos de propagação presentes em um guia de onda dielétrico.
Na direção y, o vetor de onda sofrerá reflexões nas duas interfaces, o que pode gerar ondas estacionárias, que causam desvios de fase no sinal óptico [10]. Logo, o desvio de fase total pode ser representado pela equação abaixo:
29
(9)
Onde e são os desvios de fase devido à interface superior e inferior, respectivamente. Para que haja guiamento o desvio de fase total deve ser igual a
. Sendo o número inteiro que representa um modo de propagação no guia, ou seja, um único guia óptico pode ser capaz de propagar diferentes modos. Um guia monomodo, ou seja, um guia que possua apenas um modo de propagação, constituído por um guia retangular de silício ( ) cercado por uma casca de sílica ( ) possui a espessura regida por:
(10)
Sendo a espessura do guia, o comprimento de onda da luz, e os
índices de refração da casca e do guia de onda respectivamente [11].
Cada modo de propagação do guia de onda propaga com uma velocidade diferente e é relacionado com uma constante de propagação distinta. A razão entre a constante de propagação com o vetor de onda tem como resultado um número adimensional conhecido como índice efetivo, . Para os modos
propagantes, os valores do índice efetivo respeitam a relação abaixo:
(11)
Como no caso do silício, o índice de refração varia em função do comprimento de onda da luz propagante, guias baseados neste material apresentam dispersão intramodal, ou seja, mesmo um guia monomodo possui características dispersivas. A Figura 19 ilustra a análise da dispersão na região da banda C para um guia de onda retangular de .
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Figura 19: análise de dispersão da seção transversal de um guia de onda strip com dimensões de 500nm x 220nm
Este gráfico de variação de índice efetivo foi feito através do software Lumerical MODE. Na Figura 20 é apresentado o perfil de confinamento de um campo monomodo neste guia. É possível notar que uma pequena porção do sinal é transportada pela casca.
Figura 20: modo fundamental do campo elétrico (a) campo transverso (|Ex|) (b) campo longitudinal (|Ez|)
Um exemplo de uma onda propagante pode ser representado na equação abaixo:
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A Equação 12 representa a propagação do campo elétrico ao longo do eixo x sem considerar as perdas. Ela indica que o próprio guia pode ser usado como um deslocador de fase. Outra forma de deslocar a fase é utilizando o efeito termo óptico do silício, apresentado na Equação 5. Pode-se aquecer localmente um guia de onda através da fabricação de aquecedores próximos a um trecho do guia de onda. Estes aquecedores se utilizam do efeito Joule para converter potência elétrica em calor.
Um dos fatores limitantes que pode inviabilizar os dispositivos ópticos é a perda de inserção. Os guias de onda contribuem adicionando perdas nos circuitos ópticos devido às perdas de propagação presentes nestes guias. Os principais efeitos que influenciam na perda de propagação do material são a absorção, radiação, e espalhamento.
A perda por absorção para o silício é causada devido à densidade de portadores livres, já a radiação é causadas por modos não confinados, acoplando parte da luz no substrato, e por perdas de curvatura no guia. Contudo, em guias de silício intrínseco, e com raios de curvatura tais que as perdas por este efeito possam ser desconsideradas, a principal causa de perda nos guias de onda é devido ao espalhamento. Estas perdas por espalhamento são diretamente ligadas à qualidade do processo de fabricação dos guias, uma vez que o espalhamento pode ser gerado devido a impurezas, ou falhas na estrutura cristalina, ou principalmente por imperfeições nas interfaces dos guias. Dados experimentais fornecidos pela foundry mostram que este guia ilustrado na Figura 20 possui uma perda de propagação de aproximadamente .
3.4.2 Grade de acoplamento
Para se acoplar luz no guia de onda pode-se utilizar grades de acoplamento, com a vantagem de poderem ser posicionadas em qualquer região do chip, diferentemente dos edge couplers, localizados necessariamente na borda do chip. A figura seguinte ilustra a tentativa direta de acoplamento de um feixe de luz em um guia de onda, sem a utilização das grades de acoplamento.
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Figura 21: Acoplamento de luz pela superfície do guia
Para que seja possível o acoplamento de luz deve haver o casamento de fase [10], ou seja, as componentes de velocidade de fase na direção de propagação (direção na Figura 21) devem ser iguais nos dois meios. No caso de uma onda incidente na superfície do guia de onda ( ) com um ângulo , o raio irá propagar no meio com uma constante de propagação igual a , sendo na direção igual a:
(13)
Logo, para que ocorra o casamento de fase:
(14)
Sendo a constante de propagação no guia de onda. Como o índice de refração do silício é maior que o índice da sílica, meio , então sempre será maior que . Por isso, uma maneira de realizar esta igualdade é através da grade de acoplamento.
A grade nada mais é do que uma estrutura periódica, a qual gera uma modulação periódica do índice efetivo do guia de onda. Assim, para um modo óptico com uma constante de propagação , quando há presença da grade, a modulação resulta em uma série de possíveis constantes de propagação , sendo o número da ordem da luz difratada.
33
3.4.2.1 Equação de Difração
A grade de difração é caracterizada por seu vetor da grade , que possuí módulo igual à , onde o período da grade e a direção do vetor apontam para a direção da periodicidade. A interação da grade para redirecionar a luz é resultado da soma vetorial da onda transmitida não difratada com o vetor da grade, como é apresentado na equação abaixo.
(15)
Sendo etc. o vetor de onda da luz não difratada, ou seja, e o vetor de onda difratado de ordem . Esta condição é conhecida
como condição de Floquet e as ondas resultantes desta soma vetorial são denominadas ondas de Floquet [12]. Apesar de existirem infinitas ondas geradas, apenas algumas delas podem existir fisicamente. Uma análise 2-D é modelada na equação abaixo e mostrada na Figura 22.
(16)
Onde é o índice de refração do meio transmitido é o ângulo do feixe não difratado, o ângulo do feixe de onda difratado, e o comprimento de onda. Logo, para o eixo , direção de propagação no guia tem-se a equação.
(17)
Como a referência é a onda incidente na grade, basta utilizar a lei de Snell que relaciona a onda incidente com a onda não difratada [13] ( ).
Assim, a equação de difração é dada por:
34
Figura 22: Geometria de uma grade de acoplamento 2-D
A fim de que as grades de difração acoplem luz em um guia de onda monomodo, elas devem difratar a luz incidente de uma forma que o índice efetivo da onda difratada deve casar com o índice efetivo do modo do guia de onda. O índice efetivo da onda difratada é a razão entre a componente tangencial do vetor de onda da luz difratada pelo vetor de onda da luz no espaço livre ( ).
Assim, o índice efetivo de cada componente de luz difratada é dado por:
(19)
Estes modos são equivalentes aos vários modos de difração da grade, porém apenas os com valores negativos geram a condição de casamento de fase em vetores de onda reais. É comum a fabricação de grades onde apenas resulta em um casamento de fase. Assim, em termos de índice efetivo:
(20)
35
3.4.2.2 Parâmetros de uma Grade de acoplamento
Existem diversos parâmetros que podem alterar a eficiência de acoplamento de uma grade de difração, como por exemplo, a periodicidade, a profundidade da corrosão entre outros. Logo, é importante a compreensão da influência de cada um deles no resultado final. A Figura 23 ilustra uma grade que é utilizada para desacoplar a luz de um guia de onda [14].
Figura 23: Detalhe dos parâmetros da grade de acoplamento
Sendo os índices de refração do núcleo do guia, do material abaixo e do material acima do núcleo, respectivamente. A grade possui corrosões periódicas ( ) com fator de preenchimento (duty-cycle FP) igual à razão entre a espessura do trecho de silício ( ) e o período da grade:
(21)
A grade de acoplamento, no caso de um acoplador de saída do chip, irá irradiar luz tanto para baixo quanto para cima. A potência no guia de onda possui um decaimento exponencial em função do comprimento da grade.
