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Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Eng. Elétrica e de Computação
Departamento de Comunicações
Alexandre Passos Freitas
DESENVOLVIMENTO DE UM MODULADOR DP-QPSK
EM FOTÔNICA INTEGRADA
CAMPINAS
2014
iii
Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Eng. Elétrica e de Computação
Departamento de Comunicações
DESENVOLVIMENTO DE UM MODULADOR DP-QPSK
EM FOTÔNICA INTEGRADA
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
vii
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.
ix
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.
xi
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
3.4 Principais Componentes do projeto ......................................................... 27
xii
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
xvii
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.
xix
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
Figura 27: Diodo polarizado reversamente .......................................................................... 44
xx
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
xxi
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
Figura 74: Layout do modulador DP-QPSK integrado ........................................................ 84
xxiii
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
xxv
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)
xxvi
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 Mach-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.
4
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 ondaMZMGuia 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 ondaDivisor Y ou
Acoplador Direcional
MZM
Guia de ondaDivisor 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 ondaDivisor 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
gálio (GaAs), polímeros, cristais orgânicos e silício (Si).
13
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]
14
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].
15
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
16
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.
18
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.
19
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
20
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.
21
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].
22
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.
23
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.
24
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.
25
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
26
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.
27
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
28
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 .
30
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:
(12)
31
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.
32
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:
(18)
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)
Sendo o índice efetivo e o comprimento de onda.
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.
36
(22)
Sendo o fator de escoamento da grade, para grades com baixa
profundidade de corrosão. A diretividade da grade é calculada através da razão
entre a potência irradiada para cima e o total de potência irradiada. Já a eficiência
de acoplamento é igual à potência acoplada na fibra dividida pela potência total
incidente no guia de onda.
As principais fontes de perdas para as grades de acoplamento são [15]:
Casamento de fase: para cada ângulo há uma condição de casamento de
fase diferente. Assim, a grade não possui um padrão de interferência igual
em todos os comprimentos de onda, limitando-se a uma banda de
transmissão em geral de aproximadamente . Esta banda pode variar
em função da profundidade das corrosões e da periodicidade da grade.
Reflexão no guia de onda: devido à mudança abrupta no índice de refração,
há a reflexão da luz na direção contrária à propagação.
Excitação de modos de alta ordem no guia de onda: Em guias de onda
multi modo, a modulação do índice de refração pode excitar outros modos
no guia de onda, ao invés da luz ser desacoplada pela grade. Isto pode ser
evitado através da utilização de guias monomodos.
Espalhamento por outros modos da grade: Da mesma forma que no caso
de excitação de outros modos no guia de onda. Ao trabalhar com grades
com mais de uma ordem de acoplamento, há a possibilidade das
excitações dos mesmos, gerando perdas de acoplamento no modo
desejado.
Absorção pelo substrato: Como visto na ilustração anterior, a luz é irradiada
tanto para cima quanto para baixa da grade. Parte da potência que se
propaga para baixo é perdida devido à injeção no substrato. Contudo,
devido à diferença de índice de refração do óxido de silício e do silício do
substrato, parte da luz projetada para baixo é refletida novamente para
cima. Logo, dependendo da espessura do óxido, haverá interferência
37
construtiva da luz injetada para cima com a luz refletida no substrato,
aumentando a diretividade e consequentemente diminuindo a perda de
acoplamento.
Incompatibilidade de modos: Além da quantidade de potência irradiada pela
grade influenciar na eficiência de acoplamento, o casamento das
dimensões do modo da grade, e da fibra, devem possuir as mesmas
dimensões tanto na direção longitudinal quanto na transversal. Isto é
necessário para que o modo que sai de um deles excite ao máximo a
propagação no outro. O posicionamento incorreto da fibra gera perdas de
acoplamento devido a este efeito.
Segundo Ang [16] grades de acoplamento retangulares atingiram uma
eficiência de acoplamento na ordem de 70%.
Estas grades quadradas necessitam de tapers longos para que a
transmissão para o guia de onda ocorra de uma maneira adiabática (caso não seja
adiabática pode-se excitar outros modos no guia). Uma maneira de diminuir o
comprimento desses tapers é através da construção de grades com foco.
3.4.2.3 Grade de Acoplamento com Foco 1-D
As grades de acoplamento com foco seguem o mesmo princípio das grades
retangulares, porém, as linhas da grade devem seguir a condição de interferência
construtiva [17], [18] dada por:
(23)
Sendo, o índice de refração da casca, a coordenada na direção de
propagação do modo, a coordenada na direção lateral, é o número da linha da
grade e igual a . A Figura 24 ilustra a estrutura das grades de
acoplamento com foco.
38
Figura 24: Grade de Acoplamento com foco
As linhas da grade descrevem as curvas de elipses com um foco
concêntrico, como é descrito na equação abaixo [19]:
(24)
Para acoplamento vertical de luz, ou seja, feixe normal ao plano da grade,
as linhas das grades são círculos concêntricos com centro localizado no foco da
grade. Contudo, este tipo de acoplamento induz uma quantidade alta de reflexão.
Para evitar este efeito basta acoplar a luz com um ângulo de incidência diferente
de zero.
3.4.2.4 Grade de acoplamento de duas polarizações 2-D (Polarization Splitter
Grating Coupler - PSGC)
As grades de acoplamento 1-D descritas anteriormente são capazes de
acoplar uma única polarização. Contudo, como o formato de modulação DP-
QPSK, em que a luz que se propaga na fibra com duas polarizações ortogonais, é
o escopo deste projeto, é possível utilizar as grades de polarização 2-D (PSGC).
Este componente pode ser usado tanto como um combinador de
polarização, como um separador de polarização, assim mostrado na Figura 25.
39
Este dispositivo, inicialmente projetado para o processo do IMEC, tem a
importância de facilitar diversos projetos, pois com ele, os circuitos fotônicos
podem tratar apenas de uma polarização (TE).
Figura 25: grade de polarização 2-D. Acima é utilizada como separador de polarização, enquanto que abaixo
é utilizado como combinador de polarização.
Este dispositivo é composto por duas grades de acoplamento 1-D
sobrepostas, e ortogonais entre si. Assim, no caso de um combinador de
polarização, a luz polarizada no modo TE é injetada na grade pelos dois guias de
onda ortogonais. Devido a esta ortogonalidade, a luz possuirá dois modos de
propagação ortogonais quando desacoplada do chip para a fibra. Devido à
reciprocidade do dispositivo, no caso em que a luz com duas polarizações
ortogonais é acoplada no chip, cada uma destas irá excitar o modo TE de um dos
guias de onda, devido ao casamento de fase.
Para PSGC com foco, basta sobrepor duas grades lineares de acoplamento
com foco [17], sendo que o foco de uma das grades esteja na origem do sistema
de coordenadas (0,0) enquanto que o foco da outra esteja localizada no ponto (-
L,L), onde L é igual à distância do foco até o centro da grade. A relação das linhas
da grade segue o seguinte comportamento:
40
(25)
As figuras de mérito para a PSGC são a perda de inserção (insertion loss -
IL), e a perda dependente de polarização (polarization dependent loss - PDL),
sendo a PDL definida como a razão entre as perdas para cada uma das
polarizações. A tabela abaixo apresenta o estado da arte da fabricação de grades
de acoplamento em silício.
Tabela 1: Desempenho das grades de acoplamento publicadas na literatura
Ano Tipo
Perda de
Inserção
( )
Central
( )
Resolução
mínima
Espessura
do Si ( ) Método Ref.
2006 1D 1540 Espelho de
metal [20]
2010 1D Camada extra
de silício [21]
2010 1D
Corrosão
profunda
(200 )
[22]
2010 1D
Corrosões com
profundidades
diferentes
[23]
2011 1D Corrosão total [24]
2013 1D Corrosão [25]
2009 2D Corrosão [17]
2013 2D
Corrosão
com geometria
de diamante
[26]
3.4.3 Moduladores
Apesar da modulação direta nos lasers ser menos complexa e mais barata,
quando comparado com a modulação externa, acaba gerando uma quantidade
significativa de chirp o qual limita à sua utilização em sistemas de longas
41
distâncias com altas taxas. Assim, realizar a modulação externa torna-se
vantajosa.
Existem diferentes tipos de tecnologia de moduladores, os que operam
através do efeito termo óptico, e os que operam devido à efeitos eletro-ópticos
característicos de cada material, além de layouts característicos. Os quatro efeitos
eletro-ópticos mais relevantes para modulação de luz são: efeito eletro-óptico
linear (Pockels Effect), e efeito eletro-óptico quadrático (Kerr Effect) encontrados
em cristais isolantes e semicondutores, além do efeito de eletroabsorção, e do
efeito de densidade de portadores encontrados apenas em cristais
semicondutores [5]. Os três primeiros efeitos possuem resposta de sub-
picossegundos. Logo, as limitações nos dispositivos são causadas por restrições
tecnológicas e não pela resposta dos efeitos. Já a resposta do último efeito é
limitada pela constante de tempo RC. Estes fenômenos são apresentados abaixo.
3.4.3.1 Efeito Eletro-Óptico Linear
O efeito eletro-óptico linear, ou efeito Pockels, é encontrado em cristais que
não apresentam simetria inversa. Polímeros, como os policarbonetos, com
características eletro-ópticas, e outros materiais como LiNbO3, BaTiO3, e
semicondutores da família III-V são alguns exemplos destes materiais. Neste
efeito, a mudança de um campo elétrico em um dos eixos acarreta na variação do
índice de refração em um ou mais eixos do meio de propagação [5]. Logo, este
efeito é sensível à polarização e é modelado seguindo a Equação 26.
(26)
Sendo a variação do índice de refração devido à ação do campo
elétrico, o coeficiente eletro-óptico do material, e o campo elétrico.
42
3.4.3.2 Efeito Eletro-Óptico Quadrático
O efeito eletro-óptico quadrático, ou efeito Kerr, ocorre em todos os cristais
não metálicos transparentes. Enquanto que o efeito eletro-óptico linear gera uma
variação linear no índice de refração em função do campo elétrico aplicado, o
efeito Kerr influencia o índice de refração com uma relação quadrática do campo
elétrico. Este efeito geralmente ocorre com uma intensidade inferior ao linear [5].
3.4.3.3 Efeito da Eletroabsorção
O efeito da eletroabsorção é gerado pela mudança da diferença de energia
entre a banda de valência e de condução no semicondutor, causada pela ação de
um campo elétrico. Esta variação da diferença entre as bandas muda o coeficiente
de absorção de luz, podendo realizar modulação de amplitude. Como há mudança
da absorção da luz, há também uma mudança no índice de refração, o que gera
uma modulação de fase [5].
O efeito de eletroabsorção é altamente dependente da temperatura e do
comprimento de onda da luz.
3.4.3.4 Efeito da Densidade de Portadores
A variação da densidade de portadores influencia na absorção de luz, e
consequentemente, altera o valor do índice de refração efetivo no guia óptico. Este
efeito pode gerar limitações nos dispositivos, devido ao tempo de vida dos
portadores na ordem de a para o silício puro e semicondutores da família
III-V. Porém, essa limitação pode ser superada caso os dispositivos operem
variando a região de depleção, ou seja, movimentando os portadores ao invés de
recombiná-los. Este efeito é bastante utilizado no silício, uma vez que os efeitos
eletro-ópticos são muito baixos [5].
43
Como visto acima, a principal maneira de modular o índice de refração no
silício é por meio de variação da densidade de portadores livres. Existem três
configurações principais para realizar este efeito no silício. O primeiro é um guia
em diodo polarizado diretamente, como mostrado na Figura 26. Este modulador
consiste em um guia de onda de silício intrínseco, com as laterais compostas por
uma região dopada de silício tipo n e outra dopada com silício tipo p.
Figura 26: Seção transversal do diodo polarizado diretamente
A seção transversal do guia deve possuir dimensões tais que a luz se
propague no modo fundamental.
A segunda opção é baseada em um capacitor MOS construído com um slab
de silício tipo n, e um guia tipo rib de silício dopado com tipo p, separados por uma
fina camada de óxido. Contudo, este tipo de configuração com um contato sobre o
guia induz uma perda óptica indesejável [5].
A terceira opção é baseada em uma junção pn polarizada reversamente
Figura 27.
44
Figura 27: Diodo polarizado reversamente
Esta estrutura possui uma região de depleção no meio do guia de onda
óptico. A espessura dessa região depende da concentração de portadores e da
tensão reversa aplicada. Uma variação da tensão aplicada gera uma alteração na
densidade de portadores e consequentemente uma variação no índice de
refração. Tanto o capacitor MOS quanto a junção pn polarizada reversamente
apresentam uma largura de banda de operação dependente principalmente da
constante de tempo RC, podendo possuir banda eletro-óptica superior a 40 .
Devido à variação do índice de refração, o índice efetivo também varia,
gerando a modulação de fase na luz que passa pelo guia. Esta variação na fase
pode ser calculada pela expressão abaixo.
(27)
Onde é o comprimento do modulador de fase, e o comprimento de onda
luz no vácuo. A figura de mérito responsável por caracterizar o componente é o
, na qual é a tensão necessária para que ocorra uma defasagem de no
sinal que passa pelo modulador de comprimento . Quanto menor este produto,
mais eficiente é o modulador. O modulador p-i-n polarizado diretamente apresenta
o menor que as outras duas configurações, podendo ser o menor dispositivo
para o mesmo valor de tensão aplicada, nos três casos. Porém, como no caso da
polarização direta, a mudança de densidade de portadores se dá por meio da
injeção de corrente no guia (governado principalmente por portadores
minoritários), sendo o tempo de vida destes portadores da ordem de a .
45
Este tempo lento para recombinação e geração de portadores limita tais
dispositivos à taxas de modulação na ordem de . Para os outros dois casos
(capacitor MOS e junção pn polarizada reversamente) a modulação de portadores
livres se dá através do efeito do campo elétrico, sendo a limitação do dispositivo
dependente apenas da constante de tempo [5].
Para superar as limitações de velocidade algumas mudanças no projeto da
estrutura dos moduladores podem ser realizadas. No caso do modulador de
junção pn polarizado diretamente, o tempo de vida dos portadores é o fator
limitante da velocidade, portanto, para este caso, a diminuição do guia de onda
levaria a uma redução neste tempo de recombinação, aumentando a velocidade
do modulador.
Já para os moduladores CMOS e de junção pn polarizados reversamente, a
velocidade intrínseca é alta, sendo o fator limitante neste caso a combinação da
resposta do modulador junto à do driver eletrônico. Uma vez que os drivers
possuem uma impedância não nula, a constante de tempo RC torna-se o fator
limitante para esses moduladores. Para que esta constante não seja o fator
limitante, pode-se dividir o braço do modulador em diversos segmentos de
moduladores de fase isolados, com drivers distintos para cada um. Assim, a
capacitância é reduzida e a constante deixa de ser o limitador da velocidade
dos moduladores. A dificuldade deste modelo é o casamento do sinal elétrico
(tempo de acionamento de cada driver) com a velocidade de propagação da onda
óptica, para que a mudança de fase acumulada seja a desejada. A segunda
abordagem para eliminar a constante RC é utilizar esquemas de moduladores de
onda viajante (traveling-wave modulator - TWMZ), em que a onda óptica e o sinal
elétrico (RF) propagam na mesma direção, com a velocidade de fase da onda RF
casando com a velocidade de grupo do sinal óptico. Como no caso da junção pn
polarizada reversamente, a capacitância por unidade de comprimento é baixa.
Assim, é possível projetar linhas de transmissão que casem com a impedância do
driver. Estes moduladores de fase são utilizados como braços de moduladores
Mach-Zehnder, os quais podem ser operados como moduladores de amplitude.
46
Além das configurações já citadas acima, pode-se utilizar um ressoador em
anel (ring resonator) para realizar a modulação de amplitude ou de fase,
dependendo da aplicação. A vantagem do modulador em anel é o baixo , porém,
apresenta uma razão de extinção baixa, o que não é adequado para transmissões
em enlaces ópticos longos [5]. O esquema de um modulador em anel é
apresentado na Figura 28.
Figura 28: Modulador em anel
Para o modulador em anel, a função de transferência é representada pela
Figura 29.
Figura 29: Função de transferência do modulador em anel
47
Logo, os pontos de operação para realizar a modulação em amplitude ou
em fase são mostrados na Figura 30.
Figura 30: Pontos de operação do modulador em anel
Os modulares em anel, apesar de não terem problemas de casamento de
impedância, por não se tratar de uma linha de transmissão, possuem uma
característica que dificulta sua aplicação em telecomunicação. Devido às
ressonâncias, este dispositivo possui razão de extinção baixa, quando comparado
com os MZM.
Na tabela abaixo há uma lista com alguns MZM em silício já publicados na
literatura:
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.
Ano ( ) Perda
( )
Banda EO
( )
Comprimento
( )
( )
Constante de
Atenuação ( )
Razão de
Extinção DC ( )
Ref.
2007 [27]
2011 [28]
2011 [29]
2013 [30]
2014 [31]
48
4. Resultados
4.1 Layout do Chip
Com as possibilidades de materiais e foundries disponíveis para fabricação
de um chip fotônico, escolheu-se as foundries de silício para projetar um
modulador DP-QPSK para transmissão de , principalmente pelo fato de
possuir um processo de fabricação maduro em larga escala. Com o objetivo de
padronização, decidiu-se operar apenas com a polarização TE nos guias do chip,
assim evita-se resultados muito diferentes entre a modulação das duas
polarizações. Logo, o circuito escolhido para a fabricação do modulador é o da
Figura 31. Uma vez que, o mesmo opera com dois MZM em push-pull para cada
polarização, ou seja, necessita de drivers elétricos com amplitudes menores.
Figura 31: Esquemático do modulador DP-QPSK
A foundry escolhida possui a facilidade de fornecer alguns componentes já
testados para o auxílio e rapidez nos projetos, entre eles temos o modulador
Mach-Zehnder, modulador em anel, fotodetectores, acopladores laterais e grades
de acoplamento 1D.
Assim, para a fabricação do circuito óptico para o modulador DP-QPSK,
além da utilização de alguns destes componentes, como os moduladores e o
acoplador lateral, este projeto desenvolveu uma nova grade de acoplamento 2D
com foco para os padrões da foundry escolhida. Para isso, foram feitas
49
simulações 2D e 3D pelo método de FDTD, além de testes laboratoriais em
grades com diferentes dimensões e períodos com a finalidade de buscar aquela
com o melhor eficiência, maior dependência de polarização e menor perda
dependente da polarização (PDL).
A figura seguinte mostra o layout final do circuito do chip. Nesta versão está
presente o circuito do modulador DP-QPSK, e outros dispositivos de teste, para a
grade de acoplamento, para resistores de terminação MMIs, acopladores
direcionais e outros dispositivos que não estão no escopo deste projeto.
Figura 32: Layout do Chip enviado para fabricação
4.2 Grade de Acoplamento
Para a compreensão do funcionamento de uma grade de acoplamento,
devem-se investigar todos os parâmetros que influenciam em seu projeto, como
por exemplo, os parâmetros geométricos. Para isso, a partir de uma condição
50
inicial, faz-se uma varredura nestes parâmetros a fim de otimizar o dispositivo.
Alguns parâmetros são restringidos devido às limitações de processo de litografia,
como largura mínima do guia, ou por características pré-definidas do wafer como a
espessura do guia, ou a espessura do óxido de silício que separa o substrato dos
guias ópticos (Buried-Oxide - BOX). Outros ainda por características das
aplicações, como o ângulo de incidência e o comprimento de onda.
As condições iniciais utilizadas são encontradas na tabela abaixo:
Tabela 3: Parâmetros de referência para as simulações das grades.
Espessura Si BOX SiO2 Casca SiO2 Corrosão Central Ângulo de
incidência ( )
Utilizou-se o programa Mode Solutions para o cálculo do índice efetivo para
o caso de um slab de e , com os valores obtidos iguais a e
respectivamente. Logo, o índice efetivo de uma grade pode ser calculado
como uma média ponderada em função da quantidade destes segmentos.
(28)
Sendo e os índices efetivos do slab de e de
espessura, respectivamente, e o fator de preenchimento, ou seja, a fração da
largura do material 1 sobre o período da grade. Para um duty-cycle de , temos
um índice efetivo médio da grade igual a . Com este resultado é possível
encontrar o período da grade que satisfaz a equação de Bragg [10].
(29)
Sendo o índice de refração do ar, o comprimento de onda do pico de
transmissão da grade, o índice efetivo da grade, e o ângulo do feixe em
relação ao vetor normal ao plano do chip, temos um período da grade de
51
aproximadamente . A Figura 33 ilustra a relação entre o período da grade
função do ângulo do feixe.
Figura 33: Relação do ângulo de incidência do modo e o período da grade.
Um fator interessante de se destacar é que quanto maior o período da
grade, menos susceptível a variações de fabricação será a resposta do
dispositivo, em relação à variabilidade do processo, uma vez que o componente é
menos sensível à variação de fabricação quando comparado com grades que com
períodos menores.
Outro fator que pode ser alterado é o duty-cycle, neste caso a variação do
período é menor do que a variação do ângulo, como mostrado a seguir.
Figura 34: Relação do ângulo do duty-cycle e o período da grade
52
Estes resultados avaliam apenas a relação entre o casamento de fase com
a direção de acoplamento dos feixes de luz, em função dos parâmetros da grade.
Nestes resultados a eficiência da grade não é levada em consideração. Uma
simulação FDTD 2D foi realizada para avaliar a diretividade da grade em função
destes parâmetros.
O esquema de simulação é apresentado na figura abaixo:
Figura 35: Esquemático da simulação FDTD 2D - Grade de acoplamento 1D
Para o cálculo da diretividade da grade foi utilizado o método FDTD. A área
de simulação é limitada à região laranja, representando a camada de absorção
(perfectly matched layer - PML) a qual evita a reflexão dos campos nas regiões
limitantes da simulação. Os materiais em vermelho, cinza, preto, e azul,
representam respectivamente, o silício, o dióxido de silício, o ar, e a fibra óptica,
sendo que para este último existem dois tons que representam o núcleo e a casca
da fibra. Foi empregada uma fonte modal no guia de onda, com propagação da
direita para a esquerda, e a utilização de dois monitores de potência, um
posicionado no ar, logo acima do óxido, e outro posicionado no substrato, logo
abaixo da camada de BOX. Com esta mesma estrutura de simulação pode-se
calcular a eficiência de acoplamento na fibra com um monitor de campo que faz a
correlação do campo elétrico medido com o perfil do modo de propagação de
interesse.
53
Na figura seguinte é possível observar o campo sendo propagado para
fora do guia por meio da grade de acoplamento.
Figura 36: Módulo do campo do sinal propagante normalizado no guia sendo desacoplado pela grade
Assim, a diretividade é obtida através da razão entre a potência medida
entre os dois monitores.
Figura 37: Medida da diretividade para a grade de acoplamento 1D em função do período e da espessura do dente da grade
54
Figura 38: Medida da transmissão para a grade de acoplamento 1D em função do período e da espessura do dente da grade
Os gráficos acima mostram que a diretividade máxima alcança é de
aproximadamente ( ). A diretividade indica apenas a relação entre as
potências expelidas para cima e para baixo. Contudo quando é levado em
consideração o fator de escoamento da grade, ou seja, o quanto de potência é
escoada para fora do guia, é possível notar que a máxima transmissão é de
aproximadamente ( ).
O ângulo de incidência da grade é ilustrado na figura a seguir. Foi utilizada
a Equação 29 sendo possível observar que quanto menor o período, menor será o
ângulo entre o feixe do modo da grade e o vetor normal ao plano do chip.
Figura 39: Padrão do ângulo de incidência em função dos parâmetros de período e espessura do dente da grade
55
Uma análise de cada um dos parâmetros, é ilustrado nos gráficos a seguir,
para uma melhor compreensão da influência da variação de cada parâmetro.
4.2.1 Período
A figura a seguir mostra a variação da transmissão da grade em função da
variação do período das corrosões. Todas as simulações foram realizadas com o
simulador FDTD 2D, sendo o ângulo do feixe difratado igual a e duty-cycle de
.
Figura 40: Influência do período da grade na transmissão da grade 1D
A variação do período faz com que a frequência central da grade seja
deslocada. Assim, é possível calcular uma relação entre a variação da frequência
central com a variação do período.
(30)
56
4.2.2 Duty-cycle
A variação do duty-cycle faz com que o índice efetivo do guia mude, e
consequentemente, afeta a condição de casamento de fase.
Figura 41: Influência do duty-cycle da grade na transmissão da grade 1D.
4.2.3 Profundidade da corrosão
O processo de litografia óptica é normalmente utilizado na maioria das
vezes para a fabricação dos dispositivos fotônicos. Uma vez que, trata-se de um
processo rápido, ideal para a fabricação de componentes em larga escala.
Contudo, mesmo sendo um processo estável e controlado, este está sujeito a
pequenas variações de fabricação. Embora sejam variações de apenas alguns
nanômetros, elas já são capazes de afetar a resposta das grades de acoplamento,
já que estas são feitas com corrosões muito pequenas, o que acaba tornando
estas variações de processos significativas.
57
Figura 42: Influência da variação da profundidade da corrosão na transmissão da grade 1D
A figura acima ilustra o comportamento da grade de acoplamento, para
variações na profundidade da corrosão. Esta mudança na altura das ranhuras
afeta o índice efetivo da grade. O coeficiente para este caso é:
(31)
4.2.4 Espessura da casca e do BOX
A espessura da casca e do BOX são importantes, pois influenciam nas
perdas dos acopladores. Isto acontece, pois existe reflexão nas interfaces dos
materiais. Logo, para alguns comprimentos de onda, haverá interferências
construtivas enquanto que em outros ocorrerá interferências destrutivas. Assim,
deve-se escolher uma espessura da casca e do BOX a fim de diminuir as perdas
de inserção medidas.
58
Figura 43: Influência da espessura do BOX na transmissão da grade 1D
Figura 44: Influência da espessura da casca na transmissão da grade 1D
Os gráficos acima ilustram que as espessuras destas duas camadas devem
estar em torno de para o BOX e para a casca. Estes valores são
importantes, pois definirão o SOI necessário para a fabricação do componente.
59
4.2.5 Ângulo de incidência
A variação do ângulo de incidência da fibra muda o casamento de fase das
ondas e consequentemente o pico da frequência central da grade. A figura abaixo
representa este efeito observando apenas a potência no comprimento de onda de
. Para esta simulação ainda foi utilizada a estrutura demonstrada na
Figura 35, com uma varredura de vários ângulos de inclinação de fibra. Para cada
ângulo simulado foi feita uma nova varredura deslocando a posição da fibra para
encontrar o maior valor de transmissão.
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.
4.2.6 Posição da Fibra
Apesar da posição da fibra não ser um parâmetro da grade, é interessante
mostrar o quanto esta variável influencia nos resultados obtidos, Figura 46.
60
Figura 46: Influência do deslocamento da fibra na transmissão da grade 1D
Esta variação ocorre devido à diferença dos modos da grade e da fibra,
estes devem ser os mais casados possíveis, para diminuir as perdas de
acoplamento. O pico se encontra próximo de devido a maneira que foi criada
a simulação. No simulador, o início da grade está localizado na origem do plano.
Como existe uma distância da ordem de alguns micrometros entre a grade de
acoplamento e a fibra óptica, a tendência é que quanto maior esta distância no
eixo vertical, mais longe da origem se encontrará o pico de transmissão, portanto
é necessário deslocar a fibra para a obtenção de um melhor acoplamento.
4.2.7 Grade 2D
A partir da compreensão dos parâmetros através das simulações 2D
iniciou-se o projeto da PSGC. Para isso foram posicionadas duas grades de
acoplamento 1D com uma rotação de entre si. Com o objetivo de diminuir o
tamanho do dispositivo, optou-se por utilizar as grades com foco. Assim, foi
utilizada a equação das elipses com um dos focos concêntricos para a criação das
linhas, sendo a primeira e a última linha igual a e . Estes valores foram
escolhidos para que a grade tivesse uma geometria mais simétrica possível, e
61
próxima à dimensão do modo da fibra padrão (aproximadamente ). Ao
aplicar rotação de 90°, em um dos conjuntos de elipses, buscou-se os pontos de
interseção entre as linhas das grades. Estas interseções representam as
corrosões. Para um ângulo de incidência de e uma frequência central em
foi projetada uma grade com corrosões cilíndricas, com espessura de
. Com essas condições de contorno definidas pelo processo de fabricação
junto à escolha do ângulo de incidência, tem-se o período como sendo única
variável para se trabalhar no projeto da grade. Como observado na análise 1D, o
período deve ser próximo de .
Figura 47: Esquemático da simulação FDTD 3D - Grade de acoplamento 2D a) plano XY b) plano XZ
62
Foi utilizado o simulador FDTD 3D da Lumerical para realizar uma
simulação completa da transmissão de um sinal óptico, que sai de uma fibra e
acopla na grade até um guia de onda monomodo de de largura, por
de altura. Para simular a fibra, foi utilizada uma fonte gaussiana com um diâmetro
igual ao do modo da fibra. A fonte possuía apenas uma polarização, e com direção
de propagação de entre os guias de onda da grade, além da inclinação de
em relação à normal do chip. Assim, foi possível calcular o melhor acoplamento
variando a posição da fibra na direção do seu próprio eixo. Para o cálculo da
eficiência de acoplamento foi inserido um monitor modal de potência no guia de
onda, sendo possível o cálculo da eficiência para o modo fundamental do guia.
Foram feitas simulações variando o raio dos cilindros sendo que o melhor
resultado obtido foi para um raio de . A figura abaixo ilustra o campo
elétrico normalizado emitido por uma fonte Gaussiana, simulando um sinal de luz
em uma polarização sendo acoplado da fibra para um guia do chip.
Figura 48: Campo Elétrico normalizado no plano da grade 2D
63
Figura 49: Resultado da simulação da grade 2D
O resultado encontrado foi um pico no comprimento de onda de
com uma perda de inserção de .
A caracterização da grade 2D foi feita através de dois circuitos ópticos
diferentes, apresentados na figura seguinte. O primeiro consiste em um arranjo
PSGC-PSGC para que seja medida a perda de inserção. Neste caso, como o
circuito fotônico consiste em apenas dois componentes idênticos, pode-se assumir
que a perda total do circuito é influenciada igualmente por ambas as grades. O
outro dispositivo de teste consiste em uma PSGC conectada a duas grades de
polarização 1-D. Como as grades de polarização 1D são idênticas, considera-se
que a variação de potência entre as portas da PSGC são causadas por uma PDL.
64
Figura 50: dispositivo para teste a) perda de inserção b) PDL
Para realizar as medidas das grades, utilizou-se fibras polidas,
representada pela Figura 51, com um ângulo de polimento ( ) igual a
Figura 51: Diagrama do teste com fibra polida
65
(32)
Sendo o ângulo do polimento, o variação do ângulo da fibra, o
ângulo do modo difratado da grade e o índice efetivo da fibra. Para um
ângulo de polimento de e um índice efetivo de , temos um ângulo
aproximadamente igual a .
Com a fabricação desta fibra polida foram feitas as medidas da grade de
acoplamento e foi obtida uma perda de inserção de com uma PDL de ,
como mostrado nas Figura 52 e Figura 53.
Figura 52: Comparação entre os resultados da perda de inserção da simulação e do experimento
66
Figura 53: Resultado experimental da PDL na grade 2D
Estes resultados foram muito próximos dos encontrados na simulação. É
importante salientar que as variações encontradas entre o experimento e a
simulação são principalmente influenciadas devido à dificuldade de medição, uma
vez que é necessário utilizar duas fibras para a aquisição dos dados, estas podem
não estar completamente alinhadas, o que aumenta a perda de inserção e PDL do
dispositivo. Entretanto, estas variações não foram significativas a ponto de
invalidarem as propriedades do dispositivo. O que habilita este componente a ser
utilizado em dispositivos fotônicos que operam com diversidade de polarização.
Existem algumas técnicas que podem ser utilizadas para aumentar a
eficiência das grades de acoplamento. Uma delas é o aumento da refletividade da
interface do substrato o que leva a um aumento na diretividade da grade. Isto
pode ser feito através de uma metalização [20] ou por meio da criação de uma
grade vertical [32]. Outra abordagem é a criação de uma grade não uniforme, uma
vez que uma grade uniforme possui uma eficiência teórica de [33]. Logo, uma
grade não uniforme levaria a um maior casamento entre os modos da grade e da
fibra, podendo melhorar o acoplamento em até [15].
67
4.3 Pads e linhas de RF
É importante que a integridade do sinal elétrico seja preservada a fim de
evitar perdas e consequentemente a diminuição da eficiência de modulação
óptica. Para verificar o sinal elétrico foram construídos componentes apenas com
a camada de metal como mostrado na figura abaixo.
Figura 54: Dispositivos de teste dos pads de RF
Uma vez que o modulador possui linhas de transmissão coplanares
(coplanar strip lines CPW) foram criados pads para a inserção do sinal. O
dispositivo da esquerda tem o objetivo de caracterizar a impedância da linha. Já o
dispositivo da direita possui uma mudança na direção de propagação devida à
geometria e posicionamento dos moduladores no chip, logo a caracterização da
perda devido a este deslocamento se faz necessária.
Para encontrar a impedância característica da primeira linha de transmissão
foi feita a medida do parâmetro de reflexão S11, através do analisador de rede.
Pode-se observar pela carta de Smith, da figura seguinte, que a impedância está
muito próxima do valor de referência de , isso significa que a linha está quase
casada com os cabos e com o equipamento.
68
Figura 55: Carta de Smith com a impedância característica dos pads
Na figura abaixo é mostrado o sinal adquirido pelo parâmetro S21 do
dispositivo. Nela é mostrado que há uma perda de aproximadamente do
sinal elétrico na banda de frequência entre a . Foi escolhida esta
faixa devido a limitações dos equipamentos de teste, uma vez que o VNA utilizado
é capaz de analisar sinais entre até .
Figura 56: Transmissão do sinal de RF nos pads com deslocamento
69
4.4 Modulador de Silício
O modulador de silício consiste no principal componente do circuito DP-
QPSK. Para que seja feita modulação em altas taxas, seu funcionamento baseia-
se no princípio de modulação por plasma: a onda de sinal RF rearranja os
portadores livres (elétrons e lacunas). Os portadores livres, por sua vez, modificam
o índice de refração local. As mudanças no índice de refração levam ao atraso de
fase, permitindo assim a modulação óptica. A Figura 57 mostra a estrutura do
modulador, o modo óptico e o modo RF.
Figura 57: (a) Estrutura do modulador (b) Modo fundamental óptico, |E| (c) Modo fundamental RF
A seguir são mostradas as equações de Krammers-Kronig, extremamente
importantes para a modulação do sinal.
(33)
70
(34)
(35)
(36)
Como pode ser observado, as mesmas relacionam as partes real e
imaginária da permissividade relativa. Desta maneira, modulando a parte real, a
parte imaginária também é modificada. Há, portanto, um compromisso entre
tensão de modulação ) e perdas ópticas do sinal.
4.4.1 Análise DC
Como já discutido, a junção pn é responsável por modificar o índice de
refração. É mostrada na Figura 58 a distribuição de elétrons e lacunas na seção
transversal do diodo.
Figura 58: (a) Concentração de lacunas para tensão aplicada 0V, (b) Concentração de elétrons para tensão aplicada 0V.
A distribuição de n e p mostrada nas figuras acima, bem como a curva de
atraso de fase simulada na Figura 60, foram obtidos a partir da solução da
71
equação de difusão e deriva de portadores livres no silício. Estas curvas
representam a análise estática, e foram obtidas com diversos valores de tensão
reversa estática aplicadas no semicondutor.
(37)
(38)
(39)
(40)
Sendo e as concentrações de elétrons e lacunas, V a distribuição de
potencial elétrico no semicondutor, a as mobilidades dos elétrons e das
lacunas respectivamente, e as difusidades dos elétrons e lacunas
respectivametne, e as densidades de corrente de elétrons e lacunas. Tais
equações foram resolvidas a partir do software COMSOL. Conhecidas as
distribuições de e é necessário calcular a variação de índice de refração na
amostra, que são obtidas a partir das equações de Soref [6]. As equações de
Soref são correções experimentais do modelo de Drude, elas serão apresentadas
novamente devido à sequência da solução do modulador.
(41)
(42)
Sendo a variação nas perdas e a variação no índice de refração. As
concentrações de e devem estar em . A unidade de é saída é .
Conhecidos os valores de e é necessário calcular a variação do
índice efetivo do guia. Uma alternativa é empregar a teoria das perturbações:
72
(43)
(44)
A perda de inserção simulada pode ser calculada a partir da equação 45:
(45)
Sendo o comprimento do modulador em .
Por outro lado, o atraso de fase pode ser calculado por:
(46)
O modulador utilizado neste projeto possui uma estrutura semelhante à
Figura 59 [34], sendo um guia de onda conhecido como rib, o qual possui uma
largura de por de espessura, com um slab de de espessura.
Este guia contém três níveis de dopagem formando uma junção pn no meio do
guia de onda. As seções com maiores níveis de dopagem são as p++ e n++, com
concentrações de e larguras de cada uma. Já as regiões com
níveis de concentração intermediárias, p+ e n+ possuem ambas e
larguras idênticas de . A largura das regiões menos dopadas, p e n, são de
com concentrações de e respectivamente.
Figura 59: Seção transversal do um modulador de fase presente no modulador TWMZ
73
Variando os valores de tensão reversa aplicada, são obtidas as curvas
apresentadas nas Figura 60 e Figura 61, que representam a variação de fase e de
atenuação em função da tensão reversa aplicada. Observa-se que as curvas
tendem a uma diminuição de suas derivadas à medida que se aumenta o valor de
tensão aplicada. Isso acontece porque para altas tensões reversas, uma fração
considerável de portadores livres já foi removida da junção. Como a variação de
índice de refração e a atenuação dependem da concentração de portadores, são
necessários valores cada vez mais altos de tensão aplicada a fim de remover mais
portadores para modificar o índice de refração e diminuir as perdas ópticas.
Figura 60: Simulação de Atraso de fase e atenuação em função da tensão para o modulador TWMZ
74
Figura 61: Simulação das perdas ópticas em função da tensão
Nota-se que o calculado é de aproximadamente com um perda de
inserção de . Estes valores são próximos aos encontrados no modulador
TWMZ, disponibilizado pela foundry.
Para a caracterização, primeiramente foram realizados testes DCs,
aplicando diversos valores de tensão no modulador e medindo a potência óptica
na saída, apresentado na Figura 62. O objetivo do teste foi para a determinação
do ponto de operação do modulador. Para o caso da modulação de fase BPSK,
este deve operar no ponto de mínima potência de saída permitindo modulação de
fase sem modulação de amplitude.
75
Figura 62: Medida do Ponto de Operação do modulador
4.4.2 Análise AC
A simulação RF do modulador consiste em simular o modo fundamental e
propagá-lo ao longo do modulador.
Figura 63: Distribuição de campo elétrico junto às flechas brancas que representam o campo magnético no modulador
76
A Figura 63 ilustra a distribuição de campo em torno do guia de onda. Nota-
se que a intensidade de campo elétrico concentra-se bem no meio do guia de
onda, enquanto que o campo magnético circula em torno dos eletrodos de metal.
A partir da distribuição de campos é possível calcular a impedância
característica usando a expressão:
(47)
Sendo o caminho entre os eletrodos. A Integral de linha de deve ser
calculada em torno de um dos eletrodos
Figura 64: Simulação da impedância característica do modulador
Observa-se uma mudança significativa da impedância ao longo da
frequência, o que não é observado experimentalmente, conforme mostrado mais à
frente na Figura 65. A caracterização elétrica do modulador fornece a impedância
77
característica da linha de transmissão. Isto foi possível através da aquisição do
parâmetro S11 para dois casos, sem terminação e com terminação de . A
impedância característica é apresentada na Figura 65.
Figura 65: a) Impedância característica b) Reatância da linha de transmissão do modulador
A figura acima mostra que a impedância característica do modulador está
em torno de . O aumento da impedância em torno de se dá na verdade
a)
b)
78
devido à interferência entre os braços do modulador. Observa-se também uma
mudança significativa da curva de impedância em função da tensão de
polarização aplicada. Isso acontece porque a mudança da tensão causa uma
mudança na junção.
Devido ao fato do formato de modulação desejado necessitar de mais de
um sinal de RF aplicado ao mesmo tempo no chip, há a necessidade de estudar o
efeito da interferência que uma linha de transmissão induz em outra. Para isso,
medidas de interferência entre a linha de transmissão foram realizadas utilizando
as micro pontas de prova, e o analisador de rede vetorial. A figura abaixo ilustra
os três casos que foram medidos. No primeiro, a porta 1 (P1) do analisador de
rede foi colocado na linha de transmissão 1 (LT1) enquanto que a porta 2 (P2) foi
posicionada no lado oposto da linha de transmissão 2 (TL2), sendo que as duas
linhas pertencem ao mesmo modulador Mach-Zehnder. Já o caso 2, é medido
ainda o mesmo modulador Mach-Zehnder, porém com a posição das portas
trocadas. No terceiro caso foi medida a interferência entre duas linhas de
transmissão de dois moduladores diferentes.
Figura 66: Diagrama do posicionamento das pontas de prova para a análise de interferência entre as linhas de transmissão dos moduladores Mach-Zehnder
A figura seguinte ilustra os resultados dos três casos distintos, seguindo o
diagrama da Figura 66. Nos casos das curvas azul e verde, o comportamento é
praticamente o mesmo, pois, trata-se dos dois braços de um mesmo Mach-
Zehnder.
79
Figura 67: Análise da interferência entre as linhas de transmissão dos moduladores
O valor de interferência na ordem de é relativamente alto, pois não
há um sinal de referência (ground) para isolar as duas linhas. No caso da curva
vermelha, a interferência é menor justamente porque existe o sinal de referência
entre as duas linhas. É interessante notar que há um pico na faixa de a ,
isto se dá devido principalmente a interferências causadas pelo substrato.
4.4.3 Transmissão Digital
Os testes de transmissão digital foram feitos também para o comprimento
de onda de . A tensão de RF aplicada foi de , por isso, houve a
necessidade de aplicar uma tensão DC mínima de para que o diodo fique
polarizado reversamente e não entre em condução. Além disso, é importante
destacar que as terminações utilizadas no modulador são de , as quais geram
reflexões significativas nas linhas de transmissão, impossibilitando a visualização
de um diagrama de olho óptico do sinal modulado. O diagrama da Figura 68
exemplifica como foram feitos os testes de transmissão, sendo a Figura 68a a
parte referente a transmissão de um QPSK, e a Figura 68b a recepção.
80
Figura 68: Diagrama do experimento de transmissão digital a) Transmissor b) Receptor
O objetivo do pós-processamento é corrigir no domínio digital uma série de
imperfeições geradas ao longo do canal e no processo de recepção. Abaixo são
listadas algumas das funções dos algoritmos de pós-processamento:
Correção de Polarização não ortogonal. Durante o processo de
transmissão, a ortogonalidade das polarizações é destruída. Portanto, a
partir do algoritmo de Gram-Schmidt é possível corrigir este efeito.
Correção dos efeitos de dispersão de velocidade de grupo (GVD),
dispersão cromática (CD) e dispersão por atraso de grupo (GDD)
Fase e largura de linha do oscilador local. As frequências de batimento do
laser e do oscilador local são ligeiramente diferentes. Ao contrário dos
mecanismos de PLL, os quais implementam um sistema de controle que
acopla a frequência do laser com a frequência do sinal, a recepção
heteródina visa corrigir este efeito posteriormente à detecção. É importante
mencionar também que o laser possui uma largura de linha, ou seja,
apresenta uma distribuição em comprimentos de onda.
81
4.4.3.1 Transmissão BPSK
Para realizar a modulação BPSK foi utilizado um modulador Mach-Zehnder
operando em push-pull a uma taxa de transmissão de . Obteve-se uma
taxa de erro de bit de aproximadamente para uma transmissão back-
to-back com OSNR igual a , como apresentado na Figura 69.
A visualização do diagrama de olho (Figura 70) só foi possível quando o
resistor de terminação integrado de foi soldado no modulador. Contudo, não é
possível utilizá-lo na modulação push-pull, uma vez que a sintonia do modulador
se faz por meio de tensão aplicada diretamente no braço do TWMZ. Assim, esta
tensão geraria uma corrente elevada que prejudicaria o desempenho do
dispositivo.
Figura 69: a) Constelação e b) relação BER x OSNR para modulação BPSK 28 Gpbs
a)
b)
82
Figura 70: Diagrama de olho para modulação BPSK com modulação em apenas um braço do modulador
Foi inserida uma fibra monomodo (SMF-28) de para a validação do
modulador em um enlace óptico. Para isso, utilizou-se um sinal diferencial RF com
em uma taxa de , uma tensão reversa de e nos dois braços
do modulador. O resultado adquirido após o processamento do algoritmo do DPS
foi uma BER estimada de , como pode ser observado pela constelação
abaixo:
Figura 71: Constelação para modulação BPSK no enlace de
83
4.4.3.2 Transmissão QPSK
Para a realização da transmissão QPSK utilizou-se dois pares de sinais
diferenciais com taxa de . O sinal QPSK transmitido a uma taxa de
foi obtido como mostra as Figura 72 e Figura 73, com uma taxa de erro de bit de
aproximadamente . Isto foi obtido com tensões de no braço 1 do
primeiro TWMZ e 15V no braço 2 do segundo TWMZ, enquanto que nos braços
remanescentes dos modulares foram aplicadas tensões de . Foi necessária a
aplicação de uma corrente de no defasador térmico para gerar uma
defasagem de entre os dois sinais.
Figura 72: Diagrama de tensões no IQM
Figura 73: Constelação QPSk
84
4.4.3.3 Transmissão DP-QPSK
O layout final do circuito DP-QPSK é mostrado na figura seguinte. Nela está
presente também um TWMZ adicional que foi utilizado para a caracterização da
modulação BPSK.
Figura 74: Layout do modulador DP-QPSK integrado
Não foi possível testar a modulação DP-QPSK, pois não foi encontrado
nenhum chip onde os dois moduladores QPSK funcionaram. Isto aconteceu
devido ao fato do ajuste do ponto de operação se dar através da tensão aplicada
no braço dos moduladores, acarretando em um aumento do . A tensão de
ruptura da junção foi atingida por volta de , que é muito próxima da tensão
utilizada em um dos moduladores QPSK mostrado na seção anterior. Uma
alternativa para solucionar este problema nas próximas fabricações é a utilização
de defasadores térmicos entre os braços dos moduladores.
85
5. Conclusão
Do ponto de vista da transmissão não foi possível realizá-la na taxa de
. O principal motivo se deve ao descasamento de impedância e altos
valores de do modulador. Mesmo com a presença do resistor de terminação
integrado, este não pode ser soldado ao transmissor uma vez que a tensão DC
pode danificá-lo.
Os próximos trabalhos serão feitos com o intuito da melhoria do dispositivo,
após a análise e verificação dos pontos a serem trabalhados. As principais
medidas a serem tomadas para a nova versão do modulador são:
Determinação do ponto de polarização por defasadores térmicos, ou seja,
não por tensão aplicada diretamente nos braços do modulador. Isso reduz
significativamente a tensão de polarização, e por tanto, o a ser
empregado;
Taps de sinal, a fim de determinar o ponto de operação do dispositivo;
Construção de DC-Block e resistor de terminação, que bloqueia o sinal DC
de chegar ao modulador, evitando danificá-lo.
Apesar da dificuldade em encontrar o ponto de operação, foi demonstrado
um modulador QPSK com uma BER estimada de . O resultado
da grade de acoplamento 2D com a possibilidade da utilização de defasadores
térmicos, indica que é possível ajustar o ponto de operação com os aquecedores e
rodar a polarização da luz, indicando que é viável realizar o transmissor DP-QPSK
nesta tecnologia.
Além disso, foi criado um fluxo de desenvolvimento de componentes
completo, o qual se inicia com as simulações (FDTD, FEM, BPM, etc.), passando
pela geração dos layouts das máscaras para a fabricação, e finalizando com a
caracterização do dispositivo. Este processo foi satisfatório para o
desenvolvimento das grades de acoplamento 2D, na qual foram obtidos resultados
muito similares ao simulados no software FDTD Lumerical.
86
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