Πλασμονικές (DLSPP) διατάξεις ολοκληρωμένες σε πυρίτιο (Si) για οπτικά δίκτυα διασύνδεσης υπολογιστικών συστημάτων

Abstract

Over the last years, the emerging demands in the field of HPC (High Performance Computing-HPC) interconnects for ultra-high capacity, low energy consumption, high integration density has pushed towards practical solutions based on optical interconnects instead of the electrical approaches. This paradigm shift has been implemented employing the portfolio of Photonic Integrated Circuits (PICs). Since the electrical bottleneck sets the capacity and power consumption limits for the on-chip and chip-to-chip communication, the diffraction-limit introduces the physical limitations in the world of integrated optics. Plasmonic interconnects overcome the above barriers by combining the nm-scale size of electrical interconnects with the unlimited bandwidth and low power consumption of optical interconnects into the same technology approach. The main objective of this PhD thesis is the design, characterization and experimental demonstration of active plasmonic elements based on DLSPP waveguides for on-chip switching configurations. The great promise of the proposed DLSPP switching concept is the ultra-high throughput, small footprint and low power consumption. The implementation path is based on the development of a hybrid router consisting of active circuitries based on DLSPP waveguides and passive circuitries based on SOI photonic waveguides. This hybrid integration topology is based on the comparative benefits of both integration technologies: The low-loss propagation and low-coupling loss of SOI platform for passive functionalities and the sub-wavelength size and inherently low-energy consumption of DLSPP platform for active functionalities. In this line, the 2x2 switching functionality is presented employing the thermo-optic effect as the on-chip switching mechanism. The passive platform that hosts the active plasmonic element is based on the development of Rib-type SOI waveguides which offer low-loss on-chip communication and low fiber-to-chip coupling loss. Two different types of SOI waveguides were designed, fabricated and tested to ensure the optimum performance for guiding the TM polarization mode on the Silicon platform. A large number of experimental studies were carried out to evaluate the performance of passive SOI circuitries on the probe station. Experimental results focusing on the coupling loss of grating couplers, propagation loss of Rib-type waveguides were also included following the cutback method for a large set of grating structures of different design parameters.The development of DLSPP waveguides was pursued by presenting PMMA-loaded DLSPP waveguide structures hetero-integrated on SOI passive platform. The design and experimental evaluation of Si-to-DLSPP interfacing point is successively discussed showing low coupling loss between the silicon waveguides and the plasmonic part for the TM polarization mode. The propagation loss of plasmonic waveguides as well the quality performance of PMMA-loaded structures was also performed through experimental measurements on probe station of PCRL premises. The experimental evidence of data capture was demonstrated showing 10Gb/s NRZ-OOK transmission through a 60-μm long dielectric loaded SPP waveguide. High-rate OTDM transmission of fs-scale RZ optical data pulses at 160Gb/s through the Si-DLSPP straight waveguide was also experimentally investigated. The WRR-based (Waveguide Ring Resonator WRR) switching concept using active DLSPP components is thoroughly discussed in the next chapter. The design, fabrication and static optical characterization are reported using a large number of experimental results. The PMMA-loaded plasmonic microrings which are controlled via thermo-optic mechanism were experimentally evaluated focusing mainly on the energy consumption and other thermal-related metrics. Taking a step forward, using polymers for dielectric loadings that exhibit higher TOC (Thermo-Optic Coefficient-TOC) values are desirable to drastically reduce the switching power. In this line, the polymer Cyclomer has been adopted to experimentally demonstrate thermo-optically controlled dual-ring switching configurations. At the end, the switching concept based on Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer (A-MZI) is introduced. The presented switching element relies on the use of thermo-optic control on A-MZI branches to achieve high quality 2x2 switching operation on WDM architectures. Experimental measurements are presented to address the static and dynamic features of the Cyclomer-loading DLSPP switch while the impact of hetero-integration of active plasmonics on the silicon chip was also under test. The performance evaluation was carried out under real traffic conditions by experimentally demonstrating the successful switching operation of 10 Gb/s NRZ-encoded continuous data traffic. The obtained results are reported as the first experimental evidence of the proper switching credentials of active plasmonics based on Cyclomer loading SPP waveguides. To quantify the above benefits owing to the footprint reduction enabled by using Cyclomer as the polymer loading instead of PMMA, we introduced a performance factor (figure of merit) that associates the power consumption, the response time and the active length of a switching element.

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