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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

xv

À minha família.

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


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



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


MZM



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



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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