Empirical modeling of low-frequency dispersive effects due to traps and thermal phenomena in III-V FET's

The modeling of low-frequency dispersive effects due to surface state densities, deep level traps and thermal phenomena plays an important role in the large-signal performance prediction of III-V FET's. This paper describes an empirical modeling approach to accurately predict deviations between static and dynamic drain current characteristics caused by dispersive effects in III-V devices operating at microwave frequencies. It is based on reasonable assumptions and can easily be embedded in nonlinear FET models to be used in Harmonic-Balance tools for circuit analysis and design. Experimental and simulated results, for HEMT's and GaAs MESFET's of different manufacturers, that confirm the validity of the new approach, are presented and discussed together with the characterization procedures require

ELECTRON DEVICE NONLINEAR MODELLING FOR MICROWAVE CIRCUIT DESIGN

The electron device modelling is a research topic of great relevance, since the performances required to devices are continuously increasing in terms of frequency, power and linearity: new technologies are affirming themselves, bringing new challenges for the modelling community. In addition, the use of monolithic microwave integrated circuits (MMIC) is also increasing, making necessary the availability, in the circuit design phase, of models which are computationally efficient and at the same more and more accurate. The importance of modelling is even more evident by thinking at the wide area covered by microwave systems: terrestrial broadband, satellite communications, automotive applications, but also military industry, emergency prevention systems or medical instrumentations. This work contains a review of the empirical modelling approach, providing the description of some well-known equivalent-circuit and black-box models. In addition, an original modelling approach is described in details, together with the various possible applications: modelling of nonquasi-static phenomena as well as of low-frequency dispersive effects. A wide experimental validation is provided, for GaAs- and GaN-based devices. Other modelling issues are faced up, like the extraction of accurate models for Cold-FET or the more convenient choice of the data-interpolator in table-based models. Finally, the device degradation is also treated: a new measurement setup will be presented, aimed to the characterization of the device breakdown walkout under actual operating conditions for power amplifiers

Towards On-Chip Self-Referenced Frequency-Comb Sources Based on Semiconductor Mode-Locked Lasers.

Miniaturization of frequency-comb sources could open a host of potential applications in spectroscopy, biomedical monitoring, astronomy, microwave signal generation, and distribution of precise time or frequency across networks. This review article places emphasis on an architecture with a semiconductor mode-locked laser at the heart of the system and subsequent supercontinuum generation and carrier-envelope offset detection and stabilization in nonlinear integrated optics

DESIGN TECHNIQUES FOR HIGH-EFFICIENCY MICROWAVE POWER AMPLIFIERS

The increasingly diffusion of wireless devices during the last years has established a sort of “second youth” of analog electronics related to telecommunication systems. Nowadays, in fact, electronic equipments for wireless communication are exploited not only for niche sectors as strategic applications (e.g., military, satellite and so on): as a matter of fact, a large number of commercial devices exploit wireless transmitting systems operating at RF and microwave frequencies. As a consequence, increasing interest has been focused by academic and industrial communities on RF and microwave circuits and in particular on power amplifiers, that represent the core of a wireless transmitting system. In this context, more and more challenging performance are demanded to such a kind of circuit, especially in terms of output power, bandwidth and efficiency. The present thesis work has been focused on RF and microwave power amplifier design that, as said before, represents one of most actual and attractive research theme. Several aspects of such topic have been covered, from the analysis of different design techniques available in literature to the development of an innovative design approach, providing many experimental results related to realized power amplifiers. Particular emphasis has been given to high-efficiency power amplifier classes of operation, that represent an hot issue in a world more and more devoted to the energy conservation. Moreover, electron device degradation phenomena were investigated, that although not directly accounted for, represent a key issue in microwave power amplifier design. In particular, the first chapter of this thesis provides an overview of commonly adopted design methodologies for microwave power amplifier, analyzing the advantages and the critical aspects of such approaches. Moreover, nonlinear device modeling issues oriented to microwave power amplifier design have been dealt with. In the second chapter, an innovative design technique is presented. It is based on experimental electron device nonlinear characterization, carried out by means of a low-frequency large signal measurement setup, in conjunction with the modeling of high-frequency nonlinear dynamic phenomena. Several design examples have been carried out by exploiting the proposed approach that confirm the effectiveness of the design technique. In the third chapter, the proposed design methodology has been applied to high-efficiency power amplifier classes of operations, that need to control the device terminations not only at the fundamental frequency, but also at harmonics. Two high-efficiency power amplifiers have been realized by adopting such a technique, demonstrating performance in terms of output power and efficiency comparable with the state of the art. Finally, in chapter four an important power amplifier design aspect has been dealt with, related to degradation and performance limitation of microwave electron devices. Several experimental results have been carried out by exploiting a new measurement setup, oriented to the characterization of degradation phenomena of microwave electron devices

Stimulated Brillouin Scattering in Integrated Circuits: Platforms and Applications

Coherent interactions between light and sound have been of significant interest since the invention of the laser. Stimulated Brillouin scattering (SBS) is a type of coherent interaction where light is scattered from optically generated acoustic waves. SBS is a powerful tool for optical and microwave signal processing, with applications ranging from telecommunications and Radar, to spatial sensing and microscopy. Over the last decade there has been increasing interest in the investigation of Brillouin scattering at device scales smaller than the wavelength of light. New interactions with the waveguide boundaries in these systems are capable of altering the strength of SBS, from complete suppression to orders of magnitude increases. The landmark demonstration of Brillouin scattering in planar waveguides, just six years ago, represents a new frontier for this field. This work explores the effective generation and harnessing of stimulated Brillouin scattering within modern photonic circuits. After establishing the foundations of linear and nonlinear optical circuits, we investigate the Brillouin processes available in multimode waveguides. We experimentally demonstrate giant Brillouin amplification using spiral waveguides consisting of soft-glass materials. We then integrate this soft-glass onto the standard platform for photonic circuits, silicon on insulator, without any reduction in performance. We apply these advanced devices to the field of microwave photonics and create high suppression microwave filters with functionality far beyond traditional electronic circuits. This thesis is a significant step towards Brillouin enabled integrated photonic processors

Terahertz Technology and Its Applications

The Terahertz frequency range (0.1 – 10)THz has demonstrated to provide many opportunities in prominent research fields such as high-speed communications, biomedicine, sensing, and imaging. This spectral range, lying between electronics and photonics, has been historically known as “terahertz gap” because of the lack of experimental as well as fabrication technologies. However, many efforts are now being carried out worldwide in order improve technology working at this frequency range. This book represents a mechanism to highlight some of the work being done within this range of the electromagnetic spectrum. The topics covered include non-destructive testing, teraherz imaging and sensing, among others

Hybrid Silicon-Photonic Circuits with Second-Order Optical Nonlinearities

Die integrierte Optik ermöglicht die Miniaturisierung diskreter photonischer oder elektro-optischer (EO) Komponenten und die Kombination dieser Bauelemente in komplexen photonischen integrierten Schaltungen (engl. photonic integrated circuit, PIC) auf kompakten Mikrochips. Die Silizium-Photonik (SiP) ist eine sehr attraktive Plattform für die photonische Integration, da sie ausgereifte Herstellungsprozesse aus der Mikroelektronik nutzen kann. Damit eröffnet die Silizium-Photonik die Möglichkeit zur kostengünstigen Massenproduktion von photonischen Chips mit hoher Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Darüber hinaus erlaubt der große Brechungsindexkontrast zwischen dem als Wellenleiterkern dienendem Silizium (Si) und dem als Mantelmaterial verwendeten Siliziumdioxid die Herstellung von Wellenleitern mit kleinen Querschnitten und kleinen Krümmungsradien, was die Integrationsdichte im Vergleich zu anderen Materialplattformen erhöht. Die Silizium-Photonik hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Aufgrund seines inversionssymmetrischen Kristallgitters besitzt Silizium keine Nichtlinearität zweiter Ordnung. Folglich sind Bauelemente wie optische Frequenzkonverter, optische Logikgatter, verschränkte Photonenquellen und vor allem elektro-optische Modulatoren, welche auf dem Pockels-Effekt basieren, auf der SiP-Plattform nicht ohne Weiteres realisierbar. Die hybride Integration von Silzium-Nanowellenleitern mit anderen Materialien, die eine Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweisen, ist daher für die Erweiterung des Portfolios von SiP-Bauelementen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze für die hybride Integration in SiP-Schaltungen untersucht. Der erste Ansatz stütz sich auf hocheffiziente organische EO Materialien, die mit siliziumphotonischen Wellenleiterstrukturen in einem Back-End-of-Line-Prozess kombiniert werden, um sogenannte Silicon-Organic Hybrid (SOH) EO Modulatoren zu realisieren. In dieser Arbeit werden SOH-Modulatoren demonstriert, die neue Rekorde in Bezug auf Modulationseffizienz, optische Einfügungsdämpfung und demonstrierte Datenrate definieren. Darüber hinaus wird die thermische Langzeitstabilität dieser Bauelemente bei 85 °C validiert. Der zweite Ansatz beruht auf neuartigen anorganischen Nanolaminat-Dünnfilmen, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) gewachsen werden. Aufgrund des frühen Forschungsstadiums wurden diese Materialien nicht direkt auf SiP-Chips, sondern auf Glassubstraten gewachsen und durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) charakterisiert. In dieser Arbeit werden SHG-Charakterisierungstechniken für Nanolaminate untersucht und ein neues Nanolaminat vorgestellt. Perspektivisch könnte ALD allerdings auch für die Beschichtung von SiP-Chips verwendet werden. Das konforme ALD-Wachstum bietet sich hierbei an, um präzise definierte Schichtfolgen auch auf komplexen Wellenleiterstrukturen mit hoher Reproduzierbarkeit abzuscheiden. Diese beiden Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit näher beschrieben. Kapitel 1 gibt eine Einführung in die integrierte Optik und erläutert die Notwendigkeit der Hybridintegration von optisch-nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung in SiP-Schaltungen. Kapitel 2 fasst den theoretischen Hintergrund, führt die für diese Arbeit relevanten Aspekte der nichtlinearen Optik ein und gibt einen Überblick über verschiedene Klassen von nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung. Darüber hinaus wird der Stand der Technik von Mach-Zehnder-Modulatoren auf der SiP-Plattform vorgestellt. In Kapitel 3 wird die sehr hohe Modulationseffizienz von SOH-Modulatoren demonstriert. Dabei wird ein Mach-Zehnder-Modulator diskutiert, bei dem das Produkt aus π-Spannung und Länge nur 0,32 Vmm beträgt. Im Vergleich zu modernsten SiP-Modulatoren stellt dieser Wert eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung dar. Diese hohe Effizienz ermöglicht eine optische Signalerzeugung mit einer Datenrate von 40 Gbit/s unter Verwendung sehr kleiner Peak-to-Peak Treiberspannungen von nur 140 mV$_{\rm{pp}}$. Kapitel 4 stellt einen kompakten SOH-Modulator mit einer optischen Dämpfung des Phasenschiebers von unter 1 dB vor – dies entspricht dem niedrigsten Wert der jemals für einen ultra-schnellen SiP-Modulator veröffentlicht wurde. Der Nutzen dieses Bauteils für schnelle und effiziente optische Datenübertragung wird in einem Experiment demonstriert, bei dem vierstufige Pulsamplitudenmodulations-Signale (PAM4) bei 100 GBd erzeugt werden. Die hierfür verwendeten Treiberspannungen sind kompatibel mit typischen Spannungspegeln, die von energieeffizienten und hochgradig skalierbaren Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-(CMOS­)Bauteilen erzeugt werden können. Kapitel 5 demonstriert die thermische Langzeitstabilität von SOH-Modulatoren gemäß den Telcordia-Normen für die Lagerung bei hohen Temperaturen. Die Bauelemente werden bei 85 °C für insgesamt 2700 h gelagert, und es zeigt sich, dass die π-Spannung nach einem schnellen anfänglichen Anstieg auf ein konstantes langzeitstabiles Niveau konvergiert. Weiterhin wird gezeigt, dass die Lagerung bei 85 °C keinen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Bauteile bezüglich der optischen Datenübertragung hat. Dazu wurde eine optische Datenübertragung mit einem SOH-Bauteil durchgeführt, das zuvor für 2700 h bei 85 °C gelagert wurde. Mit dieser Demonstration wird eines der letzten verbleibenden Hindernisse auf dem Weg zum technischen Einsatz von SOH-Bauteilen adressiert: Die Stabilität der zugrundeliegenden organischen Materialien. In Kapitel 6 werden zwei verschiedene Techniken zur Messung von SHG von anorganischen Nanolaminaten und zur Bestimmung der zugehörigen Elemente des $\chi^{(2)}$-Tensors untersucht. Die Vor- und Nachteile der beiden Methoden werden verglichen und die Quellen für Messfehler identifiziert. Kapitel 7 stellt ein neuartiges binäres Nanolaminatmaterial vor, das auf abwechselnden Schichten aus Zinkoxid und Aluminiumoxid basiert. Die ermittelte Nichtlinearität zweiter Ordnung ist mehr als dreimal so groß wie bei zuvor veröffentlichten ternären Nanolaminaten. Kapitel 8 fasst die Themen dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten zu SOH-Modulatoren und Nanolaminat-Dünnfilmen