Next Generation Silicon Photonic Transceiver: From Device Innovation to System Analysis

Silicon photonics is recognized as a disruptive technology that has the potential to reshape many application areas, for example, data center communication, telecommunications, high-performance computing, and sensing. The key capability that silicon photonics offers is to leverage CMOS-style design, fabrication, and test infrastructure to build compact, energy-efficient, and high-performance integrated photonic systems-on- chip at low cost. As the need to squeeze more data into a given bandwidth and a given footprint increases, silicon photonics becomes more and more promising. This work develops and demonstrates novel devices, methodologies, and architectures to resolve the challenges facing the next-generation silicon photonic transceivers. The first part of this thesis focuses on the topology optimization of passive silicon photonic devices. Specifically, a novel device optimization methodology - particle swarm optimization in conjunction with 3D finite-difference time-domain (FDTD), has been proposed and proven to be an effective way to design a wide range of passive silicon photonic devices. We demonstrate a polarization rotator and a 90◦ optical hybrid for polarization-diversity and phase-diversity communications - two important schemes to increase the communication capacity by increasing the spectral efficiency. The second part of this thesis focuses on the design and characterization of the next- generation silicon photonic transceivers. We demonstrate a polarization-insensitive WDM receiver with an aggregate data rate of 160 Gb/s. This receiver adopts a novel architecture which effectively reduces the polarization-dependent loss. In addition, we demonstrate a III-V/silicon hybrid external cavity laser with a tuning range larger than 60 nm in the C-band on a silicon-on-insulator platform. A III-V semiconductor gain chip is hybridized into the silicon chip by edge-coupling to the silicon chip. The demonstrated packaging method requires only passive alignment and is thus suitable for high-volume production. We also demonstrate all silicon-photonics-based transmission of 34 Gbaud (272 Gb/s) dual-polarization 16-QAM using our integrated laser and silicon photonic coherent transceiver. The results show no additional penalty compared to commercially available narrow linewidth tunable lasers. The last part of this thesis focuses on the chip-scale optical interconnect and presents two different types of reconfigurable memory interconnects for multi-core many-memory computing systems. These reconfigurable interconnects can effectively alleviate the memory access issues, such as non-uniform memory access, and Network-on-Chip (NoC) hot-spots that plague the many-memory computing systems by dynamically directing the available memory bandwidth to the required memory interface

Development of an integrated silicon photonic transceiver for access networks

Debido a la imparable aparición de dispositivos móviles multifunción junto con aplicaciones que requieren cada vez más un mayor ancho de banda en cualquier momento y en cualquier lugar, las futuras redes de acceso deberán ser capaces de proporcionar servicios tanto inalámbricos como cableados. Es por ello que una solución a seguir es el uso de sistemas de comunicaciones ópticas como medio de transporte de señales inalámbricas en enlaces de radio sobre fibra. Con ello, se converge a un dominio óptico reduciendo y aliviando el cuello de botella entre los estándares de acceso inalámbrico y cableado. En esta tesis, como parte de los objetivos establecidos en el proyecto europeo HELIOS en el que está enmarcada, se han investigado y desarrollado los bloques funcionales básicos necesarios para realizar un transceptor fotónico integrado trabajando en el rango de longitudes de onda milimétricas, y haciendo uso de los formatos de modulación más robustos y que mejor se adaptan al ámbito de aplicación considerado. El trabajo que se presenta en esta tesis se puede dividir básicamente en tres partes. La primera de ellas ofrece una descripción general de los beneficios del uso de la fotónica en silicio para el desarrollo de enlaces inalámbricos a velocidades de Gbps, así como el estado del arte de los transceptores desarrollados por los grupos de investigación más activos y punteros para satisfacer las necesidades de mercado, cada vez más exigentes. La segunda parte se centra en el estudio y desarrollo del transmisor integrado de onda milimétrica. Primero realizamos una breve introducción teórica tanto del funcionamiento de los dispositivos que forman parte del transmisor, como a los formatos de modulación existentes, centrando la atención en la modulación por desplazamiento de fase (PSK) que es la que se va a utilizar en el desarrollo de los dispositivos implicados, y más concretamente en la modulación (diferencial) de fase en cuadratura ((D)QPSK). También se presentan los bloques básicos que integran nuestro transmisor y se fijan las especificaciones que deben cumplir dichos bloques para conseguir una transmisión libre de errores. El transmisor está compuesto por un filtro/demultiplexor encargado de separar dos portadoras ópticas separadas una frecuencia de 60 GHz. Una de estas portadoras es modulada al pasar por un modulador DQPSK basado en una estructura de dos MachZehnders (MZs) anidados, para ser nuevamente combinada con la otra portadora óptica que se ha mantenido intacta. Una vez combinadas, éstas son fotodetectadas para ser transmitidas inalámbricamente. En la tercera parte de esta tesis, se investiga el uso de un esquema de diversidad en polarización junto a un receptor DQPSK integrado para la demodulación de la señal recibida. El esquema de diversidad en polarización está formado básicamente por dos bloques: un separador de polarización con el objetivo de separar la luz a la entrada del chip en sus dos componentes ortogonales; y un rotador de polarización. En lo que se refiere al receptor DQPSK propiamente dicho, se ha investigado y optimizado cada uno de los bloques funcionales que lo componen. Éstos son básicamente un divisor de potencia termo-ópticamente sintonizable basado en un interferómetro MZ, en serie con un interferómetro MZ que introduce un retardo de duración de un bit en uno de sus brazos, para obtener una correcta demodulación diferencial. El siguiente bloque que forma parte de nuestro receptor DQPSK es un 2x4 acoplador de interferencia multimodal actuando como un híbrido de 90 grados, cuyas salidas van a parar a dos fotodetectores balanceados de germanio. Las contribuciones principales de esta tesis han sido: ¿ Demostración de un filtro/demultiplexor con tres grados de sintonización con una relación de extinción superior a 25dB. ¿ Demostración de un rotador con una longitud de tan sólo 25µm y CMOS compatible. ¿ Demostración de un modulador DPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s. ¿ Demostración de un demodulador DQPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s.Due to the relentless emergence of multifunction mobile devices with applications that require increasingly greater bandwidth at anytime and anywhere, future access networks must be capable of providing both wireless and wired services. The use of optical communications systems as transport medium of wireless signals over fiber radio links is a steady solution to be taken into account. This will make possible a convergence to an optical domain reducing and alleviating the bottleneck between wireless access standards and current wired access. In this thesis, as part of the objectives of the European project HELIOS in which it is framed, we have investigated and developed the basic functional blocks needed to achieve an integrated photonic transceiver working in the range of millimetre wavelengths, and using robust modulation formats that best fit the scope considered. The work presented in this thesis can be basically divided into three parts. The first one provides an overview of the benefits of using silicon photonics for the development of wireless links at rates of Gbps, and the state of the art of the transceivers reported by the most important research groups in order to meet the increasingly demanding needs¿ market. The second part focuses on the study and development of millimetre-wave integrated transmitter. First we provide a brief theoretical introduction of the operation principles of the devices involved in the transmitter such as a modulation formats, focusing on the phase shift keying (PSK) which is the one that will be used, particularly the (differential) quadrature phase shift keying ((D) QPSK). We also present the building blocks involved in our transmitter and we set the specifications that must be met by these devices in order to achieve an error-free transmission. The transmitter includes a filter/demultiplexer which must separate two optical carriers 60 GHz separated. One of these optical carriers is modulated by passing through a DQPSK Mach-Zehnder-based modulator (MZM) by arranging two MZMs in a nested configuration. Using a combiner, the modulated optical signal and the un-modulated carrier are combined and photodetected to be transmitted wirelessly. In the third part of this thesis, we investigate the use of a polarization diversity scheme with an integrated DQPSK receiver for demodulating of the wireless signal. The polarization diversity scheme basically consists of two blocks: a polarization splitter in order to separate the random polarization state of the incoming light into its two orthogonal components, and a polarization rotator. Regarding the DQPSK receiver itself, all the functional blocks that comprise it have been investigated and optimized. It basically includes a thermo-optically tunable MZ interferometer power splitter, in series with a MZ interferometer that introduces, in one of its arms, a delay of one bit length in order to obtain a correct differential demodulation. The next building block of our DQPSK receiver is a 2x4 multimode interference coupler acting as a 90 degree hybrid, whose outputs are connected to two balanced germanium photodetectors. The main contributions of this thesis are: ¿ Demonstration of a filter/demultiplexer with three degrees of tuning and an extinction ratio greater than 25dB. ¿ Demonstration of a polarization rotator with a length of only 25¿m and CMOS compatible. ¿ Demonstration of a DPSK modulator at a maximum rate of 20 Gbit/s. ¿ Demonstration of a DQPSK demodulator to a maximum rate of 20 Gbit/s.Aamer, M. (2013). Development of an integrated silicon photonic transceiver for access networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31649TESI

Integrated coherent reception and polarization management for next generation access networks.

En esta Tesis se desarrollan diferentes aportaciones dentro de la fotónica integrada: La primera de ellas es el desarrollo de un controlador de polarización integrado en tecnología de silicio sobre aislante SOI, que supera el balance integrabilidad-prestaciones existente hasta el momento [1]. El dispositivo presenta prestaciones de estado del arte, siendo además compatible con las tecnologías de fabricación CMOS. Además, es sintonizable en la banda C de comunicaciones ópticas y presenta elevadas tolerancias de fabricación. El dispositivo consta de guías rotadoras de polarización y desfasadores de polarización que, además de ser empleados para sintonizar el dispositivo, se usan para compensar los errores de fabricación. La segunda aportación de esta Tesis es el diseño de un receptor coherente con diversidad de polarización en tecnología de fosfuro de indio (InP) que integra monolíticamente la red de diversidad de polarización. Dicha red de diversidad de polarización, publicada en [2], prescinde del uso de separadores de polarización, mejorando así las tolerancias de fabricación del dispositivo. La red de diversidad de polarización propuesta sólo incluye divisores de potencia a 3 dB y cuatro guías de interconexión que han de ser birrefringentes. La tercera y última aportación de la Tesis es un estudio sistemático de las pérdidas por fuga al substrato en guías sub-longitud de onda (SWG) fabricadas en tecnología SOI [3]. Este estudio incluye tanto análisis numérico como validación experimental y propone directrices prácticas para minimizar este tipo de pérdidas. Los resultados obtenidos de esta Tesis han dado lugar a dos publicaciones en revistas internacionales de alto nivel de impacto, así como cinco aportaciones a congresos de ámbito nacional e internacional. Bibliografía: J. D. Sarmiento-Merenguel, et al., “Demonstration of integrated polarization control with a 40 dB range in polarization extinction ratio". Optica 2, 1019-1023 (2015). C. Alonso-Ramos et al., “Polarization-beam-splitter-less integrated dual-polarization coherent receiver,” Opt. Lett., vol. 39, no. 15, pp. 4400– 4403, Aug 2014. J. D. Sarmiento-Merenguel, et al., “Design guidelines for leakage losses in subwavelength grating waveguides". Optics Letters 41 (15), 3443-3446 (2016).La fotónica, entendida como la ciencia de generar, detectar y manipular la luz, subyace bajo infinidad de tecnologías desde su aparición a principios de los años 60. Existe un amplio abanico de aplicaciones fotónicas que van, desde los usos más cotidianos (cine 3D), hasta aplicaciones médicas (cirugía láser) pasando por la aplicación más relevante, las comunicaciones ópticas, contando con un papel fundamental en la era de la información. Una de las líneas de investigación más destacadas en el ámbito, es la fotónica integrada, cuya misión es integrar en chip diferentes funcionalidades con el fin de procesar la luz. Entre las principales aplicaciones de los dispositivos fotónicos integrados se pueden encontrar los transmisores y receptores para sistemas de comunicaciones ópticas, enfocados tanto para comunicaciones de largo alcance (“telecom”), como de corto alcance (“datacom”), usadas estas últimas en centros de datos. Otras aplicaciones de la fotónica integrada pueden ser sensores LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), tan importantes en los futuros coches autónomos o dispositivos “lab-on-chip” que implementan baratas y eficientes herramientas de diagnóstico

Silicon nitride waveguide polarization rotator and polarization beam splitter for chip-scale atomic systems

The design, fabrication, and characterization of a silicon nitride waveguide polarization rotator and polarization beam splitter that operate with a polarization extinction ratio (PER) of ∼30 dB at the rubidium atomic transition of 780 nm wavelength are demonstrated. These polarization devices are fabricated on the same chip using a self-aligned process for integration of the rib and ridge waveguide structures. The polarization rotator is based on the mode evolution approach using adiabatic tapers and demonstrates a PER of ≥20 dB over a 100 nm bandwidth (730-830 nm wavelengths) with an insertion loss (IL) ≤1 dB. The polarization beam splitter is based on a cascaded tapered asymmetric directional coupler with phase matching between the fundamental and higher order TM modes, whereas the TE mode is separated by the through port. This provides a PER ≥ 20 dB with IL ≤ 1 dB over a 50 nm bandwidth for the cross port and a PER ≥ 15 dB with an IL ≤ 1 dB over an 18 nm bandwidth for the through port. These polarization control waveguide devices will enable photonic integrated circuits for saturated absorption spectroscopy of atomic vapors for laser stabilization on-chip

Broadband on-chip polarization mode splitters in lithium niobate integrated adiabatic couplers

© 2019 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement. We report, to the best of our knowledge, the first broadband polarization mode splitter (PMS) based on the adiabatic light passage mechanism in the lithium niobate (LiNbO3) waveguide platform. A broad bandwidth of ~140 nm spanning telecom S, C, and L bands at polarization-extinction ratios (PER) of >20 dB and >18 dB for the TE and TM polarization modes, respectively, is found in a five-waveguide adiabatic coupler scheme whose structure is optimized by an adiabaticity engineering process in titanium-diffused LiNbO3 waveguides. When the five-waveguide PMS is integrated with a three-waveguide “shortcut to adiabaticity” structure, we realize a broadband, high splitting-ratio (ηc) mode splitter for spatial separation of TE- (H-) polarized pump (700-850 nm for ηc>99%), TM- (V-) polarized signal (1510-1630 nm for ηc>97%), and TE- (H-) polarized idler (1480-1650 nm for ηc>97%) modes. Such a unique integrated-optical device is of potential for facilitating the on-chip implementation of a pump-filtered, broadband tunable entangled quantum-state generator

Aluminum nitride waveguide beam splitters for integrated quantum photonic circuits

We demonstrate integrated photonic circuits for quantum devices using sputtered polycrystalline aluminum nitride (AlN) on insulator. The on-chip AlN waveguide directional couplers, which are one of the most important components in quantum photonics, are fabricated and show the output power splitting ratios from 50:50 to 99:1. The polarization beam splitters with an extinction ratio of more than 10 dB are also realized from the AlN directional couplers. Using the fabricated AlN waveguide beam splitters, we observe the Hong-Ou-Mandel interference with a visibility of 91.7 +(-) 5.66 %.Comment: 9 pages, 4 figure

Novel polarization-diversity devices on a silicon-on-insulator platform.

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Highly fabrication tolerant InP based polarization beam splitter based on p-i-n structure

In this work, a novel highly fabrication tolerant polarization beam splitter (PBS) is presented on an InP platform. To achieve the splitting, we combine the Pockels effect and the plasma dispersion effect in a symmetric 1x2 Mach-Zehnder interferometer (MZI). One p-i-n phase shifter of the MZI is driven in forward bias to exploit the plasma dispersion effect and modify the phase of both the TE and TM mode. The other arm of the MZI is driven in reverse bias to exploit the Pockels effect which affects only the TE mode. By adjusting the voltages of the two phase shifters, a different interference condition can be set for the TE and the TM modes thereby splitting them at the output of the MZI. By adjusting the voltages, the very tight fabrication tolerances known for fully passive PBS are eased. The experimental results show that an extinction ratio better than 15 dB and an on-chip loss of 3.5 dB over the full C-band (1530-1565nm) are achieved