i pemodulat optik interferometer mach zehnder (mzi
Post on 14-Jan-2017
233 Views
Preview:
TRANSCRIPT
i
PEMODULAT OPTIK INTERFEROMETER MACH ZEHNDER (MZI)SUNTIKAN
PEMBAWA DI ATAS SILIKON-DI ATAS- PENEBAT (SOI)
HANIM BINTI ABDUL RAZAK
TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMPEROLEH IJAZAH
DOKTOR FALSAFAH
INSTITUT KEJURUTERAAN MIKRO DAN NANOELEKTRONIK
UNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA
BANGI
2014
ii
PENGAKUAN
Saya akui karya ini adalah hasil kerja sendiri kecuali nukilan dan ringkasan yang tiap-
tiap satunya telah saya jelaskan sumbernya.
1 Julai 2014 HANIM BINTI ABDUL RAZAK
P48014
iii
PENGHARGAAN
Syukur ke hadrat Ilahi kerana dengan limpah dan kurnianya, dapat saya menyiapkan
tesis ini dengan jayanya. Jutaan terima kasih dirakamkan kepada penyelia utama saya,
Prof Dr Sahbudin Shaari di atas segala bantuan dan bimbingan yang telah diberikan
sepanjang penyelidikan ini. Ribuan terima kasih juga diucapkan kepada penyelia
bersama saya, Prof Madya Dr P. Susthitha Menon atas dorongan dan bantuan yang
telah dihulurkan. Penghargaan juga ingin ditujukan kepada Pengarah Institut
Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN), Datuk Prof Dr Burhannudin Yeop
Majlis, serta semua kakitangan, pelajar, pegawai penyelidik di IMEN atas sokongan
padu serta galakan untuk menyiapkan penyelidikan ini.
Ucapan terima kasih juga ingin dirakamkan kepada Dekan Pusat Pengajian
Siswazah (PPS) serta semua kakitangan PPS atas dorongan yang dihulurkan. Saya
juga merasa terhutang budi kepada Universiti Teknikal Malaysia Melaka (UTeM) dan
Kementerian Pengajian Tinggi (KPT) atas bantuan kewangan sepanjang penyelidikan
ini. Kajian ini merupakan tajaan daripada Universiti Kebangsaan Malaysia di bawah
geran UKM-OUP-NBT-119/2011, Industri-2011-015, GUP-2012-012 dan UKM-
OUP-NBT-27-118/2012.
Saya juga berterima kasih kepada Prof Dr Apte Prakash (IIT Madras), Dr
Fauziyah Salehudin (UTeM), Dr Sharizal (TMRnD) dan Dr. Eric (IMRE Singapura)
di atas pandangan dan nasihat yang diberikan mengenai penyelidikan ini.
Terima kasih juga diucapkan kepada kakitangan dan pelajar dari Makmal
Teknologi Fotonik terutamanya Hayati Husin, Dr Hesham, Dr Abang Annuar, Dr
Norhana, Juliana, Khatijah, Azimah, Mastang, Sabiran, Zikri dan Syafik di atas
sokongan, pandangan dan pendapat yang diberikan.
Kepada rakan-rakan seperjuangan, Hazura, Wan Maisarah, Affa Rozana serta
Allahyarhamah Mardiana, kenangan susah dan senang bersama kalian tidak akan
dilupakan selamanya. Al-Fatihah untuk Allahyarhamah; moga sentiasa dicucuri
rahmat olehNya.
Penghargaan yang tidak ternilai juga ingin ditujukan kepada ibu saya, Puan Sri
Hamizah binti Aziz dan ibu mertua, Puan Zarah binti Ali atas doa dan dorongan yang
tidak putus-putus. Sekalung penghargaan kepada suami tersayang, Muhamad Fuad
Abdul Karim atas pengorbanan dan sokongan yang telah diberikan untuk menyiapkan
penyelidikan ini. Tidak lupa juga kepada cahayamata saya, Hanum Wafa, Balqeis
Hanum dan Faheim Uzair Ad-Dhuha yang sentiasa menghiburkan hati saya. Terima
kasih juga diucapkan kepada Hanidah, Mohd Rizal, Hafiza dan kaum keluarga yang
lain atas bantuan dan kerjasama yang diberikan kepada saya.
iv
ABSTRAK
Teknologi Multipleks – Pembahagian- Panjang Gelombang (WDM) digunakan secara
meluas dalam sistem komunikasi optik rentetan dari permintaan jalur lebar yang tinggi
hasil dari keperluan pencapaian Internet secara meluas. Teknologi litar planar
gelombang cahaya (PLC) menyediakan platform yang sesuai untuk integrasi
komponen yang mampu meningkatkan prestasi serta mengurangkan kos. Di antara
peranti berasaskan struktur PLC, pemodulat optik merupakan sebuah peranti yang
penting yang berfungsi menukarkan data dari domain elektrik ke optik. Pemodulat
optik dengan nisbah pemadanan (ER) yang tinggi diperlukan untuk diintegrasikan di
dalam pemancar rangkaian untuk prestasi yang optimum. Kajian ini bertujuan untuk
merekabentuk, menciri dan mengoptimumkan pemodulat optik berasaskan struktur
interferometer Mach Zehnder (MZI) yang menggunakan kesan suntikan pembawa di
atas silikon-di atas-penebat (SOI) yang beroperasi pada panjang gelombang 1.55 µm.
Permodelan pemodulat ini terbahagi kepada dua bahagian iaitu permodelan struktur
pemodulat fasa suntikan pembawa dan permodelan pemodulat optik intensiti MZI
suntikan pembawa. Permodelan dan pencirian elektrik pemodulat fasa suntikan
pembawa dijalankan menggunakan perisian ATHENA dan ATLAS keluaran
SILVACO International. Struktur elektrik diod p-i-n digunapakai untuk mewujudkan
kesan suntikan pembawa. Melalui analisis elektrik ini, kelajuan pemodulat terbaik
yang diperolehi adalah 0.95 GHz dengan perubahan indeks biasan, ∆n sebanyak
0.0045241. Struktur pandu gelombang MZI pula direkabentuk menggunakan sebuah
pemisah interferensi mod pelbagai (MMI) 3 dB 1 x 2 dan sebuah pengganding MMI 3
dB 2 x 1. Pemisah dan penggabung ini dihubungkan dengan dua lengan pandu
gelombang. Pemodulat MZI direka bentuk menggunakan kaedah simulasi perambatan
cahaya (BPM) iaitu perisian OptiBPM manakala perisian OptiSys pula digunapakai
untuk pencirian optik pemodulat ini. Analisis komprehensif ke atas prestasi pemodulat
optik MZI berasaskan SOI yang melibatkan parameter-parameter rekabentuk peranti
belum pernah dilaporkan sebelum ini. Parameter-parameter tersebut adalah saiz lebar
MMI yang digunakan sebagai pemisah dan pengganding, lebar pandu gelombang
masukan dan keluaran, nilai voltan pincang hadapan, panjang pemodulat fasa dan juga
panjang lengan pasif. Manakala prestasi pemodulat yang dikaji melibatkan kehilangan
sisipan, ER dan kecekapan modulasi. Setelah hubungan parameter dengan prestasi
pemodulat dikenalpasti, proses untuk mendapatkan prestasi pemodulat yang optimum
dilakukan dengan kaedah statistik tatasusunan ortogonal Taguchi. Nilai optimum yang
diperolehi ialah saiz lebar MMI 22 µm untuk pengganding dan pemisah MMI, lebar
pandu gelombang masukan dan keluaran sebesar 5µm, nilai voltan pincang hadapan
adalah 0.85 V, pemodulat fasa sepanjang 700 µm dan lengan pasif sepanjang 1180
µm. Dari segi prestasi optimum pula, pemodulat mengalami kehilangan sisipan
sebanyak 3.37 dB, ER sebanyak 23.98 dB dan kecekapan modulasi sebanyak 0.0407
Vcm. Prestasi pemodulat optimum yang diperolehi ini telah dibandingkan dengan
beberapa kajian eksperimen yang terdahulu dan didapati prestasi pemodulat ini
menunjukkan prestasi yang kompetitif. Pendekatan sistematik yang digunakan dalam
kajian ini menjimatkan masa dan kos sebelum proses fabrikasi.
v
CARRIER INJECTION MACH ZEHNDER INTERFEROMETER (MZI)
OPTICAL MODULATOR ON SILICON-ON-INSULATOR (SOI)
ABSTRACT
Wavelength-division-multiplexing (WDM) technology has been widely employed in
current optical communication systems due to the high bandwidth demand resulting
from the spread usage of Internet. To improve component performance and reduce its
cost, planar lightwave circuits (PLC) technology provides a very promising platform
for component integration. Among many PLC-based device structures, an optical
modulator that converts data from the electrical to the optical domain is a fundamental
device. Optical modulators with high extinction ratio (ER) are desirable to be
integrated in the network transmitter for optimum performance. In this work, a
Silicon-On-Insulator (SOI) optical modulator based on Mach-Zehnder interferometer
(MZI) structure with carrier injection effect operating at 1.55µm wavelength is
designed, characterized and optimized. The modeling of the device is divided into two
parts which are carrier injection phase modulator modeling and the modeling of MZI
intensity modulator. The modeling and electrical characterization of the carrier
injection phase modulator were carried out using the ATHENA and ATLAS software
from SILVACO International. The p-i-n diode electrical structure was employed to
create the carrier injection effect. From the electrical analysis, it was found out that the
best modulator speed is 0.95 GHz with the refractive index change, ∆n of 0.0045241.
The MZI waveguide structure was designed using a 3 dB 1x2 MMI splitter and a 3 dB
2x1 MMI coupler. The spliter and the coupler was connected with two arms of
waveguides. The MZI modulator was designed using Beam Propagation Method
(BPM) simulation method which is OptiBPM whilst the OptiSys software was utilized
for optical modulator characterization. The comprehensive analysis on the
performance of MZI modulator based on SOI which includes the relationship of the
design parameters of the device was the first time to be reported. The parameters
include the MMI width size used as splitter and coupler, the width of the input and
output waveguides, value of the forward biased voltage, the phase modulator length
and the passive arm length. Meanwhile, the studied modulator’s performance are the
insertion loss, ER and modulation efficiency. Once the relationships between the
parameters with the modulator’s performance were identified, the process of finding
the optimum performance of the modulator was carried out using the Taguchi’s
statistical orthogonal array method. The optimum value of the MMI width size is 22
µm for the splitter and coupler, 5 µm for width of the input and output waveguides,
0.85 V for the value of forward biased, 700 µm for the phase modulator’s length and
1180 µm for the passive arm’s length. In terms of the optimum device performance,
the modulator experiences 3.37 dB of insertion loss, 23.98 dB of ER and modulation
efficiency of 0.0407 Vcm. The optimum performance of the modulator was compared
to the past experimental work and it was found out that the modulator shows a
competitive performance. The systematic approach used in this research saves time
and cost prior to fabrication process.
vi
KANDUNGAN
Halaman
PENGAKUAN ii
PENGHARGAAN iii
ABSTRAK iv
ABSTRACT v
KANDUNGAN vi
SENARAI JADUAL ix
SENARAI RAJAH x
SENARAI SIMBOL xiii
SENARAI SINGKATAN xv
BAB I PENGENALAN
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Motivasi Kajian 4
1.3 Objektif Kajian 5
1.4 Skop Kajian 5
1.5 Metodologi Kajian 7
1.6 Organisasi Tesis 7
BAB II PEMODULAT PANDU GELOMBANG
2.1 Latar Belakang 9
2.2 Komponen- Komponen Sistem Gelombang Cahaya 11
2.3 Litar Planar Gelombang Optik (PLC) 14
2.4 Bahan Silikon Di Atas Penebat (SOI) 15
2.5 Pandu Gelombang Optik 17
2.6 Jenis – Jenis Pandu Gelombang 21
2.7 Simulasi Pandu Gelombang 22
2.8 Syarat Mod Tunggal 22
2.9 Pandu Gelombang Interferen Mod Pelbagai (MMI) 23
2.10 Pandu Gelombang Interferometer Mach Zehnder (MZI) 26
vii
2.11 Pemodulat Optik MZI 29
2.12 Pemodulat Fasa Kesan Serakan Plasma 32
2.13 Diod P-I-N 38
2.14 Struktur Optik Interferometrik Untuk Modulasi Intensiti 40
2.15 Kaedah Optimasi Taguchi 43
2.15.1 Tatasusun Ortogon 44
2.15.2 Analisis data eksperimen 45
2.16 Rumusan 47
BAB III METODOLOGI
3.1 Latar Belakang 48
3.2 Simulasi Dan Pencirian Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 49
3.3 Simulasi Dan Pencirian Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa 51
3.4 Pengoptimasian Peranti Menggunakan Kaedah Statistik 53
3.5 Ringkasan 55
BAB IV REKABENTUK PEMODULAT PANDU GELOMBANG
4.1 Pengenalan 56
4.2 Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 56
4.2.1 Rekabentuk Pandu Gelombang 57
4.2.2 Rekabentuk Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 58
4.2.3 Proses Fabrikasi Pemodulat Optik MZI Suntikan
Pembawa 59
4.3 Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa Di Atas SOI 66
4.3.1 Rekabentuk Pandu Gelombang MZI 67
4.3.2 Rekabentuk Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa 67
4.4 Ringkasan 71
BAB V PENCIRIAN DAN OPTIMASI
5.1 Pengenalan 72
5.2 Pencirian Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 72
5.3 Pencirian Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa 78
viii
5.3.1 Analisis Hubungan Perubahan Faktor Rekabentuk Terhadap
Prestasi Pemodulat 80
5.4 Optimasi Prestasi Peranti 103
5.4.1 Optimasi Kehilangan Sisipan 105
5.4.2 Optimasi ER 107
5.4.3 Optimasi Kecekapan Modulasi 109
5.4.4 Pemilihan Parameter-Parameter Untuk Prestasi Optimum
Keseluruhan 110
BAB VI KESIMPULAN
6.1 Kesimpulan Kajian 114
6.2 Sumbangan Kajian 115
6.3 Cadangan Masa Hadapan 116
RUJUKAN 117
LAMPIRAN
A Senarai Penerbitan 123
B Kod Pengaturcaraan Athena Dan Atlas 126
C Jadual Data 129
ix
SENARAI JADUAL
No. Jadual Halaman
2.1 Pemodulat MZI di atas SOI dengan peranti pemisah yang 32
berbeza-beza
2.2 Ciri-ciri pemodulat optik MZI dan MRR 42
2.3 Tatasusun ortogon piawai untuk L8,L9,L18 dan L27 45
3.1 Nilai parameter yang digunakan dalam simulasi ATHENA 51
3.2 Nilai parameter yang digunakan dalam simulasi OptiBPM 53
4.1 Cadangan resipi fabrikasi 60
5.1 Keputusan simulasi pemodulat fasa suntikan pembawa 75
5.2 Prestasi pemodulat dengan lebar MMI yang berbeza 82
5.3 Keputusan simulasi untuk pandu gelombang berlainan dalam
rekabentuk pemodulat MZI 88
5.4 Keputusan simulasi untuk nilai voltan pincangan yang berbeza untuk
kesan modulasi suntikan pembawa 91
5.5 Prestasi pemodulat untuk nilai panjang pemodulat fasa yang berbeza 96
5.6 Prestasi pemodulat optik MZI dengan panjang lengan pasif
yang berbeza 100
5.7 Tatasusun L8 Taguchi 104
5.8 Nilai aras 105
5.9 Keputusan tatasusun L8 Taguchi untuk kehilangan sisipan 105
5.10 Peratus kesan setiap faktor untuk kehilangan sisipan 106
5.11 Keputusan tatasusun L8 Taguchi untuk ER 107
5.12 Peratus kesan setiap faktor untuk ER 108
5.13 Keputusan tatasusun L8 Taguchi untuk kecekapan modulasi 109
5.14 Peratus kesan setiap faktor untuk kecekapan modulasi 110
5.15 Ujian pengesahan 111
5.16 Perbandingan prestasi pemodulat optik MZI suntikan pembawa
di atas SOI 112
x
SENARAI RAJAH
No. Rajah Halaman
1.1 Carta alir skop kajian 6
1.2 Kerangka penulisan 8
2.1 Carta skop kajian literatur 10
2.2 Sistem am dalam sistem gelombang cahaya 11
2.3 Komponen-komponen dalam sebuah pemancar optik 12
2.4 Komponen-komponen dalam sebuah penerima optik 12
2.5 Blok diagram sistem komunikasi WDM 13
2.6 Contoh skematik PLC yang digunakan untuk modulasi laser 14
2.7 Pandu gelombang planar SOI 17
2.8 Klasifikasi pandu gelombang optik 18
2.9 Pembiasan cahaya melalui dua medium 19
2.10 Pantulan dalaman penuh pada dua antaramuka, konsep pandu
gelombang yang mana n1>n2 19
2.11 Struktur pandu gelombang saluran 21
2.12 Keratan rentas pandu gelombang rusuk 23
2.13 Struktur peranti MMI 24
2.14 Pembinaan imej diri tunggal dan dua-lipat sepanjang
pandu gelombang 25
2.15 Skematik pandu gelombang interferometer Mach Zehnder 28
2.16 Pemodulat optik MZI dengan pemodulat fasa ditunjukkan 29
2.17 Graf anjakan fasa 30
2.18 Struktur pemodulat fasa serakan plasma 35
2.19 Rajah skematik diod p-i-n 39
2.20 Graf ciri arus melawan voltan bagi diod p-i-n/ p-n 40
2.21 Rajah skematik pemodulat MZI, keratan rentas p-i-n ditunjukkan 42
2.22 Pandangan atas skematik sebuah pemodulat MRR, keratan rentas
p-i-n ditunjukkan 42
3.1 Carta alir metodologi kajian 50
3.2 Skematik litar analisis optik 52
4.1 Aliran rekabentuk pemodulat fasa suntikan pembawa 56
xi
4.2 Pandu gelombang rusuk bersama dimensi yang digunakan
dalam kajian 57
4.3 Plot ketinggian mod tunggal pandu gelombang yang dipilih 58
4.4 Peta imej mod tunggal pandu gelombang yang dipilih 58
4.5 Simulasi struktur keratan rentas pemodulat fasa dengan perigi n+ dan
p+ 59
4.6 Aliran kajian pemodulat optik intensiti MZI suntikan pembawa 66
4.7 Rajah skematik pandu gelombang MZI 67
4.8 Rajah skematik pemodulat optik MZI suntikan pembawa 68
4.9 Rekabentuk pemisah MMI 1 x 2 di dalam perisian OptiBPM, untuk We
= 22 µm dan Lπ= 1436 µm. 69
4.10 Simulasi pemisah MMI 1 x 2, untuk We = 22 µm dan Lπ= 1436 µm 69
4.11 Rekabentuk pengganding MMI 2 x1 di dalam perisian OptiBPM, untuk
We = 30 µm dan Lπ= 2671 µm. 70
4.12 Simulasi pemisah MMI 2 x 1, untuk We = 30 µm dan Lπ= 2671 µm 70
5.1 Suntikan elektron dan lubang sepanjang bahagian mendatar (y =
4.5µm) dalam keadaan pincangan = 1.0 V 74
5.2 Graf arus keluaran melawan masa fana 75
5.3 Graf perubahan indeks biasan melawan voltan pincangan hadapan 76
5.4 Graf kehilangan resapan melawan voltan 77
5.5 Graf kelajuan modulasi melawan voltan 77
5.6 Litar analisis statik dalam simulasi OptiSys 79
5.7 Transmisi spektrum pemodulat optik MZI dengan lebar MMI 38 µm
untuk voltan pincangan 0 V dan 0.85 V 80
5.8 Transmisi spektrum pemodulat optik MZI dengan lebar MMI 30 µm
untuk voltan pincangan 0 V dan 0.85 V 81
5.9 Transmisi spektrum pemodulat optik MZI dengan lebar MMI 22 µm
untuk voltan pincangan 0 V dan 0.85 V 82
5.10 Graf kehilangan sisipan melawan lebar MMI 83
5.11 Graf ER modulasi melawan lebar MMI 84
5.12 Graf kecekapan modulasi melawan lebar MMI 85
xii
5.13 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan pandu gelombang 3 µm 86
5.14 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan pandu gelombang 4 µm 86
5.15 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan pandu gelombang 5 µm 87
5.16 Graf kehilangan sisipan melawan lebar pandu gelombang 88
5.17 Graf ER melawan lebar pandu gelombang 89
5.18 Graf kecekapan modulasi melawan lebar pandu gelombang 90
5.19 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan MMI 38 untuk
beberapa nilai voltan pincangan 91
5.20 Graf kehilangan sisipan melawan voltan 92
5.21 Graf ER melawan voltan 93
5.22 Graf kecekapan modulasi melawan voltan 94
5.23 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan MMI 38 untuk
beberapa panjang pemodulat fasa 95
5.24 Graf kehilangan sisipan melawan panjang pemodulat fasa 96
5.25 Graf ER melawan panjang pemodulat fasa 97
5.26 Graf kecekapan modulasi melawan panjang pemodulat fasa 98
5.27 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan MMI 38 untuk 99
panjang lengan pasif 1180 µm
5.28 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan MMI 38 untuk
panjang lengan pasif 1300 µm 99
5.29 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan MMI 38 untuk
panjang lengan pasif 1500µm 100
5.30 Graf kehilangan sisipan melawan panjang lengan pasif 101
5.31 Graf ER melawan panjang lengan pasif 102
5.32 Graf kecekapan modulasi melawan panjang lengan pasif 103
5.33 Aliran kajian optimasi prestasi peranti 104
5.34 Plot kesan utama untuk nisbah isyarat dan hingar untuk
kehilangan sisipan 106
5.35 Plot kesan utama untuk nisbah isyarat dan hingar untuk ER 108
5.36 Plot kesan utama untuk nisbah isyarat dan hingar untuk
kecekapan 110
xiii
SENARAI SIMBOL
c halaju cahaya dalam vakum
e cas elektronik
E1 medan elektrik pada lengan 1
E2 medan elektrik pada lengan 2
f3dB lebar jalur modulasi
H tinggi dari substrat silikon ke permukaan
h tinggi pandu gelombang
Imax intensiti maksimum penghantaran
Imin intensiti minimum penghantaran
Lπ panjang pemodulat fasa yang diperlukan untuk anjakan fasa sebanyak π radian
n indeks biasan
n1 indeks biasan medium 1
n2 indeks biasan medium 2
Ne kepekatan lubang yang bebas
Nh kepekatan elektron yang bebas
r pekali biasan kompleks
rTE pekali biasan kompleks TE
rTM pekali biasan kompleks TM
Rx penerima
SiO2 silikon oksida
ST intensiti pada pandu gelombang
tr masa naik
Tx penghantar
VπLπ kecekapan modulasi
Vπ nilai voltan yang diperlukan untuk mendapatkan anjakan fasa sebanyak π
radian
Yi ciri sambutan eksperimen
µ min
µe kebolehgerakan elektron
µh kebolehgerakan lubang
θ1 sudut tuju
xiv
θ2 sudut
θc sudut genting
ε0 kebertelusan ruang bebas
λ0 panjang gelombang ruang bebas
τp jangka hayat lubang
τn jangka hayat elektron
η nisbah S/N
σ varians
∆n perubahan indeks biasan
∆ne perubahan kepekatan elektron bebas
∆nh perubahan kepekatan lubang bebas
∆ϕ anjakan fasa
∆λ anjakan panjang gelombang
λ 0 panjang gelombang vakum
xv
SENARAI SINGKATAN
ANOVA Analysis Of Variance
AWG Arrayed Waveguide Grating
BPM Beam Propagation Method
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
CW Continuous Wave
DC Direct Current
DEMUX Demultiplexer
ER Extinction Ratio
ELO Epitaxial Lateral Overgrowth
FDTD Finite Difference Time Domain
FSR Free Spectral Range
FFD Fractional Factorial Design
IR Infra Red
I-V Current-Voltage
LOC Lab-on-chip
LED Light Emitting Diode
MEMS Microelectromechanical System
MUX Multiplexer
MMI Multimode Interference
MRR Micro Ring Resonator
MOS Metal Oxide Semiconductor
MZI Mach Zehnder Interferometer
OEIC Optoelectronic Integrated Circuit
PLC Planar Lightwave Circuit
RC Resistance Capacitance
RSM Response Surface Methodology
S/N Signal-to-Noise
SRAM Static Random Access Memory
SOI Silicon-On-Insulator
TCAD Technology Computer Aided Design
TE Transverse Electric
0
TEM Transverse Electromagnetic Modes
TM Transverse Magnetic
TIR Total Internal Reflection
ULSI Ultra Large Scale Integration
WDM Wavelength Division Multiplexing
WWW World Wide Web
xvii
1
BAB I
PENGENALAN
1.1 LATAR BELAKANG
Kesesakan dalam trafik rangkaian telekomunikasi semakin meningkat disebabkan oleh
penggunaan yang meluas dalam komunikasi multimedia seperti penggunaan world
wide web (WWW), perbankan internet, rangkaian sosial media seperti facebook,
twitter, instagram dan lain-lain, penyebaran servis-servis interaktif seperti skype,
permintaan atas video (video-on-demand) selain penggunaan youtube iaitu laman
komunikasi awam atas talian yang begitu meluas (Iannone 2012). Maka, kapasiti
rangkaian telekomunikasi seperti keupayaan jalur lebar dan capaian jarak rangkaian
harus sentiasa dinaik taraf untuk memenuhi keperluan pengguna. Teknologi
komunikasi gentian optik telah pun mendominasi kebanyakan talian penghantaran.
Walaubagaimanapun, nod-nod rangkaian seperti pensuisan dan sambung silang masih
bergantung pada teknologi elektrik. Teknologi elektrik mempunyai kelemahan kerana
terdedah dengan masalah- masalah seperti penggunaan kuasa yang tinggi, hingar
elektromagnetik, kelajuan litar yang rendah dan jalur lebar yang terhad. Keadaan ini
akan memberi kesan pada prestasi keseluruhan rangkaian kerana nod- nod rangkaian
akan mengehadkan prestasi keseluruhan rangkaian. Oleh itu, penggunaan teknologi
optik untuk operasi multipleks dan penyahmultipleks (MUX/DEMUX) pada nod-nod
rangkaian dilihat sebagai satu cara untuk mengatasi masalah ini (Benvenuto & Zorzi
2011).
Sistem multipleks pembahagian panjang gelombang (WDM) yang
menggunakan teknologi optik untuk proses multipleks/penyahmultipleks kini menjadi
2
pilihan yang praktikal. Dalam sistem ini, setiap isyarat optik mempunyai panjang
elombang yang berlainan dan boleh diasingkan mengikut panjang gelombang masing-
masing menggunakan elemen optik panjang gelombang terpilih. Situasi ini
memungkinkan rangkaian WDM dibina dengan nod-nod rangkaian menggunakan
teknologi optik sepenuhnya (Agrawal 2012).
Pemancar optik merupakan salah satu komponen dalam sistem komunikasi
gentian optik dan terdiri daripada beberapa subkomponen iaitu pemacu, sumber optik,
pemodulat dan pengganding saluran. Terdapat dua cara untuk mengintegrasikan
subkomponen-subkomponen ini iaitu yang pertama, secara hibrid yakni menggunakan
peranti-peranti berdiri-sendiri dan menyambungkan peranti-peranti tersebut untuk
mendapatkan fungsi yang diingini. Cara yang kedua adalah penggunaan litar yang
dikenali sebagai litar planar gelombang cahaya (PLC) yang mengintegrasikan
kesemua subkomponen ini ke atas sebuah cip yang disambungkan oleh pandu
gelombang. PLC mempunyai kelebihan dari segi keteguhan, sensitiviti kepada
persekitaran yang rendah, kehilangan yang rendah, kos pempakejan yang kurang dan
produksi skala besar yang lebih mudah (Takahashi 2003).
Bahan-bahan konvensional digunakan untuk PLC adalah seperti Litium
Niobate, GaAs, InP, polimer dan kaca pelbagai elemen. Peranti-peranti yang
menggunakan bahan-bahan ini termasuklah peranti pasif, pemodulat, suis, laser dan
beberapa peranti lain (Gines 2003). Walaubagaimanapun, fotonik silikon kini dilihat
sebagai teknologi yang berpotensi untuk membina PLC kerana ciri-ciri yang dimiliki
oleh bahan ini. Pertamanya, silikon mempunyai sifat-sifat yang penting dalam peranti
fotonik menjadikannya sebagai bahan yang sesuai dalam jalur data komunikasi iaitu
(C-band) near-infrared (IR) disebabkan sifatnya yang lutsinar pada kawasan panjang
gelombang tersebut. Tambahan lagi, teknologi pelengkap semikonduktor logam
oksida (CMOS) yang menggunakan silikon dalam industri elektronik telah mencapai
tahap yang lebih dari mencukupi untuk kebanyakan aplikasi bersepadu optik. Selain
itu, silikon mempunyai indeks biasan yang agak tinggi (sekitar 3.5) yang
membolehkan kontra indeks yang tinggi untuk membina pandu gelombang. Manakala
dari segi kos, bahan silikon ini adalah murah (Jalali & Fathpour 2006)
3
Pada kebiasaannya, peranti fotonik silikon dibina berasaskan silikon-di atas-
penebat (SOI). Struktur SOI merujuk kepada lapisan kristal tunggal silikon yang
dilapisi oleh lapisan oksida. Tujuan lapisan oksida ini adalah untuk bertindak sebagai
pelapisan bawah bagi menghalang mod-mod optik dari menembusi substrat silikon
yang berada di lapisan terbawah. Penggunaan pandu gelombang SOI untuk
pembangunan peranti-peranti secara planar berpotensi untuk mengintegrasikan
peranti-peranti ini dengan lebih padat. Ini membolehkan pandu gelombang menjadi
lebih kecil disebabkan kontra indeks biasan yang tinggi antara silikon dan lapisan
oksida (Reed 2004).
Kajian-kajian terkini menggunakan fotonik silikon dalam penghasilan peranti-
peranti seperti sumber optik, pemodulat, pengesan, penderia, penyalun dan pelbagai
subsistem lain membuktikan bahawa fotonik silikon merupakan bidang kajian yang
aktif dan berpotensi (Cheben et al. 2010). Potensi fotonik silikon untuk integrasi
peranti-peranti optik secara planar pula telah dibuktikan dengan laporan mengenai cip
optik silikon berasaskan WDM yang telah direkabentuk, difabrikasi dan dicirikan. Cip
ini berjaya mengintegrasikan secara planar jujukan lapan pemodulat silikon dengan
DEMUX/MUX 8:1 berasaskan silikon (Liu et al. 2010).
Beberapa pemodulat silikon berasaskan kesan serakan plasma telah
didemonstrasikan oleh beberapa kumpulan penyelidik (Liu et al. 2004; Liao et al.
2005; Liu et al. 2007; Mao et al. 2008; Ding et al. 2012). Struktur-struktur modulasi
serakan plasma ini menggunakan struktur penumpukan pembawa, kesusutan pembawa
dan suntikan pembawa. Pemodulat silikon berasaskan struktur suntikan pembawa
beroperasi dengan aplikasi voltan pincang ke hadapan dengan berkonsepkan diod p-i-
n. Penggunaan struktur suntikan pembawa dapat mengatasi masalah yang dihadapi
oleh struktur-struktur lain iaitu dari segi nilai rintangan dan kapasitans peranti yang
tinggi bagi struktur penumpukan pembawa dan kepekatan pembawa yang rendah di
kawasan aktif seperti yang dialami oleh struktur kesusutan pembawa. Maka, struktur
suntikan pembawa berkebolehan untuk mempamerkan perubahan indeks biasan yang
besar dan nilai nisbah pemadanan (ER) yang tinggi (Xu et al. 2006; Basak et al. 2008).
Pemodulat optik dengan nilai ER yang tinggi adalah penting untuk jarak penghantaran
data yang jauh, kadar kesilapan bit (BER) yang baik dan kepekaan pengesan yang
4
tinggi (Reed et al. 2010). Maka, struktur suntikan pembawa ini berpotensi untuk
digunakan sebagai pemodulat silikon bagi aplikasi rangkaian komunikasi optik.
Perubahan ketumpatan pembawa bebas dalam silikon akan menyebabkan
perubahan dalam indeks biasan bahan dan seterusnya modulasi fasa berlaku terhadap
gelombang terpandu yang melalui kawasan aktif tersebut. Struktur interferometrik
seperti Penyalun Gegelung Mikro (MRR) atau Interferometer Mach Zehnder (MZI)
kemudiannya digunakan untuk menukar modulasi fasa kepada modulasi intensiti.
Penggunaan MZI mengurangkan sensitiviti peranti terhadap suhu dan proses fabrikasi.
Tambahan pula, struktur MZI beroperasi pada julat panjang gelombang yang lebih
besar berbanding struktur MRR menjadikannya lebih praktikal (Reed et al. 2010).
Penggunaan peranti MMI sebagai struktur MZI berpotensi untuk
mengurangkan penyerakan optik pada pandu gelombang dan kehilangan radiasi
seperti yang dialami dengan penggunaan lengkok S dan cabang Y. Kelebihan peranti
MMI ini pula adalah ianya mempunyai jalur lebar yang baik, saiz yang kompak,
toleransi terhadap fabrikasi yang tinggi serta imbangan kuasa yang baik (Chuang et al.
2012).
Pemodelan peranti menggunakan teknologi terbantu computer (TCAD) dapat
memastikan parameter-parameter penting yang memberi kesan terhadap reka bentuk
peranti dikenal pasti dan proses pengoptimuman peranti dapat dilakukan. Proses ini
penting sebelum proses fabrikasi dijalankan kerana ianya lebih mudah, menjimatkan
masa dan dapat mengurangkan kos fabrikasi berbanding metodologi eksperimental
sepenuhnya (Menon 2008). Kaedah optimasi peranti menggunakan kaedah statistik
Taguchi mempunyai keistimewaan tersendiri berikutan penggunaan tatasusun ortogon
dalam rekaan. Ini membolehkan analisis dan optimasi peranti dapat dilakukan dengan
bilangan eksperimen yang minimum (Salehuddin et al. 2011).
1.2 MOTIVASI KAJIAN
Penggunaan silikon dalam penghasilan pemodulat dalam rangkaian telekomunikasi
optik adalah satu bidang yang baru dan berpotensi tinggi. Kemungkinan
5
mengintegrasi pelbagai komponen optik secara planar juga adalah kajian yang
menarik kerana teknik ini dapat mengurangkan kos fabrikasi disamping
mempamerkan prestasi yang kompetitif berbanding bahan-bahan lain. Pemodulat
silikon suntikan pembawa dilihat sesuai untuk aplikasi rangkaian telekomunikasi optik
seperti WDM. Justeru, pemodulat SOI MZI yang menggunakan kesan suntikan
pembawa dibangunkan kerana teknik fabrikasinya serasi dengan teknik CMOS yang
sedia ada yang mudah dan murah. Struktur MZI pula direka dengan menggunakan
peranti MMI untuk mengurangkan kehilangan radiasi serta memastikan toleransi yang
tinggi dalam proses fabrikasi. Bagi memastikan rekabentuk peranti dapat
mempamerkan prestasi optimum, maka permodelan maya serta optimasi prestasi
peranti perlu dilakukan sebelum proses fabrikasi.
1.3 OBJEKTIF KAJIAN
Objektif utama kajian ini adalah untuk mengkaji sifat pemodulat dari kesan suntikan
pembawa ke atas konfigurasi MZI PLC di atas SOI pada λ = 1550 nm untuk kajian
dalam sistem komunikasi optik. Secara terperinci, objektif kajian dihuraikan seperti
berikut:
a) Mengkaji kesan suntikan pembawa terhadap modulasi fasa peranti.
b) Menganalisa prestasi pemodulat MZI di atas SOI berasaskan kesan suntikan
pembawa.
c) Mengoptimasi prestasi pemodulat menggunakan kaedah Taguchi.
1.4 SKOP KAJIAN
Skop kajian ini tertumpu kepada pembangunan dan pencirian pemodulat optik MZI
suntikan pembawa di atas SOI bagi aplikasi pada panjang gelombang 1550 nm seperti
yang digambarkan dalam Rajah 1.1. Skop kajian yang terlibat adalah bahagian yang
berwarna. Pemodulat optik pada amnya terbahagi kepada dua bahagian iaitu
pemodulat fasa yang mewakili struktur elektrik dan pemodulat intensiti untuk
pencirian optik.
6
PEMODULAT
OPTIK SILIKON
Pemodulat
fasa
Pemodulat
intensiti
Suntikan
pembawa
Susutan
pembawa
Penumpukan
pembawa MZI MRR
Interferen
Mod
Pelbagai
(MMI)
Pengganding
BintangPengganding
Berarah
Permodelan
maya
(simulasi)
Pencirian
elektrik
Pemisah
Y
Lengan
simetri
Lengan
tidak simetri
Permodelan
maya
(simulasi)
Optimasi
rekabentuk
Pencirian
optik
Faktorial
Pecahan
(FFD)
Campuran Taguchi
Sambutan
permukaan
(RSM)
Terdapat tiga cara modulasi dalam kesan serakan plasma bagi modulasi dalam
silikon iaitu kesan penumpukan pembawa, susutan pembawa dan suntikan pembawa.
Kajian ini memfokus kepada kesan suntikan pembawa yang dimodelkan serta
dicirikan sifat elektriknya. Untuk menukarkan modulasi fasa kepada modulasi
intensiti, struktur interferometrik seperti MRR dan MZI digunakan. Dalam kajian ini,
struktur MZI direkabentuk dengan menggunakan gandingan pemisah MMI 3 dB 1x2
dan pengganding MMI 3 dB 2x1. Kedua-dua pemisah dan pengganding ini
dihubungkan dengan lengan-lengan yang tidak simetri. Rekabentuk baru untuk
pemodulat optik silikon suntikan pembawa ini merupakan yang pertama
seumpamanya. Selain itu, teknik baru yang menggabungkan penggunaan perisian
ATHENA, ATLAS, OptiBPM dan OptiSys untuk tujuan rekabentuk dan analisis
pemodulat ini juga dipertengahkan.
Rajah 1.1 Carta alir skop kajian
7
Kaedah Taguchi pula dipilih untuk tujuan optimasi. Analisis pengoptimasian
parameter rekabentuk pemodulat optik MZI di atas SOI yang menggunakan peranti-
peranti MMI dengan lengan tidak simetri juga belum pernah dilaporkan.
1.5 METODOLOGI KAJIAN
Rekabentuk dan pencirian pemodulat fasa suntikan pembawa SOI dilakukan
menggunakan perisian keluaran SILVACO International. Perisian ATHENA
digunakan untuk simulasi proses peranti manakala perisian ATLAS digunakan untuk
pencirian elektrik. Kaedah ini dilakukan untuk mendapatkan struktur pemodulat fasa
suntikan pembawa SOI yang sesuai sebelum diimplementasikan dalam proses
fabrikasi. Kemudian, MZI pasif direkabentuk dengan peranti interferensi mod
pelbagai (MMI) menggunakan perisian OptiBPM. Salah satu lengan struktur MZI
diubah indeks biasannya berdasarkan nilai perubahan indeks biasan suntikan
pembawa yang didapati daripada simulasi ATHENA dan ATLAS untuk menukar
fungsinya sebagai pemodulat optik intensiti suntikan pembawa. Kemudian, fail dari
perisian OptiBPM diekspot ke perisian OptiSys untuk tujuan analisis optik. Kaedah
Taguchi pula digunakan untuk merekabentuk pemodulat yang mempamerkan prestasi
optimum. Manakala perisian MINITAB digunapakai untuk tafsiran statistik daripada
data eksperimen.
1.6 ORGANISASI TESIS
Bab II menyentuh tentang cabang-cabang aplikasi silikon fotonik dengan tumpuan
kepada PLC. Teori tentang komponen asas dalam PLC iaitu pandu gelombang, peranti
MMI dan MZI juga diterangkan dalam bab ini. Kesan-kesan dari medan luar ke atas
pandu gelombang yang menghasilkan peranti aktif juga diterangkan. Parameter-
parameter penting dalam menilai peranti ini di dalam rangkaian telekomunikasi optik
turut dibincangkan. Selain itu, perkembangan peranti juga diterangkan dalam bab ini.
Bab III menerangkan aliran kajian yang dijalankan beserta penggunaan perisian-
perisian yang digunakan. Penggunaan perisian untuk setiap langkah yang digunakan
diterangkan secara spesifik. Selain itu, langkah-langkah fabrikasi peranti turut
8
dibincangkan. Bab IV pula menerangkan hasil rekabentuk peranti, pencirian elektrik
dan optik peranti. Rekabentuk yang memberikan prestasi optimum peranti turut
disertakan. Akhir sekali, bab V mengandungi kesimpulan, sumbangan kajian dan
cadangan untuk kajian lanjut
PENGENALAN FOKUS KAJIAN KESIMPULAN
BAB I
Pengenalan
BAB II
Pemodulat Pandu
Gelombang
BAB III
Metodologi
BAB IV
Rekabentuk
Pemodulat Pandu
Gelombang
BAB VI
Kesimpulan
Rajah 1.2 Kerangka penulisan
BAB V
Pencirian dan
Optimasi
top related