Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do IV Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
23 e 24 de setembro de 2014
LINHAS ÓPTICAS DE ATRASO BASEADAS EM FOTÔNICA DE
SILÍCIO
Guilherme Lopes da Silva
Marcelo Luís Francisco Abbade
Pontifícia Universidade Católica de Campinas
CEATEC
[email protected]
Grupo de Sistemas Fotônicos e Internet Avançada
CEATEC
[email protected]
Resumo: O trabalho relatado consiste em analisar
como guias de onda e racetracks (RTs) podem ser
dimensionados para se construir linhas ópticas de
atraso sintonizáveis baseadas em Fotônica de Silício.
Para tanto, foram realizadas simulações com o auxílio do software Rsoft.
Palavras-chave: fotônica de silício, linhas ópticas de
atraso e comunicação de dados.
Área do Conhecimento: Elétrica – Telecomunicações.
1. INTRODUÇÃO
Pode-se dizer que a Microeletrônica, desde a década
de 40 até os dias atuais, apresentou um crescimento
considerável. Ela revolucionou não somente a economia como também o modo de vida das pessoas. A
mudança foi tão significativa que podemos chamar a
nossa era de “Idade do Silício” [1]. O silício tem sido
utilizado como matéria prima para a fabricação dos
mais diversos componentes miniaturizados em circuitos integrados (CIs). Isso foi possível graças a avanços tecnológicos nos processos de fabricação em
geral (sobretudo nos processos de fotolitografia), o
que deu origem a dispositivos cada vez menores e
com maior eficiência. Uma prova disso é que atualmente um chip de 1cm² contém cerca de 1 bilhão de
transistores [2].
Porém, aspectos negativos da microeletrônica como
os limites físicos de integração eletrônica e o elevado
consumo de energia para altas taxas de processamento devem ser observados. Tais aspectos podem
se tornar um problema devido à continuidade da utilização maciça dessa tecnologia. Isso porque a sociedade atual demanda por um aumento do fluxo da
informação associada ao consumo energético cada
vez menor.
Desse modo, a busca por novas tecnologias que
apresentem baixo custo e maior eficiência vem crescendo. É neste contexto que se insere a Fotônica de
Silício, visando superar os aspectos negativos relativos à microeletrônica, mencionados anteriormente. A
Fotônica de silício se baseia na utilização de dispositivos construídos em silício e estes podem ser integrados para a implementação de circuitos integrados
em fotônica (photonics integrated circuits, PIC’s) [3].
Espera-se que tais circuitos combinem a capacidade
de processamento da microeletrônica à elevada largura de banda e ao baixo consumo de energia elétrica [3].
Sabe-se que o Silício é um elemento de gap indireto
e, em princípio, não apresenta a eficiência necessária em certos dispositivos fotônicos, tais como lasers
e amplificadores [4]. Mesmo assim, o Silício foi implementado na fotônica, uma vez o mesmo possui
baixo custo comercial e toda uma infraestrutura industrial já existente para sua exploração.
O primeiro produto desenvolvido pelas técnicas da
Fotônica de Silício (Silicon Photonics) foi disponibilizado comercialmente no ano de 2010 [5]. Até 2015
[3] uma série de produtos baseados em fotônica de
silício serão lançados no mercado, possibilitando
empresas como IBM e Intel utilizar esta nova tecnologia para interligar núcleos de processamento em
seus computadores [6]. Esse fato demonstra a importância da inserção da Fotônica de Silício para o
contínuo e crescente progresso da Tecnologia de
Informação (TI).
No que diz respeito aos elementos básicos para a
construção de dispositivos fotônicos mais complexos
baseados em silício, podem-se citar guias de ondas
(tipo rib e tipo strip), grades de Bragg, interferômetros
de Mach-Zehnder, ressonadores de Fabry-Perot e
ressonadores em anel (ring resonators, RR). Tais
elementos são dimensionados para que se torne
possível a criação e a implementação de dispositivos
mais complexos como acopladores, filtros, moduladores, linhas ópticas de atraso (optical delay line
,ODL), entre outros. Esses dispositivos são necessários para a construção dos circuitos integrados de
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fotônica (photonic integrated circuit, PIC) e para o
avanço opto-eletrônica (optp-electronic integrated
circuits, EIC) [7].
Td 
L
v
(1)
As ODLs, objetos de estudo desse trabalho, merecem destaque por serem essenciais em operações
como o alinhamento temporal de sinais e a construção de memórias ópticas [8]. Além disso, também
podem ser utilizadas para introduzir a técnica de criptografia óptica, objeto de estudo do grupo de pesquisas [9], que consiste em criptografar sinais ópticos
como objetivo de transmiti-los em total segurança
através de fibras ópticas.
na qual L é o comprimento do guia e v é a velocidade de propagação do sinal no guia. Entretanto, sabese que a área ocupada pelo guia é diretamente proporcional ao comprimento L e que o custo de fabricação é proporcional a esta área. Por isso, é conveniente reduzir L .
Desse modo, nesse trabalho serão considerados
guias de onda do tipo rib e ressonadores em anel
(RR’s) para estudar uma linha óptica de atraso ajustável, analisada em [10]. Para realizar as simulações
necessárias utilizou-se o software Rsoft.
Uma maneira de reduzir essa área é fabricar o guia
em formato de espiral, como a ilustrada na figura 2
[11] Dessa maneira, tal dispositivo estaria adequado
à tecnologia fotônica pelo fato de abranger uma área
pequena, além de possuir baixo custo comercial.
Este resumo está organizado da seguinte maneira. A
Seção 2 trata da estrutura e funcionamento das linhas ópticas de atraso. A Seção 3 apresenta o arranjo de simulação. Posteriormente, a Seção 4 diz respeito aos resultados. Por fim, a Seção 5 trata-se da
conclusão.
2. ESTRUTURA E FUNCIONAMENTO DOS RRS
Existem várias estruturas fotônicas que são utilizadas
para implementar atrasos ópticos. A figura 1 ilustra
um guia que pode operar como linha óptica de atraso.
Figura 2. Guia de onda em formato de espiral.
Porém, essa técnica de criar um enrolamento espiral
gera um atraso constante, já que o comprimento
L ajustado não pode ser modificado. Assim, a linha
óptica de atraso criada é caracterizada como não
sintonizável.
Figura 1. Guia de onda retangular.
De fato, observa-se que o sinal detectado na saída
do guia está atrasado por um valor Td em relação à
entrada. Tal atraso é dado pela Equação 1.
Existem algumas maneiras de se criar linhas ópticas
de atraso sintonizável. Uma delas é baseada em
uma estrutura conhecida como side-coupled integrated spaced sequence of resonators (SCISSOR)
[12].Esta apresenta RR’s acoplados em um guia de
onda do tipo rib, sequencialmente espaçados, cujo
objetivo e fazer com que o sinal óptico ressone em
cada um dos RR’s. A Figura 3 ilustra tal estrutura.
Os RR’s são estruturas bastante utilizadas em fotônica. São constituídas por um barramento e um anel
acoplados [3]. A luz incide pelo barramento e, se sua
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frequência coincidir com a frequência de ressonância
do anel,  r ,o sinal será capturado por este anel.
em que
Td 0 
do sinal,
r
N (1   )
,  é a frequência angular
(1   )
a frequência de ressonância do anel e
N o número de anéis contidos na estrutura. Os pa-
râmetros  3 e  5 , relacionados com a dispersão do
sinal, são dados pela Equação 4 e 5.
 3  (1   )
3 
(1   ) 3
Figura 3. Estrutura SCISSOR.
A Figura 4 ilustra um RR e
ção [3].
r
2m

 r é dada pela Equa-
(2)
em que  é o tempo de propagação do sinal dentro
do anel e m um número inteiro.
5 
(4)
 5  (1   )(1  10    2 )
12(1   ) 5
(5)
nas quais  é um parâmetro dado em função do
fator de acoplamento, conforme a Equação 6.
  1 2
(6)
 = 1,  =0 e Td 0 = N . Se  = 0.35,
 = 0.93675 e Td 0 =30.6 N .
Por exemplo, se
A partir da estrutura SCISSOR ilustrada pela Figura
3, pode-se obter uma estrutura denominada
SCISSOR balanceado, visualizada na Figura 5.
Figura 4. Ring ressonator.
Figura 5. Estrutura SCISSOR balanceado.
A expressão que representa o atraso gerado pela
estrutura SCISSOR é dada pela Equação [12].
Nesta, a frequência de ressonância de metade dos
RR’s é ajustada para  r +  , em que  é um
desvio de frequência que pode ser ajustado termicamente. A outra metade dos RR’s é ajustada para
 r –  [10]. Pode-se mostrar que o atraso gerado
pela estrutura em questão é dado pela Equação 7.
Td ()  Td 0  N3 (  r ) 2  N5 (  r ) 4 .. (3)
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Td ( )  Td 0  N 2 [  3  5  2 ]  N [  36  5 2 ]
X (  r ) 2  N [  5  15 7  2 ](  r ) 4  ...
(7)
d 2 5 ( )
. Observa-se, a partir da
d 2
Equação (7), que uma variação em  induz uma
em que
 7 ( ) 
variação no atraso. Assim, a estrutura SCISSOR balanceada é capaz de prover o atraso sintonizável desejado. Neste trabalho, foi abordada a técnica da
utilização de RR’s conectados por meio de um barramento para a implantação de Linhas de Atraso Sintonizáveis observada em [10], visualizada na Figura
6. Tal técnica permite implantar no mercado uma
estrutura compacta, de baixo custo e, ainda, sintonizável.
vidos foram os seguintes: uma potência de 1 mW foi
aplicada no barramento, com uma frequência de
193,289 THz. Para a estrutura foi calculado um índice efetivo de 2,573017, através do método de análise
do índice efetivo [4]. A largura dos componentes foi
de 450 nm e a altura de 250 nm. O raio e o segmento reto considerados foram de 7 µm e 7,5 µm, respectivamente; o comprimento do barramento foi de
62,5 µm.
Além disso, também foram realizadas simulações
envolvendo apenas o barramento e, em seguida, a
estrutura constituída pelo barramento e um anel apenas. Logo, pôde-se o observar o atraso gerado pela
estrutura completa comparando-a com as anteriores.
A Figura 8(a) ilustra o barramento e a 8(b), o barramento com um anel.
Posteriormente, optou-se por analisar o atraso sintonizável através da mudança dos índices de refração
dos dois anéis.
Figura 6. Estrutura de uma Linha de Óptica de atraso ajustável.
Os racetracks (tipos específicos de RR’s) foram selecionados para o estudo a fim de promover um aumento da região de acoplamento do sinal óptico. São
estruturas formadas por duas semicircunferências e
dois segmentos retos, sendo acopladas por um guia
de onda denominado barramento. O acoplamento é
denominado gap e pode ser preenchido por algum
dielétrico como Óxido de silício, ar, entre outros.
3. ARRANJO DE SIMULAÇÃO
A Figura 7 ilustra o arranjo de simulação no software
Rsoft com o objetivo de implantar linhas ópticas de
atraso sintonizáveis. Na imagem, é possível visualizar apenas dois racetracks acoplados no barramento
do tipo rib. Neste sentido, a estrutura estudada em
[10] foi submetida a uma divisão em quatro partes
iguais, a fim de reduzir o tempo de simulação. Assim,
optou-se por medir o atraso gerado por parte da estrutura e efetuar a multiplicação pelo fator 4 para se
obter o atraso total.
Com isso, é apresentada uma possível aplicação dos
RR`s para fins de construção de uma linha óptica de
atraso sintonizável. Para tanto, os parâmetros envol-
Figura 7. Arranjo de Simulação da linha óptica de atraso sintonizável no software Rsoft.
4. RESULTADOS
Nessa seção são apresentados os resultados da simulação para a linha óptica de atraso de acordo com
os parâmetros citados anteriormente.
Nas figuras que apresentam dois gráficos, o superior
diz respeito à distribuição do campo elétrico no guia
de onda e o inferior trata da amplitude do sinal em
função da distância percorrida. O eixo x, no segundo
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gráfico, representa cT, em que c é a velocidade da
luz e T é tempo transcorrido entre a geração do sinal,
na entrada do guia, e sua detecção em um monitor
posicionado na saída do guia. O atraso gerado pelo
guia corresponde ao valor de cT de maior amplitude
no sinal.
Na Figura 9 é ilustrado o resultado da simulação envolvendo apenas o barramento. Nela, pode-se notar
que o sinal é detectado pelo monitor de saída a partir
de cT = 160,7 µm, o que equivale a 0,536 ps. Além
disso, pode-se observar que a amplitude é estabilizada em 0,75 logo após o valor de 160,7 µm.
plitude máxima foi atingida em 686,9 µm, o que representa um atraso de 2,3 ps. Isto mostra que a estrutura em questão aumentou o atraso que seria obtido apenas com o barramento (0,536 ps).
A Figura 11 ilustra a estrutura com dois racetracks.
Nela, pode-se notar a existência de quatro degraus,
assim como na simulação anterior. Desta vez, os
resultados teóricos foram pouco coerentes com a
simulação. A existência dos degraus possivelmente é
explicada pela ocorrência de várias ressonâncias nos
racetracks. A amplitude máxima foi de 0.793493 em
cT = 982,25 µm, que corresponde a um atraso de
3,278 ps, maior que os detectados anteriormente.
Com o objetivo de reduzir o acoplamento e aumentar
o atraso, utilizou-se a técnica de elevar o gap de 200
nm para 300 nm. A Figura 12 ilustra a simulação com
o gap de 300 nm em uma escala na qual o valor de
cT atinge 6000 µm. O novo atraso foi obtido próximo
a cT= 3500 µm ou ~11 ps.
Figura8(a) Barramento.
(b) Barramento com um anel.
Já a Figura 10 ilustra a estrutura formada pelo barramento e um anel apenas. Ao contrário do que é
observado na Figura 9, a amplitude do sinal tem a
forma de vários degraus. Nota-se que o primeiro degrau representa a parte do sinal que percorreu o barramento sem ressonar nos racetracks, porém com
uma amplitude menor se comparada com a simulação anterior. A baixa amplitude detectada em 160,7
µm mostra que uma pequena fração do sinal percorreu apenas o barramento e o restante sofreu ressonância no racetrack. O segundo degrau representa a
parte do sinal que ressonou uma vez no anel e, o
terceiro, o que ressonou duas vezes no anel. Os valores de cT foram de 336,1 µm e 511,5 µm para os
segundo e terceiro degraus, respectivamente. A am-
Figura 9 Simulação do Barramento.
Após esse ponto, o atraso passa a aumentar de maneira acentuada. Quanto maior o valor de , menor é
esse limite. Por exemplo, o limite ocorre para  = 2
THz quando = 0,4 e para  = 0,55 THz quando =
0,8.
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Figura 11.Simulação do barramento com dois aneis.
Após esse ponto, o atraso passa a aumentar de maneira acentuada. Quanto maior o valor de , menor é
esse limite. Por exemplo, o limite ocorre para  = 2
THz quando = 0,4 e para  = 0,55 THz quando =
0,8. Observa-se também que uma ampla faixa de
atrasos pode ser atingida. Por exemplo, para = 0,8
e  ~1 THz, Td supera facilmente a casa de 20 ps
(cerca de 40 vezes o atraso provido pelo barramento
em questão.
Figura 12. Simulação da estrutura com o gap de 300nm.

0,0
0,1
0,2
0,4
0,8
101
Td()(ps)
Figura 10.Simulação do Barramento com um anel.
100
0
2
4
 (Trad/s)
Figura 13. Dependência entre o atraso e o desvio da frequência de ressonância.
5. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos indicam, por exemplo, que a
simples inclusão de racetracks ao barramento pode
ampliar o atraso das linhas em questão de 0,506 para cerca de 11 ps. Além disso, o desvio da frequência
de ressonância permite a obtenção de atrasos superiores a 20 ps.
REFERÊNCIAS
[1] Jacobus W Swart “Evolução de Microeletrônica à Microssistemas”,CCS e FEEC-Unicamp.
[2] A. S.Sedra, K. C.Smith, “Microelectronic Circuits", 5th edition.
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[3] G. T. Reed, A. P. Knights, “Silicon Photonics- The State of Art,”
John Wiley & Sons Inc., (2008).
[4]G. T. Reed, A. P. Knights, “Silicon Photonics- An Introduction,” John
Wiley & Sons Inc., (2004).
[5] http://www.luxtera.com/
[6] Informação fornecida pela Dra.Michal Lipson durante sua palestra na
4th International Winter School for Graduate Students da National Nanotechnology Infrastructure Network; 09 a 13/01/12- Unicamp.
[7]D.G. Rabus, “Integrated Ring Resonators” Springer, (2007).
[8]D. Brunina, X. Zhu, K. Padmaraju, L. Chen, M. Lipson, and K.
Bergman, "10-Gb/s WDM Optically-Connected Memory System using
Silicon Microring Modulators," European Conference and Exhibition on
Optical Communication (ECOC), paper Mo.2.A, (2012).
[9] M. L. F. Abbade et al "Criptografia Óptica Mediante Controle Analógico da Amplitude e do Atraso de Fatias Espectrais: Análise para Sinais
NRZ," In: MOMAG (2012). Anais do MOMAG (2012), (2012).
[10] J. Cardenas et al." Wide-bandwidth continuously tunable optical
delay line using silicon microring resonators," Optics Express, vol. 18,
issue 25, pp. 26525-26534, (2010).
[11] Hansuek Lee, Tong Chen1, Jiang Li, Oskar Painter1 & Kerry
J.Vahala,” ltra-low-loss optical delay line on a silicon chip”.
[12] Jacob B. Khurgin, and Paul A. Morton, “Tunable wideband optical
delay line based on balanced coupled resonator structures”.