Estudio y diseño de arquitecturas de moduladores ópticos para comunicaciones analógicas en fotónica de silicio

Abstract

[ES] El modulador óptico integrado es un componente fundamental en cualquier sistema moderno de radio sobre fibra, ya que tiene una gran influencia en la distorsión que experimenta la señal radio transmitida. "Silicon-on-insulator" o silicio sobre aislante, se ha posicionado como la plataforma más prometedora para conseguir moduladores ópticos de un alto rendimiento a bajo coste, gracias a la compatibilidad con los procesos de fabricación CMOS bien conocidos. Sin embargo, las prestaciones de estos moduladores son todavía inferiores a los fabricados en otras plataformas como fosfuro de indio o niobato de litio integrado, especialmente en términos de linealidad, debido a que el efecto explotado para modulación en silicio es intrínsicamente no lineal. En este documento se presenta un estudio teórico de moduladores ópticos de intensidad basados en modulación de fase óptica, donde múltiples arquitecturas son analizadas y evaluadas, proponiendo nuevos procedimientos y técnicas de operación y linealización en moduladores basados en silicio. Para ello, primero se desarrolla una herramienta software para modelar y analizar moduladores ópticos, bautizada como OMMAT. Algunos estudios sobre linealidad aquí presentados son, hasta donde sabemos, los primeros en ser reportados, como por ejemplo para el modulador MZCRM, o el RAMZM linealizado en resonancia. Los resultados obtenidos muestran que es posible linealizar completamente la respuesta de moduladores en silicio, obteniendo rangos dinámicos libres de espurios tan altos como 120dB para los términos cuadráticos y cúbicos simultáneamente, al mismo tiempo que se logra una eficiencia mayor que un MZM equivalente. Una vez realizado el estudio, se realizan distintos diseños de máscara en silicio sobre aislante de dichos moduladores, utilizando el kit de diseño de la "foundry" AMF. Finalmente, se rellena un área de 2.8mmx16mm para una ronda de fabricación de una oblea multiproyecto o "multi-project-wafer" con los diseños realizados, para así poder estudiar y validar experimentalmente las técnicas de linealización y operación anteriormente presentadas.

[EN] The integrated optical modulator is a key component of any modern radio over fiber link, as it strongly determines the distortion experienced by the transmitted radio signal. Silicon-on-insulator has been positioned as a promising platform to achieve low-cost and high-performance integrated optical modulators due to its compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor fabrication processes. However, the performance of these modulators is still worse than other platforms such as indium phosphide or integrated lithium niobate, especially in terms of linearity as a result of the non-linear physical effect exploited for modulation. Here we present a theoretical study on intensity optical modulation architectures based on optical phase modulation, where multiple schemes are analyzed and evaluated, and novel operating procedures, linearization techniques and design guidelines are proposed for silicon-on-insulator modulators. To do so, first a versatile software tool to model and analyze optical modulators called OMMAT is developed. Some linearity studies are, to the best of our knowledge, the first to be reported, such as for the Mach-Zehnder Coupled Ring Modulator or the Ring-Assisted Mach-Zehnder Modulator linearized at resonance. Results show that it is possible to fully linearize the response of silicon-on insulator modulators, achieving spurious-free dynamic ranges as high as 120dB for both 2nd and 3rd order distortion and with a resulting efficiency higher than an equivalent Mach-Zehnder Modulator. The studied architectures are then translated into novel mask layout designs using the process-design-kit of AMF. Finally, a multi-project-wafer mask die of 2.8mm by 16mm is filled with these structures in order to study experimentally the linearization techniques and operating procedures previously presented.