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Advisor(s)
Abstract(s)
Electromagnetic phenomena have been studied since their prediction by Maxwell in the 19th
century. Their propagation, whether in open space or through specifically created conduits, is of
no exception and, lately, research interest seems very much focused on Si based photonics. Its
high refraction index and compatibility with CMOS actual technology, place this element on a
favourable position as a high density integration platform in digital processing systems today’s
manufacturing processes. Thus, it is the intent of this dissertation to present the first necessary
steps towards the ultimate goal, a fully optical computer system.
Hence and after an initial introduction where the main foreseen advantages by the replacement of
some of today’s electrical interconnects on computer systems by their Si based optical
counterparts are mentioned, follows an analytical approach to propagation modes formation and
respective main parameters on dielectric waveguides and, finally, by some of these structures
simulations in order to obtain data to characterize optical power loss along the simulated devices.
For that purpose, it is reported results obtained by a set of FDTD (Finite-Difference Time-Domain)
simulations, both 2D and 3D, about the characteristics of hydrogenated amorphous silicon
waveguides embedded in a SiO2 cladding. Light absorption dependence on the material properties
and waveguide curvature radius are analysed for wavelengths in the IR (infra-red) spectrum.
Wavelength transmission efficiency is determined analysing the decay of the light power along the
waveguides and the obtained results show that radiation losses should remain within acceptable
limits when considering curvature radius as small as 3 μm at its most.
Os fenómenos eletromagnéticos têm vindo a ser estudados desde a sua previsão por Maxwell no sec. XIX. A sua propagação quer em espaço livre, quer quando através de estruturas criadas para o efeito, não é exceção e, mais recentemente, o foco parece estar localizado na investigação da fotónica baseada em silício. O seu elevado índice de refração e compatibilidade com a tecnologia CMOS atual, colocam o silício em posição privilegiada como plataforma de integração de alta densidade nos processos de fabrico dos sistemas de processamento digital contemporâneos. É assim intenção desta dissertação, apresentar os primeiros passos de uma alternativa dirigida a um objetivo final, a concretização de sistemas óticos de processamento digital. Nesse sentido e após uma introdução inicial onde são referidas as principais vantagens de uma substituição das atuais interligações elétricas por pelas suas congéneres óticas, foi efetuado um estudo analítico da formação de modos em guias de ondas dielétricos, seguido finalmente por simulações de algumas destas estruturas com vista à obtenção de dados que permitem caracterizar as perdas de potência ótica ao longo dos dispositivos apresentados. Assim, serão aqui apresentados os resultados obtidos por um conjunto de simulações FDTD (Finite-Difference Time- Domain), a duas e três dimensões, com as características de guias de onda de silício amorfo hidrogenado quando embebido em sílica. A dependência entre a absorção de radiação eletromagnética e as propriedades dos materiais, bem como, a influência do raio de curvatura do guia de ondas, é aqui analisada para comprimentos de onda do espectro infravermelho. A eficiência de transmissão dos referidos comprimentos de onda é determinada pela verificação do decaimento de potência do sinal eletromagnético ao longo dos guias de onda e os resultados obtidos mostram que as perdas por radiação estarão dentro de limites aceitáveis, mesmo quando considerando raios de curvatura tão diminutos quanto 3 μm.
Os fenómenos eletromagnéticos têm vindo a ser estudados desde a sua previsão por Maxwell no sec. XIX. A sua propagação quer em espaço livre, quer quando através de estruturas criadas para o efeito, não é exceção e, mais recentemente, o foco parece estar localizado na investigação da fotónica baseada em silício. O seu elevado índice de refração e compatibilidade com a tecnologia CMOS atual, colocam o silício em posição privilegiada como plataforma de integração de alta densidade nos processos de fabrico dos sistemas de processamento digital contemporâneos. É assim intenção desta dissertação, apresentar os primeiros passos de uma alternativa dirigida a um objetivo final, a concretização de sistemas óticos de processamento digital. Nesse sentido e após uma introdução inicial onde são referidas as principais vantagens de uma substituição das atuais interligações elétricas por pelas suas congéneres óticas, foi efetuado um estudo analítico da formação de modos em guias de ondas dielétricos, seguido finalmente por simulações de algumas destas estruturas com vista à obtenção de dados que permitem caracterizar as perdas de potência ótica ao longo dos dispositivos apresentados. Assim, serão aqui apresentados os resultados obtidos por um conjunto de simulações FDTD (Finite-Difference Time- Domain), a duas e três dimensões, com as características de guias de onda de silício amorfo hidrogenado quando embebido em sílica. A dependência entre a absorção de radiação eletromagnética e as propriedades dos materiais, bem como, a influência do raio de curvatura do guia de ondas, é aqui analisada para comprimentos de onda do espectro infravermelho. A eficiência de transmissão dos referidos comprimentos de onda é determinada pela verificação do decaimento de potência do sinal eletromagnético ao longo dos guias de onda e os resultados obtidos mostram que as perdas por radiação estarão dentro de limites aceitáveis, mesmo quando considerando raios de curvatura tão diminutos quanto 3 μm.
Description
Trabalho final de mestrado para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações
Keywords
Diferenças finitas no domínio do tempo Finite-difference time-domain method Método FDTD FDTD method Silício amorfo hidrogenado Hidrogenated amorphous silicon
Citation
LOURENÇO, Paulo Jorge Passos Sério - Silicon waveguides analysis and simulation. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2016. Dissertação de mestrado.
Publisher
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa