Design and Fabrication of Power Si1-xGex/Si Heterojunction Bipolar Transistor for Wireless Power Amplifier Applications

A multi-finger structure power SiGe HBT device （with an emitter area of about 166μm^2） is fabricated with very simple 2μm double-mesa technology. The DC current gain β is 144.25. The B-C junction breakdown voltage reaches 9V with a collector doping concentration of 1 × 10^17cm^-3 and a collector thickness of 400nm. Though our data are influenced by large additional RF probe pads, the device exhibits a maximum oscillation frequency fmax of 10.1GHz and a cut-off frequency fτ of 1.8GHz at a DC bias point of IC=10mA and VCE = 2.5V.

An Electroabsorption Modulator Monolithically Integrated with a Semiconductor Optical Amplifier and a Dual-Waveguide Spot-Size Converter

A semiconductor optical amplifier and electroabsorption modulator monolithically integrated with a spotsize converter input and output is fabricated by means of selective area growth,quantum well intermixing,and asymmetric twin waveguide technology. A 1550-1600nm lossless operation with a high DC extinction ratio of 25dB and more than 10GHz 3dB bandwidth are successfully achieved. The output beam divergence angles of the device in the horizontal and vertical directions are as small as 7.3°× 18.0°, respectively, resulting in a 3.0dB coupling loss with a cleaved single-mode optical fiber.

Design of Tapered Rib Spot-Size Converter with Double-Cladding Structure

A novel structure of spot-size converter is designed to allow low loss and large alignment tolerance between single-mode rib waveguide devices and fiber arrays theoretically. The spot-size converter consists of a tapered rib core region and a double-cladding region. Through optimizing parameters,an expanded mode field can be tightly confined in the inner cladding and thus radiation loss be reduced largely at the tapered region. The influence of refractive index and thickness of the inner cladding on coupling loss is analyzed in particular. A novel,easy method of fabricating tapered rib spot-size converter based on silicon-on-insulator material is proposed.

Wide-Band Polarization-Independent Semiconductor Optical Amplifier Gate with Tensile-Strained Quasi-Bulk InGaAs

A semiconductor optical amplifier gate based on tensile-strained quasi-bulk InGaAs is developed. At injection current of 80mA,a 3dB optical bandwidth of more than 85nm is achieved due to dominant band-filling effect.Moreover, the most important is that very low polarization dependence of gain (＜0. 7dB),fiber-to-fiber lossless operation current (70～90mA) and a high extinction ratio (＞50dB) are simultaneously obtained over this wide 3dB optical bandwidth (1520～1609nm) which nearly covers the spectral region of the whole C band (1525～1565nm)and the whole L band (1570～ 1610nm). The gating time is also improved by decreasing carrier lifetime. The wideband polarization-insensitive SOA-gate is promising for use in future dense wavelength division multiplexing (DWDM) communication systems.

Bandpass filter by a stretch and double-exposure technique

We fabricated a bandpass filter based on Moire Bragg grating in fiber with a uniform phase mask We employed a stretch and two-exposure technique, in which the fiber was exposed to UV light from a KrF excimer through a phase mask and then the fiber is stretched and given another exposure at the same region. Due to the stretch, the periods of these two grating are slightly different, and there is a transmission between two reflection peaks at the Bragg wavelength of these two gratings.Applying different stretch can control the bandpass width of the filter. We measured the stretch characterization of a uniform Bragg grating and found the Bragg wavelength of the grating shifts linearly with the stretched length.We theoretically analyzed the grating structure and its reflection spectrum. The filter's characteristics can be optimized by choosing appropriate parameters. We will give a theoretical discussion concerning which parameters and how they affect the filter's operation.

Fiber-optic interferometric two-dimensional scattering-measurement system.

We present a fiber-optic interferometric system for measuring depth-resolved scattering in two angular dimensions using Fourier-domain low-coherence interferometry. The system is a unique hybrid of the Michelson and Sagnac interferometer topologies. The collection arm of the interferometer is scanned in two dimensions to detect angular scattering from the sample, which can then be analyzed to determine the structure of the scatterers. A key feature of the system is the full control of polarization of both the illumination and the collection fields, allowing for polarization-sensitive detection, which is essential for two-dimensional angular measurements. System performance is demonstrated using a double-layer microsphere phantom. Experimental data from samples with different sizes and acquired with different polarizations show excellent agreement with Mie theory, producing structural measurements with subwavelength accuracy.

Characterization of stationary and pulsed inductively coupled RF discharges for plasma sterilization

Sterilization of bio-medical materials using radio frequency (RF) excited inductively coupled plasmas (ICPs) has been investigated. A double ICP has been developed and studied for homogenous treatment of three-dimensional objects. Sterilization is achieved through a combination of ultraviolet light, ion bombardment and radical treatment. For temperature sensitive materials, the process temperature is a crucial parameter. Pulsing of the plasma reduces the time average heat strain and also provides additional control of the various sterilization mechanisms. Certain aspects of pulsed plasmas are, however, not yet fully understood. Phase resolved optical emission spectroscopy and time resolved ion energy analysis illustrate that a pulsed ICP ignites capacitively before reaching a stable inductive mode. Time resolved investigations of the post-discharge, after switching off the RF power, show that the plasma boundary sheath in front of a substrate does not fully collapse for the case of hydrogen discharges. This is explained by electron heating through super-elastic collisions with vibrationally excited hydrogen molecules.

Impact of gate-source/drain channel architecture on the performance of an operational transconductance amplifier (OTA)

In this work, we report on the significance of gate-source/drain extension region (also known as underlap design) optimization in double gate (DG) FETs to improve the performance of an operational transconductance amplifier (OTA). It is demonstrated that high values of intrinsic voltage gain (A(VO_OTA)) > 55 dB and unity gain frequency (f(T_OTA)) similar to 57 GHz in a folded cascode OTA can be achieved with gate-underlap channel design in 60 nm DG MOSFETs. These values correspond to 15 dB improvement in A(VO_OTA) and three fold enhancement in f(T_OTA) over a conventional non-underlap design. OTA performance based on underlap single gate SOI MOSFETs realized in ultra-thin body (UTB) and ultra-thin body BOX (UTBB) technologies is also evaluated. A(VO_OTA) values exhibited by a DG MOSFET-based OTA are 1.3-1.6 times higher as compared to a conventional UTB/UTBB single gate OTA. f(T_OTA) values for DG OTA are 10 GHz higher for UTB OTAs whereas a twofold improvement is observed with respect to UTBB OTAs. The simultaneous improvement in A(VO_OTA) and f(T_OTA) highlights the usefulness of underlap channel architecture in improving gain-bandwidth trade-off in analog circuit design. Underlap channel OTAs demonstrate high degree of tolerance to misalignment/oversize between front and back gates without compromising the performance, thus relaxing crucial process/technology-dependent parameters to achieve 'idealized' DG MOSFETs. Results show that underlap OTAs designed with a spacer-to-straggle (s/sigma) ratio of 3.2 and operated below a bias current (IBIAS) of 80 mu A demonstrate optimum performance. The present work provides new opportunities for realizing future ultra-wide band OTA design with underlap DG MOSFETs.

DNA double-strand break distributions in X-ray and alpha-particle irradiated V79 cells: Evidence for non-random breakage

Many studies have shown that with increasing LET of ionizing radiation the RBE (relative biological effectiveness) for dsb (double strand breaks) induction remains around 1.0 despite the increase in the RBE for cell killing. This has been attributed to an increase in the complexity of lesions, classified as dsb with current techniques, at multiply damaged sites. This study determines the molecular weight distributions of DNA from Chinese hamster V79 cells irradiated with X-rays or 110 keV/mu m alpha-particles. Two running conditions for pulsed-field gel-electrophoresis were chosen to give optimal separation of fragments either in the 225 kbp-5.7 Mbp range or the 0.3 kbp to 225 kbp range. Taking the total fraction of DNA migrating into the gel as a measure of fragmentation, the RBE for dsb induction was less than 1.0 for both molecular weight regions studied. The total yields of dsb were 8.2 x 10(-9) dsb/Gy/bp for X-rays and 7.8 x 10(-9) dsb/Gy/bp for a-particles, measured using a random breakage model. Analysis of the RBE of alpha-particles versus molecular weight gave a different response. In the 0.4 Mbp-57 Mbp region the RBE was less than 1.0; however, below 0.4 Mbp the RBE increased above 1.0. The frequency distributions of fragment sizes were found to differ from those predicted by a model assuming random breakage along the length of the DNA and the differences were greater for alpha-particles than for X-rays. An excess of fragments induced by a single-hit mechanism was found in the 8-300 kbp region and for X-rays and alpha-particles these corresponded to an extra 0.8 x 10(-9) and 3.4 x 10(-9) dsb/bp/Gy, respectively. Thus for every alpha-particle track that induces a dsb there is a 44% probability of inducing a second break within 300 kbp and for electron tracks the probability is 10%. This study shows that the distribution of damage from a high LET alpha-particle track is significantly different from that observed with low LET X-rays. In particular, it suggests that the fragmentation patterns of irradiated DNA may be related to the higher-order chromatin repealing structures found in intact cells.

A review of studies of ionizing radiation-induced double-strand break clustering

Underpinning current models of the mechanisms of the action of radiation is a central role for DNA damage and in particular double-strand breaks (DSBs). For radiations of different LET, there is a need to know the exact yields and distributions of DSBs in human cells. Most measurements of DSB yields within cells now rely on pulsed-field gel electrophoresis as the technique of choice. Previous measurements of DSB yields have suggested that the yields are remarkably similar for different types of radiation with RBE values less than or equal to1.0. More recent studies in mammalian cells, however, have suggested that both the yield and the spatial distribution of DSBs are influenced by radiation quality. RBE values for DSBs induced by high-LET radiations are greater than 1.0, and the distributions are nonrandom. Underlying this is the interaction of particle tracks with the higher-order chromosomal structures within cell nuclei. Further studies are needed to relate nonrandom distributions of DSBs to their rejoining kinetics. At the molecular level, we need to determine the involvement of clustering of damaged bases with strand breakage, and the relationship between higher-order clustering over sizes of kilobase pairs and above to localized clustering at the DNA level. Overall, these studies will allow us to elucidate whether the nonrandom distributions of breaks produced by high-LET particle tracks have any consequences for their repair and biological effectiveness. (C) 2001 by Radiation Research Society.

Synapsin- and actin-dependent frequency enhancement in mouse hippocampal mossy fiber synapses

The synapsin proteins have different roles in excitatory and inhibitory synaptic terminals. We demonstrate a differential role between types of excitatory terminals. Structural and functional aspects of the hippocampal mossy fiber (MF) synapses were studied in wild-type (WT) mice and in synapsin double-knockout mice (DKO). A severe reduction in the number of synaptic vesicles situated more than 100 nm away from the presynaptic membrane active zone was found in the synapsin DKO animals. The ultrastructural level gave concomitant reduction in F-actin immunoreactivity observed at the periactive endocytic zone of the MF terminals. Frequency facilitation was normal in synapsin DKO mice at low firing rates (approximately 0.1 Hz) but was impaired at firing rates within the physiological range (approximately 2 Hz). Synapses made by associational/commissural fibers showed comparatively small frequency facilitation at the same frequencies. Synapsin-dependent facilitation in MF synapses of WT mice was attenuated by blocking F-actin polymerization with cytochalasin B in hippocampal slices. Synapsin III, selectively seen in MF synapses, is enriched specifically in the area adjacent to the synaptic cleft. This may underlie the ability of synapsin III to promote synaptic depression, contributing to the reduced frequency facilitation observed in the absence of synapsins I and II.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

Estudo e aplicação de amplificadores ópticos para suporte a redes banda larga

Esta tese tem como foco principal a análise dos principais tipos de amplificação óptica e algumas de suas aplicações em sistemas de comunicação óptica. Para cada uma das tecnologias abordadas, procurou-se definir o estado da arte bem como identificar as oportunidades de desenvolvimento científico relacionadas. Os amplificadores para os quais foi dirigido alguma atenção neste documento foram os amplificadores em fibra dopada com Érbio (EDFA), os amplificadores a semicondutor (SOA) e os amplificadores de Raman (RA). Este trabalho iniciou-se com o estudo e análise dos EDFA’s. Dado o interesse científico e económico que estes amplificadores têm merecido, apenas poucos nichos de investigação estão ainda em aberto. Dentro destes, focá-mo-nos na análise de diferentes perfis de fibra óptica dopada de forma a conseguir uma optimização do desempenho dessas fibras como sistemas de amplificação. Considerando a fase anterior do trabalho como uma base de modelização para sistemas de amplificação com base em fibra e dopantes, evoluiu-se para amplificadores dopados mas em guias de onda (EDWA). Este tipo de amplificador tenta reduzir o volume físico destes dispositivos, mantendo as suas características principais. Para se ter uma forma de comparação de desempenho deste tipo de amplificador com os amplificadores em fibra, foram desenvolvidos modelos de caixa preta (BBM) e os seus parâmetros afinados por forma a termos uma boa modelização e posterior uso deste tipo de amplificiadores em setups de simulação mais complexos. Depois de modelizados e compreendidos os processo em amplificadores dopados, e com vista a adquirir uma visão global comparativa, foi imperativo passar pelo estudo dos processos de amplificação paramétrica de Raman. Esse tipo de amplificação, sendo inerente, ocorre em todas as bandas de propagação em fibra e é bastante flexível. Estes amplificadores foram inicialmente modelizados, e algumas de suas aplicações em redes passivas de acesso foram estudadas. Em especial uma série de requisitos, como por exemplo, a gama de comprimentos de onda sobre os quais existem amplificação e os altos débitos de perdas de inserção, nos levaram à investigação de um processo de amplificação que se ajustasse a eles, especialmente para buscar maiores capacidades de amplificação (nomeadamente longos alcances – superiores a 100 km – e altas razões de divisão – 1:512). Outro processo investigado foi a possibilidade de flexibilização dos parâmetros de comprimento de onda de ganho sem ter que mudar as caractísticas da bomba e se possível, mantendo toda a referenciação no transmissor. Este processo baseou-se na técnica de clamping de ganho já bastante estudada, mas com algumas modificações importantes, nomeadamente a nível do esquema (reflexão apenas num dos extremos) e da modelização do processo. O processo resultante foi inovador pelo recurso a espalhamentos de Rayleigh e Raman e o uso de um reflector de apenas um dos lados para obtenção de laser. Este processo foi modelizado através das equações de propagação e optimizado, tendo sido demonstrado experimentalmente e validado para diferentes tipos de fibras. Nesta linha, e dada a versatilidade do modelo desenvolvido, foi apresentada uma aplicação mais avançada para este tipo de amplificadores. Fazendo uso da sua resposta ultra rápida, foi proposto e analisado um regenerador 2R e analisada por simulação a sua gama de aplicação tendo em vista a sua aplicação sistémica. A parte final deste trabalho concentrou-se nos amplificadores a semiconductor (SOA). Para este tipo de amplificador, os esforços foram postos mais a nível de aplicação do que a nível de sua modelização. As aplicações principais para estes amplificadores foram baseadas em clamping óptico do ganho, visando a combinação de funções lógicas essenciais para a concepção de um latch óptico com base em componentes discretos. Assim, com base num chip de ganho, foi obtido uma porta lógica NOT, a qual foi caracterizada e demonstrada experimentalmente. Esta foi ainda introduzida num esquema de latching de forma a produzir um bi-estável totalmente óptico, o qual também foi demonstrado e caracterizado. Este trabalho é finalizado com uma conclusão geral relatando os subsistemas de amplificação e suas aplicacações.

Characterization of RSOA modulators in radio over fiber links

In this work physical and behavioral models for a bulk Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) modulator in Radio over Fiber (RoF) links are proposed. The transmission performance of the RSOA modulator is predicted under broadband signal drive. At first, the simplified physical model for the RSOA modulator in RoF links is proposed, which is based on the rate equation and traveling-wave equations with several assumptions. The model is implemented with the Symbolically Defined Devices (SDD) in Advanced Design System (ADS) and validated with experimental results. Detailed analysis regarding optical gain, harmonic and intermodulation distortions, and transmission performance is performed. The distribution of the carrier and Amplified Spontaneous Emission (ASE) is also demonstrated. Behavioral modeling of the RSOA modulator is to enable us to investigate the nonlinear distortion of the RSOA modulator from another perspective in system level. The Amplitude-to-Amplitude Conversion (AM-AM) and Amplitude-to-Phase Conversion (AM-PM) distortions of the RSOA modulator are demonstrated based on an Artificial Neural Network (ANN) and a generalized polynomial model. Another behavioral model based on Xparameters was obtained from the physical model. Compensation of the nonlinearity of the RSOA modulator is carried out based on a memory polynomial model. The nonlinear distortion of the RSOA modulator is reduced successfully. The improvement of the 3rd order intermodulation distortion is up to 17 dB. The Error Vector Magnitude (EVM) is improved from 6.1% to 2.0%. In the last part of this work, the performance of Fibre Optic Networks for Distributed and Extendible Heterogeneous Radio Architectures and Service Provisioning (FUTON) systems, which is the four-channel virtual Multiple Input Multiple Output (MIMO), is predicted by using the developed physical model. Based on Subcarrier Multiplexing (SCM) techniques, four-channel signals with 100 MHz bandwidth per channel are generated and used to drive the RSOA modulator. The transmission performance of the RSOA modulator under the broadband multi channels is depicted with the figure of merit, EVM under di erent adrature Amplitude Modulation (QAM) level of 64 and 254 for various number of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) subcarriers of 64, 512, 1024 and 2048.