Three transducers for one photodetector: essays for optical communications

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Electrical and Computer Engineering - Electronics

Optoelectronic Digital Capture Device Based on Si/C Multilayer Heterostructures

Combined tunable WDM converters based on SiC multilayer photonic active filters are analyzed. The operation combines the properties of active long-pass and short-pass wavelength filter sections into a capacitive active band-pass filter. The sensor element is a multilayered heterostructure produced by PE-CVD. The configuration includes two stacked SiC p-i-n structures sandwiched between two transparent contacts. Transfer function characteristics are studied both theoretically and experimentally. Results show that optical bias activated photonic device combines the demultiplexing operation with the simultaneous photodetection and self amplification of an optical signal acting the device as an integrated photonic filter in the visible range. Depending on the wavelength of the external background and irradiation side, the device acts either as a short- or a long-pass band filter or as a band-stop filter. The output waveform presents a nonlinear amplitude-dependent response to the wavelengths of the input channels. A numerical simulation and two building-blocks active circuit is presented and gives insight into the physics of the device.

Integrated photonic filters based on SiC multilayer structures

Combined tunable WDM converters based on SiC multilayer photonic active filters are analyzed. The operation combines the properties of active long-pass and short-pass wavelength filter sections into a capacitive active band-pass filter. The sensor element is a multilayered heterostructure produced by PE-CVD. The configuration includes two stacked SiC p-i-n structures sandwiched between two transparent contacts. Transfer function characteristics are studied both theoretically and experimentally. Results show that optical bias activated photonic device combines the demultiplexing operation with the simultaneous photodetection and self amplification of an optical signal acting the device as an integrated photonic filter in the visible range. Depending on the wavelength of the external background and irradiation side, the device acts either as a short- or a long-pass band filter or as a band-stop filter. The output waveform presents a nonlinear amplitude-dependent response to the wavelengths of the input channels. A numerical simulation and a two building-blocks active circuit are presented and give insight into the physics of the device. (c) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effects of crosstalk in WDM optical label switching networks due to wavelength switching of a tunable laser

Crosstalk caused by switching events in fast tunable lasers in an optical label switching (OLS) system is investigated for the first time. A wavelength-division-multiplexed OLS system based on subcarrier multiplexed labels is presented which employs a 40-Gb/s duobinary payload and a 155-Mb/s label on a 40-GHz subcarrier. Degradation in system performance as the transmitters switch between different channels is then characterized in terms of the frequency drift of the tunable laser.

High resolution demodulation platform for large capacity hybrid WDM/FDM microstructures sensing system assisted by tunable FP filter

In this paper we proposed a demodulation scheme based on tunable FP filter for the WDM/FDM sensing system of the microstructure mentioned in the previous work. Simulation is done to prove the feasibility of demodulating the microstructure with the tunable FP filter. The experiments result showed high consistence with the simulation. And with the help of the high speed FPGA module and a high resolution AD/DA card, the system has achieved a very high resolution, up to 2.5 pm, and wavelength ranges 1520nm to 1590 nm.

Linear and nonlinear transport in a small charge-tunable open quantum ring

We experimentally study the Aharonov-Bohm-conductance oscillations under external gate voltage in a semiconductor quantum ring with a radius of 80 nm. We find that, in the linear regime, the resistance-oscillation plot in the voltage-magnetic-field plane corresponds to the quantum ring energy spectra. The chessboard pattern assembled by resistance diamonds, while loading the ring, is attributed to a short electron lifetime in the open configuration, which agrees with calculations within the single-particle model. Remarkably, the application of a small dc current allows observing strong deviations in the oscillation plot from this pattern accompanied by a magnetic-field symmetry break. We relate such behavior to the higher-order-conductance coefficients determined by electron-electron interactions in the nonlinear regime.

Connection Admission Control for a WDM Optical Network Based on Traffic Monitoring and Bandwidth Release

We proposed a connection admission control (CAC) to monitor the traffic in a multi-rate WDM optical network. The CAC searches for the shortest path connecting source and destination nodes, assigns wavelengths with enough bandwidth to serve the requests, supervises the traffic in the most required nodes, and if needed activates a reserved wavelength to release bandwidth according to traffic demand. We used a scale-free network topology, which includes highly connected nodes ( hubs), to enhance the monitoring procedure. Numerical results obtained from computational simulations show improved network performance evaluated in terms of blocking probability.

Tunable Bragg filter using silicon compound films

In this work, we present the simulation, fabrication and characterization of a tunable Bragg filter employing amorphous dielectric films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition technique on a crystalline silicon substrate. The optical device was built using conventional microelectronic processes and consisted of fifteen periodic intervals of Si3N4 layers separated by air with appropriated thickness and lengths to produce transmittance attenuation peaks in the visible region. For this, previous simulations were realized based in the optical parameters of the dielectric film, which were extracted from ellipsometry and profilometry techniques. For the characterization of the optical interferential filter, a 633 nm monochromatic light was injected on the filter, and then the transmitted output light was collected and conducted to a detector through an optical waveguide made also of amorphous dielectric layers. Afterwards, the optical filter was mounted on a Peltier thermoelectric device in order to control the temperature of the optical device. When the temperature of filter changes, a refractive index variation is originated in the dielectric film due to the thermo-optic effect, producing a shift of attenuation peak, which can be well predicted by numerical simulations. This characteristic allows this device to be used as a thermo-optic sensor. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Determination of mechanical properties of PECVD silicon nitride thin films for tunable MEMS Fabry-Pérot optical filters

This paper reports an investigation on techniques for determining elastic modulus and intrinsic stress gradient in plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) silicon nitride thin films. The elastic property of the silicon nitride thin films was determined using the nanoindentation method on silicon nitride/silicon bilayer systems. A simple empirical formula was developed to deconvolute the film elastic modulus. The intrinsic stress gradient in the films was determined by using micrometric cantilever beams, cross-membrane structures and mechanical simulation. The deflections of the silicon nitride thin film cantilever beams and cross-membranes caused by in-thickness stress gradients were measured using optical interference microscopy. Finite-element beam models were built to compute the deflection induced by the stress gradient. Matching the deflection computed under a given gradient with that measured experimentally on fabricated samples allows the stress gradient of the PECVD silicon nitride thin films introduced from the fabrication process to be evaluated.

Implementação de WDM com dispositivos semicondutores

Este trabalho utiliza uma estrutura pin empilhada, baseada numa liga de siliceto de carbono amorfo hidrogenado (a-Si:H e/ou a-SiC:H), que funciona como filtro óptico na zona visível do espectro electromagnético. Pretende-se utilizar este dispositivo para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reconhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal. O objectivo desta tese visa implementar um algoritmo que permita o reconhecimento autónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura da fotocorrente fornecida pelo dispositivo. O tema deste trabalho resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM. Neste trabalho foram utilizados três canais de transmissão (Azul – 470 nm, Verde – 525 nm e Vermelho – 626 nm) e vários tipos de radiação de fundo. Foram realizadas medidas da resposta espectral e da resposta temporal da fotocorrente do dispositivo, em diferentes condições experimentais. Variou-se o comprimento de onda do canal e o comprimento de onda do fundo aplicado, mantendo-se constante a intensidade do canal e a frequência de transmissão. Os resultados obtidos permitiram aferir sobre a influência da presença da radiação de fundo e da tensão aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Verificou-se, que sob polarização inversa, a radiação de fundo vermelho amplifica os valores de fotocorrente do canal azul e a radiação de fundo azul amplifica o canal vermelho e verde. Para polarização directa, apenas a radiação de fundo azul amplifica os valores de fotocorrente do canal vermelho. Enquanto para ambas as polarizações, a radiação de fundo verde, não tem uma grande influência nos restantes canais. Foram implementados dois algoritmos para proceder ao reconhecimento da informação de cada canal. Na primeira abordagem usou-se a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa e directa. Pela comparação das duas medidas desenvolveu-se e testou-se um algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais. Numa segunda abordagem procedeu-se ao reconhecimento da informação de cada canal mas com aplicação de radiação de fundo, tendo-se usado a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa sem aplicação de radiação de fundo com a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa com aplicação de radiação de fundo. Pela comparação destas duas medidas desenvolveu-se e testou-se o segundo algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais com base na aplicação de radiação de fundo.

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Ao longo deste trabalho é apresentada a caracterização optoelectrónica de uma estrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN (Positive-Intrinsic-Negative), baseados em silício amorfo hidrogenado (a-Si:H - Hydrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hi-drogenado (a-SiC:H - Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), em que ambos funcionam como filtros ópticos na zona visível do espectro electromagnético e cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado e pela presença de polarização óptica adicional (radiação de fundo). Pretende-se utilizar a característica de sensor de cor destes dispositivos semicondutores para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reco-nhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal, tendo em vista a utilização de vários ca-nais para a transmissão de sinais a curta distância. A transmissão destes sinais deverá ser suportada no meio de transmissão fibra óptica, que constituirá uma importante mais-valia na optimização do sistema WDM (Wavelength Division Mul-tiplexing), permitindo optimizar a transmissão de sinais. Pelas suas capacidades intrínsecas, as fi-bras ópticas de plástico (POF - Plastic Optical Fibers) são uma solução adequada para a transmis-são de sinais no domínio visível do espectro electromagnético a curtas distâncias. Foi realizada uma sucinta caracterização optoelectrónica da estrutura semicondutora sob diferentes condições de iluminação, variando o comprimento de onda e a iluminação de fundo que influencia a resposta espectral do dispositivo semicondutor, variando as cores dos fundos inciden-tes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora, variando a intensidade des-ses mesmos fundos incidentes e também variando a frequência do sinal de dados. Para a transmissão dos sinais de dados foram utilizados três dispositivos LED (Light-Emitting Diode) com as cores vermelho (626nm), verde (525nm) e azul (470nm) a emitir os respec-tivos sinais de dados sobre a estrutura semicondutora e onde foram aplicadas diversas configurações de radiação de fundo incidente, variando as cores dos fundos incidentes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora e variando também a intensidade desses mesmos fundos incidentes. Com base nos resultados obtidos ao longo deste trabalho, foi possível aferir sobre a influên-cia da presença da radiação de fundo aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Sob polarização inversa, e com a aplicação de um fundo incidente no lado frontal da estrutura semicondutora os valores de fotocorrente gerada são amplificados face aos valores no escuro, sendo que os valores mais altos foram encontrados com a aplicação do fundo de cor violeta, contribuindo para tal, o facto do sinal do canal vermelho e canal verde serem bastan-te amplificados com a aplicação deste fundo. Por outro lado, com a aplicação dos fundos incidentes no lado posterior da estrutura semi-condutora, o sinal gerado não é amplificado com nenhuma cor, no entanto, a aplicação do fundo de cor azul proporciona a distinção do sinal proveniente do canal azul e do canal vermelho, sendo que quando está presente um sinal do canal vermelho, o sinal é fortemente atenuado e com a presença do sinal do canal azul o sinal gerado aproxima-se mais do valor de fotocorrente gerada com a estru-tura no escuro. O algoritmo implementado ao longo deste trabalho, permite efectuar o reconhecimento au-tónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura do sinal da fotocorrente forne-cida pelo dispositivo quando sujeito a uma radiação de fundo incidente violeta no lado frontal e uma radiação de fundo incidente azul no lado posterior. Este algoritmo para a descodificação dos sinais WDM utiliza uma aplicação gráfica desenvolvida em Matlab que com base em cálculos e compara-ções de sinal permite determinar a sequência de sinal dos três canais ópticos incidentes. O trabalho proposto nesta tese é um módulo que se enquadra no desenvolvimento de um sistema integrado de comunicação óptica a curta distância, que tem sido alvo de estudo e que resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM den-tro do domínio do espectro visível e utilizando as POF como meio de transmissão.

Multilayer Architectures Based on a-SiC:H Material: Tunable Wavelength Filters in Optical Processing Devices

The characteristics of tunable wavelength filters based on a-SiC:H multilayered stacked pin cells are studied both theoretically and experimentally. The optical transducers were produced by PECVD and tested for a proper fine tuning of the cyan and yellow fluorescent proteins emission. The active device consists of a p-i'(a-SiC:H)-n/p-i(a-Si:H)-n heterostructures sandwiched between two transparent contacts. Experimental data on spectral response analysis, current-voltage characteristics and color and transmission rate discrimination are reported. Cyan and yellow fluorescent input channels were transmitted together, each one with a specific transmission rate and different intensities. The multiplexed optical signal was analyzed by reading out, under positive and negative applied voltages, the generated photocurrents. Results show that the optimized optical transducer has the capability of combining the transient fluorescent signals onto a single output signal without losing any specificity (color and intensity). It acts as a voltage controlled optical filter: when the applied voltages are chosen appropriately the transducer can select separately the cyan and yellow channel emissions (wavelength and frequency) and also to quantify their relative intensities. A theoretical analysis supported by a numerical simulation is presented.

Capacitive effects in pinpin photodiodes

The application of a-SiC:H/a-Si:H pinpin photodiodes for optoelectronic applications as a WDM demultiplexer device has been demonstrated useful in optical communications that use the WDM technique to encode multiple signals in the visible light range. This is required in short range optical communication applications, where for costs reasons the link is provided by Plastic Optical Fibers. Characterization of these devices has shown the presence of large photocapacitive effects. By superimposing background illumination to the pulsed channel the device behaves as a filter, producing signal attenuation, or as an amplifier, producing signal gain, depending on the channel/background wavelength combination. We present here results, obtained by numerical simulations, about the internal electric configuration of a-SiC:H/a-Si:H pinpin photodiode. These results address the explanation of the device functioning in the frequency domain to a wavelength tunable photo-capacitance due to the accumulation of space charge localized at the bottom diode that, according to the Shockley-Read-Hall model, it is mainly due to defect trapping. Experimental result about measurement of the photodiode capacitance under different conditions of illumination and applied bias will be also presented. The combination of these analyses permits the description of a wavelength controlled photo-capacitance that combined with the series and parallel resistance of the diodes may result in the explicit definition of cut off frequencies for frequency capacitive filters activated by the light background or an oscillatory resonance of photogenerated carriers between the two diodes. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.