Bu sponsorlu yazı size COMSOL tarafınca sunulmaktadır.
İnternete bağlı çağdaş dünya çoğu zaman şu şekilde tanımlanır: kablolu, sadece bir çok çekirdek ağ veri trafiği aslen elektrik kabloları tarafınca değil, optik fiber tarafınca göç eder. Buna karşın, mevcut altyapı hala fiber optik ağların içine yerleştirilmiş birçok elektriksel sinyal işleme bileşenine dayanmaktadır. Bu bileşenlerin fotonik cihazlarla değiştirilmesi ağ hızını, kapasitesini ve güvenilirliği artırabilir. Lozan İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’ndeki (EPFL) oldukca uluslu bir ekip, ortaya çıkan bu değişen teknolojinin potansiyelini gerçekleştirmeye destek olmak için, yeni nesil optik için temel bir yapı taşı haline gelebilecek bir aygıt olan bir silikon fotonik faz kaydırıcı prototipi geliştirdi. fiber veri ağları.
Tamamen Optik Ağlara Yönelik Bir Yol Aydınlatmak
Fotonik sinyalleri işlemek için fotonik cihazları kullanmak mantıklı görünüyor, peki bu yaklaşım niçin halihazırda bir ölçü değil? “Fazlaca iyi bir sual, fakat aslen cevaplaması zor bir sual!” Şu anda İsviçre Elektronik ve Mikroteknoloji Merkezi’nde (CSEM) mikroelektromekanik sistem (MEMS) teknolojisine odaklanan fotonik entegre devreler (PIC) mevzusunda uzmanlaşmış bir mühendis olan Hamed Sattari diyor. Sattari, silikon fotonik faz değiştiriciyi geliştiren EPFL fotonik ekibinin mühim bir üyesiydi. Sattari ve meslektaşları, optik sinyal işlemeye MEMS tabanlı bir yaklaşım izlerken, yeni ve gelişmekte olan yapınış teknolojisinden yararlanıyor. Sattari, “On yıl ilkin bile, bu cihazlarda kullanılmak suretiyle entegre hareketli yapıları güvenilir bir halde üretemiyorduk” diyor. “Şimdi, silikon fotonik ve MEMS, mikroelektronik endüstrisinin mevcut üretim kabiliyetleriyle daha ulaşılabilir hale geliyor. Hedefimiz, bu yeteneklerin fiber optik ağ altyapısını dönüştürmek için iyi mi kullanılabileceğini göstermek.”
İnternetin omurgasını oluşturan fiber optik ağlar, birçok elektriksel sinyal işleme aletine dayanmaktadır. Faz kaydırıcılar şeklinde nano ölçekli silikon fotonik ağ bileşenleri, optik ağ hızını, kapasitesini ve güvenilirliğini artırabilir.
Faz değiştirici tasarım projesi, EPFL’nin fiber optik veri ağları ve uzay uygulamaları için programlanabilir fotonik bileşenler geliştirmeye yönelik daha geniş çabalarının bir parçasıdır. Bu cihazlar anahtarları ihtiva eder; yonga-elyaf ızgara kuplörleri; değişken optik zayıflatıcılar (VOA’lar); ve optik sinyalleri modüle eden faz kaydırıcılar. Sattari, “Bu uygulama için mevcut optik faz kaydırıcılar hantal olma eğilimindedir yada sinyal kaybından muzdariptir” diyor. “Önceliğimiz, daha düşük kayıpla daha ufak bir faz kaydırıcı oluşturmak ve bunu birçok ağ uygulamasında kullanım için ölçeklenebilir hale getirmek. Hareketli dalga kılavuzlarının MEMS ile çalıştırılması, ufak bir alanda düşük güç tüketimi ile bir optik sinyali modüle edebilir,” diye açıklıyor.
Hareketli Bir Dalga Kılavuzu Optik Sinyalleri Modüle Etmeye Iyi mi Destek Olur?
MEMS faz kaydırıcı, kulağa aldatıcı bir halde rahat görünen bir amaca haiz gelişmiş bir mekanizmadır: Işık hızını ayarlar. Işığın fazını değişiklik yapmak onu yavaşlatmaktır. Işık bir veri sinyali taşırken, hızındaki bir değişim sinyalde bir değişikliğe niçin olur. Fazdaki süratli ve duyarlı kaymalar böylece sinyali modüle edecek ve ağ süresince minimum kayıpla veri iletimini destekleyecektir. Bir optik fiber iletkenden geçen ışığın fazını değiştirebilmek için yada otobüs dalga kılavuzuMEMS mekanizması, isminde olan yarı saydam bir silikon parçasını hareket ettirir. kuplör otobüse oldukca yakın.
Faz kaydırıcıdaki MEMS mekanizmasının tasarımı, iki hareket aşaması sağlar (Biçim 1). İlk aşama, kuplör dalga kılavuzunun rahat bir açma-kapama hareketini sağlar, böylece kuplörü veri yoluna geçirir yada ayırır. Kuplör devreye girdiğinde, ikinci aşama tarafınca daha ince bir hareket aralığı sağlanır. Bu, optik sinyalde faz değişiminin kati modülasyonunu elde eden kuplör ve veri yolu arasındaki boşluğun ayarlanmasını sağlar. Sattari, “Kupler’ı veri yoluna doğru hareket ettirmek, sinyalin fazını değiştiren şeydir” diye açıklıyor. “Bağlayıcı, yüksek kırılma indisine haiz silikondan yapılmıştır. İki bileşen birleştiğinde, veri yolundan geçen bir ışık dalgası da bağlayıcıdan geçecek ve dalga yavaşlayacaktır.” Kuplör ve veri yolunun optik kuplajı dikkatli bir halde denetim edilmezse, ışığın dalga biçimi bozulabilir ve potansiyel olarak sinyali ve verileri kaybedebilir.
Optik ve Elektromekanik Simülasyon ile Nano Ölçekte Tasarım
Sattari ve ekibinin karşılaşmış olduğu güçlük, eşleşme sürecini olabildiğince kati ve güvenilir bir halde denetlemek için nano ölçekli bir mekanizma tasarlamaktı. Faz değiştiricileri bir optik elemanı fizyolojik olarak hareket ettirmek için elektrik akımı kullanacağından, Sattari ve EPFL ekibi cihazın tasarımına iki yollu bir yaklaşım benimsedi. Amaçları, fotonik sinyalde istenen bir kaymayı tetiklemek için MEMS mekanizmasına ne kadar voltaj uygulanması icap ettiğini belirlemekti. Simülasyon, gerilime karşı faz ilişkisini kuracak çoklu değerleri belirlemek için mühim bir araçtı. “Voltaj ve faz, karmaşık bir çoklu fizik sorusudur. COMSOL Multiphysics yazılımı, bu büyük problemi daha ufak görevlere bölmek için bizlere pek oldukca seçenek sundu,” diyor Sattari. “Optik modelleme için RF Modülünü ve elektromekanik simülasyon için Structural Mechanics Modülünü kullanarak simülasyonumuzu iki paralel yayda gerçekleştirdik.”
Optik modelleme (Biçim 2), birleştirilmiş dalga kılavuzu elemanlarının etkili kırılma indeksini belirleyen bir mod analizini ve peşinden sinyal yayılımının bir çalışmasını içermiştir. Sattari, “Hedefimiz, ışığın cihazımıza yalnızca istenen faz değişikliğiyle girip çıkmasıdır” diyor. “Bunu başarmaya destek olmak için, COMSOL’de sistemimizin öz modunu belirleyebiliriz.”
Simülasyon, dalga kılavuzunun ve çalıştırma mekanizmasının fizyolojik formlarını belirlemenin yanı sıra, Sattari’nin tekrarlanan işlemin niçin olduğu istenmeyen deformasyon yada yer değişiklik yapma şeklinde stres etkilerini incelemesine de olanak sağlamış oldu. “Tasarımla ilgili her karar, simülasyonun bizlere gösterdiği şeye dayanıyor” diyor.
Geleceğin Fotonik Ağlarının Temeline Ekleme
Bu projenin amacı, MEMS faz kaydırıcılarının mevcut yapınış kabiliyetleriyle iyi mi üretilebileceğini göstermekti. Netice, mevcut yüzey mikro işlemeli üretim süreçleriyle elde edilebilen ve yalnızca 60 μm × 44 μm toplam ayak izi kaplayan sağlam ve güvenilir bir tasarımdır. Artık yerleşik bir kavram kanıtına haiz olduklarına bakılırsa Sattari ve meslektaşları, tasarımlarının dünyanın optik veri ağlarına entegre edildiğini görmeyi dört gözle bekliyorlar. Sattari, “Gelecek için yapı taşları oluşturuyoruz ve bunların potansiyellerinin gerçeğe dönüştüğünü görmek ödüllendirici olacak” diyor.
Referanslar
- H. Sattari ve ötekiler, “Silikon Fotonik MEMS Faz Değiştirici,” Optik Ekspres, cilt 27, hayır. 13, s. 18959–18969, 2019.
- TJ Seok ve ötekiler, “Dikey adyabatik bağlayıcılara haiz büyük ölçekli geniş bant dijital silikon fotonik anahtarlar” OPTİK, cilt 3) Hayır 1, s. 64–70, 2016.