Skip to main content
SUPERVISOR
Reza Safian,Zaker hossein Firoozeh
رضا صفیان (استاد راهنما) ذاکرحسین فیروزه (استاد راهنما)
 
STUDENT
Zobeyde Dadkhah
زبیده دادخواه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Bandwidth Optimization for Mach-Zehnder Electro-Optic Modulators
Today more than ever, the application of the Internet has affected human’s life. Therefore, it is essential to increase the capacity of telecommunication in order to transmit large amount of data. Optical modulators in these systems are responsible to convert low frequency data into optical signals for data transmission enhancement. In past years, many materials have been used such as dielectric crystal, organic nonlinear optical materials, semiconductors, graphene and plasmonic effect. When light passes through dielectric crystal like lithium niobate and also is exposed by an electrical field, the light is modulated. Mach-Zehnder structure using lithium niobate have simple fabrication process, high extinction ratio and wide bandwidth that is also commercially attractive. High switching voltage and longer phase shifter length are the main challenges. The purpose of this thesis is to design a lithium niobate modulator that is easier for fabrication in comparison with previous works. Moreover, the bandwidth, switching voltage and extinction ratio are acceptable compared to prior structures. Of the former researches that exhibited high performance is the use of etched lithium niobate waveguide on top of a thin film lithium niobate. Such a waveguide has optical loss due to metal electrodes. For this reason, we can place signal electrode and ground electrode at the shortest distance from each other. As a result, the electrical field which is between the two electrodes, becomes stronger. The modulation on the waveguide that is placed between two electrodes increases, Vswitching:L decreases, switching voltage decreases and in some cases bandwidth increases. However, lithium niobate has a crystallian structure, the fabrication of such a waveguide is more expensive and complicated. Thus, there is a need for a waveguide that has low optical loss due to metal electrodes, simple fabrication and inexpensive material. In this work, silicon is used to solve the above problems. The designed waveguide is a hybrid structure including silicon–thin film lithium niobate–silicon. Based on the aforementioned hybrid waveguide, we designed three modulators that have the lowest optical loss due to metal electrodes and bending loss consequently the lowest Vswitching:L among similar modulators. Furthermore, because of the lowest Vswitching:L, the modulator lunches with very low voltage. Since modulators are designed with a silicon substrate, they are also compatible to CMOS circuits.Key Words: Microwave Photonics, Optical Fiber Communication, Electro-optic Modulators, Optical Waveguide, Mach-Zehnder Structure, Lithium Niobate.
امروزه بیش از هر زمان دیگری استفاده از اینترنت زندگی بشر را تحت تاثیر قرار داده است. درنتیجه، لازم است ظرفیت سیستم‌های مخابراتی برای انتقال مقدار زیادی از داده‌های کاربران افزایش یابد. مدولاتورهای نوری در این سیستم‌ها وظیفه تبدیل داده‌های فرکانس پایین به سیگنال‌های نوری را بر عهده دارند تا سرعت انتقال داده‌ها افزایش یابد. در پژوهش‌های صورت گرفته از مواد مختلفی مانند بلورهای دی‌الکتریک، مواد آلی غیرخطی، نیمه‌هادی‌ها، گرافن و اثرات پلاسمونیکی استفاده شده است. لیتیم‌نایوبیت از جمله بلورهای دی‌الکتریکی است که نور عبوری از آن با قرار گرفتن در معرض میدان الکتریکی RF، مدوله می‌شود. مدولاتورهای لیتیم‌نایوبیت در ساختار ماخ زندر، نسبت به مدولاتورهای دیگر ساخت راحت، نسبت خاموشی بالا و پهنای باند زیادی دارند که مورد استفاده تجاری نیز قرار گرفته‌اند. از چالش‌های پیش روی این مدولاتور ولتاژ کلیدزنی بالا و طول بزرگتر نسبت به مدولاتورهای دیگر است. هدف این پایان‌نامه طراحی مدولاتور لیتیم‌نایوبیتی است که قابل ساخت بوده و پارامتر پهنای باند، ولتاژ کلیدزنی و نسبت خاموشی مدولاتور نسبت به ساختارهای پیشین قابل قبول باشد. از جمله کارهای انجام شده که عملکرد خوبی از خود نشان داده است، استفاده از موجبر لیتیم‌نایوبیت زدایش شده در بالای لایه نازک لیتیم‌نایوبیت است. برای چنین موجبری تلفات ناشی از پراکنده شدن نور به خارج از موجبر نوری که به وسیله الکترودهای فلزی جذب می‌شود، مقدار کمی دارد. به همین دلیل می‌توان الکترود سیگنال و زمین را در کمترین فاصله از هم قرار داده، درنتیجه میدان الکتریکی بین دو الکترود قوی‌تر شده و مدولاسیون روی موجبر نوری که در فاصله بین دو الکترود قرار دارد، افزایش یافته، حاصل‌ضرب ولتاژ کلیدزنی در طول مدولاتور کاهش، ولتاژ کلیدزنی مدولاتور کاهش و در بعضی از موارد پهنای باند نیز افزایش می‌یابد. اما از آنجایی که لیتیم‌نایوبیت ساختاری بلوری دارد، ساختن چنین موجبری نسبت به موجبرهای مشابه مشکل‌تر و پیچیده‌تر است. همچنین ماده مورد استفاده موجبر که لیتیم‌نایوبیت است، ماده گران‌قیمتی محسوب می‌شود. درنتیجه به موجبری نیاز است که تلفات نوری موجبر در اثر جذب نور به وسیله الکترودهای فلزی کم باشد، روش ساخت آسانی داشته باشد و ماده مورد استفاده موجبر بالای لایه نازک لیتیم‌نایوبیت گران‌قیمت نباشد. در این پایان‌نامه برای طراحی موجبر نوری از روشی غیر از زدایش لیتیم‌نایوبیت استفاده شده است. موجبر طراحی شده یک موجبر ترکیبی سیلیکن-لایه نازک لیتیم‌نایوبیت-سیلیکن می‌باشد. بر این اساس، سه موجبر برای مدولاتور طراحی شده است. تلفات نوری موجبر در اثر جذب نور به وسیله الکترودهای فلزی در مقایسه با ساختارهای دیگر مقدار کمی دارد. مدولاتورهای طراحی شده به وسیله چنین موجبری حاصل‌ضرب ولتاژ کلیدزنی در طول مدولاتور کم و پهنای باند بالایی دارند. همچنین چون با زیرنهشت سیلیکن طراحی شده‌اند، با مدارات CMOS نیز سازگاری دارند. کلمات کلیدی: مایکروویو فوتونیک، مخابرات فیبر نوری، مدولاتور الکترواپتیک، موجبر نوری، ساختار ماخ زندر، لیتیم‌نایوبیت.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی