i PEMODULAT OPTIK INTERFEROMETER MACH ZEHNDER (MZI

i

PEMODULAT OPTIK INTERFEROMETER MACH ZEHNDER (MZI)SUNTIKAN

PEMBAWA DI ATAS SILIKON-DI ATAS- PENEBAT (SOI)

HANIM BINTI ABDUL RAZAK

TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMPEROLEH IJAZAH

DOKTOR FALSAFAH

INSTITUT KEJURUTERAAN MIKRO DAN NANOELEKTRONIK

UNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA

BANGI

2014

ii

PENGAKUAN

Saya akui karya ini adalah hasil kerja sendiri kecuali nukilan dan ringkasan yang tiap-

tiap satunya telah saya jelaskan sumbernya.

1 Julai 2014 HANIM BINTI ABDUL RAZAK

P48014

iii

PENGHARGAAN

Syukur ke hadrat Ilahi kerana dengan limpah dan kurnianya, dapat saya menyiapkan

tesis ini dengan jayanya. Jutaan terima kasih dirakamkan kepada penyelia utama saya,

Prof Dr Sahbudin Shaari di atas segala bantuan dan bimbingan yang telah diberikan

sepanjang penyelidikan ini. Ribuan terima kasih juga diucapkan kepada penyelia

bersama saya, Prof Madya Dr P. Susthitha Menon atas dorongan dan bantuan yang

telah dihulurkan. Penghargaan juga ingin ditujukan kepada Pengarah Institut

Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN), Datuk Prof Dr Burhannudin Yeop

Majlis, serta semua kakitangan, pelajar, pegawai penyelidik di IMEN atas sokongan

padu serta galakan untuk menyiapkan penyelidikan ini.

Ucapan terima kasih juga ingin dirakamkan kepada Dekan Pusat Pengajian

Siswazah (PPS) serta semua kakitangan PPS atas dorongan yang dihulurkan. Saya

juga merasa terhutang budi kepada Universiti Teknikal Malaysia Melaka (UTeM) dan

Kementerian Pengajian Tinggi (KPT) atas bantuan kewangan sepanjang penyelidikan

ini. Kajian ini merupakan tajaan daripada Universiti Kebangsaan Malaysia di bawah

geran UKM-OUP-NBT-119/2011, Industri-2011-015, GUP-2012-012 dan UKM-

OUP-NBT-27-118/2012.

Saya juga berterima kasih kepada Prof Dr Apte Prakash (IIT Madras), Dr

Fauziyah Salehudin (UTeM), Dr Sharizal (TMRnD) dan Dr. Eric (IMRE Singapura)

di atas pandangan dan nasihat yang diberikan mengenai penyelidikan ini.

Terima kasih juga diucapkan kepada kakitangan dan pelajar dari Makmal

Teknologi Fotonik terutamanya Hayati Husin, Dr Hesham, Dr Abang Annuar, Dr

Norhana, Juliana, Khatijah, Azimah, Mastang, Sabiran, Zikri dan Syafik di atas

sokongan, pandangan dan pendapat yang diberikan.

Kepada rakan-rakan seperjuangan, Hazura, Wan Maisarah, Affa Rozana serta

Allahyarhamah Mardiana, kenangan susah dan senang bersama kalian tidak akan

dilupakan selamanya. Al-Fatihah untuk Allahyarhamah; moga sentiasa dicucuri

rahmat olehNya.

Penghargaan yang tidak ternilai juga ingin ditujukan kepada ibu saya, Puan Sri

Hamizah binti Aziz dan ibu mertua, Puan Zarah binti Ali atas doa dan dorongan yang

tidak putus-putus. Sekalung penghargaan kepada suami tersayang, Muhamad Fuad

Abdul Karim atas pengorbanan dan sokongan yang telah diberikan untuk menyiapkan

penyelidikan ini. Tidak lupa juga kepada cahayamata saya, Hanum Wafa, Balqeis

Hanum dan Faheim Uzair Ad-Dhuha yang sentiasa menghiburkan hati saya. Terima

kasih juga diucapkan kepada Hanidah, Mohd Rizal, Hafiza dan kaum keluarga yang

lain atas bantuan dan kerjasama yang diberikan kepada saya.

iv

ABSTRAK

Teknologi Multipleks – Pembahagian- Panjang Gelombang (WDM) digunakan secara

meluas dalam sistem komunikasi optik rentetan dari permintaan jalur lebar yang tinggi

hasil dari keperluan pencapaian Internet secara meluas. Teknologi litar planar

gelombang cahaya (PLC) menyediakan platform yang sesuai untuk integrasi

komponen yang mampu meningkatkan prestasi serta mengurangkan kos. Di antara

peranti berasaskan struktur PLC, pemodulat optik merupakan sebuah peranti yang

penting yang berfungsi menukarkan data dari domain elektrik ke optik. Pemodulat

optik dengan nisbah pemadanan (ER) yang tinggi diperlukan untuk diintegrasikan di

dalam pemancar rangkaian untuk prestasi yang optimum. Kajian ini bertujuan untuk

merekabentuk, menciri dan mengoptimumkan pemodulat optik berasaskan struktur

interferometer Mach Zehnder (MZI) yang menggunakan kesan suntikan pembawa di

atas silikon-di atas-penebat (SOI) yang beroperasi pada panjang gelombang 1.55 µm.

Permodelan pemodulat ini terbahagi kepada dua bahagian iaitu permodelan struktur

pemodulat fasa suntikan pembawa dan permodelan pemodulat optik intensiti MZI

suntikan pembawa. Permodelan dan pencirian elektrik pemodulat fasa suntikan

pembawa dijalankan menggunakan perisian ATHENA dan ATLAS keluaran

SILVACO International. Struktur elektrik diod p-i-n digunapakai untuk mewujudkan

kesan suntikan pembawa. Melalui analisis elektrik ini, kelajuan pemodulat terbaik

yang diperolehi adalah 0.95 GHz dengan perubahan indeks biasan, ∆n sebanyak

0.0045241. Struktur pandu gelombang MZI pula direkabentuk menggunakan sebuah

pemisah interferensi mod pelbagai (MMI) 3 dB 1 x 2 dan sebuah pengganding MMI 3

dB 2 x 1. Pemisah dan penggabung ini dihubungkan dengan dua lengan pandu

gelombang. Pemodulat MZI direka bentuk menggunakan kaedah simulasi perambatan

cahaya (BPM) iaitu perisian OptiBPM manakala perisian OptiSys pula digunapakai

untuk pencirian optik pemodulat ini. Analisis komprehensif ke atas prestasi pemodulat

optik MZI berasaskan SOI yang melibatkan parameter-parameter rekabentuk peranti

belum pernah dilaporkan sebelum ini. Parameter-parameter tersebut adalah saiz lebar

MMI yang digunakan sebagai pemisah dan pengganding, lebar pandu gelombang

masukan dan keluaran, nilai voltan pincang hadapan, panjang pemodulat fasa dan juga

panjang lengan pasif. Manakala prestasi pemodulat yang dikaji melibatkan kehilangan

sisipan, ER dan kecekapan modulasi. Setelah hubungan parameter dengan prestasi

pemodulat dikenalpasti, proses untuk mendapatkan prestasi pemodulat yang optimum

dilakukan dengan kaedah statistik tatasusunan ortogonal Taguchi. Nilai optimum yang

diperolehi ialah saiz lebar MMI 22 µm untuk pengganding dan pemisah MMI, lebar

pandu gelombang masukan dan keluaran sebesar 5µm, nilai voltan pincang hadapan

adalah 0.85 V, pemodulat fasa sepanjang 700 µm dan lengan pasif sepanjang 1180

µm. Dari segi prestasi optimum pula, pemodulat mengalami kehilangan sisipan

sebanyak 3.37 dB, ER sebanyak 23.98 dB dan kecekapan modulasi sebanyak 0.0407

Vcm. Prestasi pemodulat optimum yang diperolehi ini telah dibandingkan dengan

beberapa kajian eksperimen yang terdahulu dan didapati prestasi pemodulat ini

menunjukkan prestasi yang kompetitif. Pendekatan sistematik yang digunakan dalam

kajian ini menjimatkan masa dan kos sebelum proses fabrikasi.

v

CARRIER INJECTION MACH ZEHNDER INTERFEROMETER (MZI)

OPTICAL MODULATOR ON SILICON-ON-INSULATOR (SOI)

ABSTRACT

Wavelength-division-multiplexing (WDM) technology has been widely employed in

current optical communication systems due to the high bandwidth demand resulting

from the spread usage of Internet. To improve component performance and reduce its

cost, planar lightwave circuits (PLC) technology provides a very promising platform

for component integration. Among many PLC-based device structures, an optical

modulator that converts data from the electrical to the optical domain is a fundamental

device. Optical modulators with high extinction ratio (ER) are desirable to be

integrated in the network transmitter for optimum performance. In this work, a

Silicon-On-Insulator (SOI) optical modulator based on Mach-Zehnder interferometer

(MZI) structure with carrier injection effect operating at 1.55µm wavelength is

designed, characterized and optimized. The modeling of the device is divided into two

parts which are carrier injection phase modulator modeling and the modeling of MZI

intensity modulator. The modeling and electrical characterization of the carrier

injection phase modulator were carried out using the ATHENA and ATLAS software

from SILVACO International. The p-i-n diode electrical structure was employed to

create the carrier injection effect. From the electrical analysis, it was found out that the

best modulator speed is 0.95 GHz with the refractive index change, ∆n of 0.0045241.

The MZI waveguide structure was designed using a 3 dB 1x2 MMI splitter and a 3 dB

2x1 MMI coupler. The spliter and the coupler was connected with two arms of

waveguides. The MZI modulator was designed using Beam Propagation Method

(BPM) simulation method which is OptiBPM whilst the OptiSys software was utilized

for optical modulator characterization. The comprehensive analysis on the

performance of MZI modulator based on SOI which includes the relationship of the

design parameters of the device was the first time to be reported. The parameters

include the MMI width size used as splitter and coupler, the width of the input and

output waveguides, value of the forward biased voltage, the phase modulator length

and the passive arm length. Meanwhile, the studied modulator’s performance are the

insertion loss, ER and modulation efficiency. Once the relationships between the

parameters with the modulator’s performance were identified, the process of finding

the optimum performance of the modulator was carried out using the Taguchi’s

statistical orthogonal array method. The optimum value of the MMI width size is 22

µm for the splitter and coupler, 5 µm for width of the input and output waveguides,

0.85 V for the value of forward biased, 700 µm for the phase modulator’s length and

1180 µm for the passive arm’s length. In terms of the optimum device performance,

the modulator experiences 3.37 dB of insertion loss, 23.98 dB of ER and modulation

efficiency of 0.0407 Vcm. The optimum performance of the modulator was compared

to the past experimental work and it was found out that the modulator shows a

competitive performance. The systematic approach used in this research saves time

and cost prior to fabrication process.

vi

KANDUNGAN

Halaman

PENGAKUAN ii

PENGHARGAAN iii

ABSTRAK iv

ABSTRACT v

KANDUNGAN vi

SENARAI JADUAL ix

SENARAI RAJAH x

SENARAI SIMBOL xiii

SENARAI SINGKATAN xv

BAB I PENGENALAN

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Motivasi Kajian 4

1.3 Objektif Kajian 5

1.4 Skop Kajian 5

1.5 Metodologi Kajian 7

1.6 Organisasi Tesis 7

BAB II PEMODULAT PANDU GELOMBANG


2.2 Komponen- Komponen Sistem Gelombang Cahaya 11

2.3 Litar Planar Gelombang Optik (PLC) 14

2.4 Bahan Silikon Di Atas Penebat (SOI) 15

2.5 Pandu Gelombang Optik 17

2.6 Jenis – Jenis Pandu Gelombang 21

2.7 Simulasi Pandu Gelombang 22

2.8 Syarat Mod Tunggal 22

2.9 Pandu Gelombang Interferen Mod Pelbagai (MMI) 23

2.10 Pandu Gelombang Interferometer Mach Zehnder (MZI) 26

vii

2.11 Pemodulat Optik MZI 29

2.12 Pemodulat Fasa Kesan Serakan Plasma 32

2.13 Diod P-I-N 38

2.14 Struktur Optik Interferometrik Untuk Modulasi Intensiti 40

2.15 Kaedah Optimasi Taguchi 43

2.15.1 Tatasusun Ortogon 44

2.15.2 Analisis data eksperimen 45

2.16 Rumusan 47

BAB III METODOLOGI


3.2 Simulasi Dan Pencirian Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 49

3.3 Simulasi Dan Pencirian Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa 51

3.4 Pengoptimasian Peranti Menggunakan Kaedah Statistik 53

3.5 Ringkasan 55

BAB IV REKABENTUK PEMODULAT PANDU GELOMBANG

4.1 Pengenalan 56

4.2 Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 56

4.2.1 Rekabentuk Pandu Gelombang 57

4.2.2 Rekabentuk Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 58

4.2.3 Proses Fabrikasi Pemodulat Optik MZI Suntikan

Pembawa 59

4.3 Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa Di Atas SOI 66

4.3.1 Rekabentuk Pandu Gelombang MZI 67

4.3.2 Rekabentuk Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa 67

4.4 Ringkasan 71

BAB V PENCIRIAN DAN OPTIMASI

5.1 Pengenalan 72

5.2 Pencirian Pemodulat Fasa Suntikan Pembawa 72

5.3 Pencirian Pemodulat Optik MZI Suntikan Pembawa 78

viii

5.3.1 Analisis Hubungan Perubahan Faktor Rekabentuk Terhadap

Prestasi Pemodulat 80

5.4 Optimasi Prestasi Peranti 103

5.4.1 Optimasi Kehilangan Sisipan 105

5.4.2 Optimasi ER 107

5.4.3 Optimasi Kecekapan Modulasi 109

5.4.4 Pemilihan Parameter-Parameter Untuk Prestasi Optimum

Keseluruhan 110

BAB VI KESIMPULAN

6.1 Kesimpulan Kajian 114

6.2 Sumbangan Kajian 115

6.3 Cadangan Masa Hadapan 116

RUJUKAN 117

LAMPIRAN

A Senarai Penerbitan 123

B Kod Pengaturcaraan Athena Dan Atlas 126

C Jadual Data 129

ix

SENARAI JADUAL

No. Jadual Halaman

2.1 Pemodulat MZI di atas SOI dengan peranti pemisah yang 32

berbeza-beza

2.2 Ciri-ciri pemodulat optik MZI dan MRR 42

2.3 Tatasusun ortogon piawai untuk L8,L9,L18 dan L27 45

3.1 Nilai parameter yang digunakan dalam simulasi ATHENA 51

3.2 Nilai parameter yang digunakan dalam simulasi OptiBPM 53

4.1 Cadangan resipi fabrikasi 60

5.1 Keputusan simulasi pemodulat fasa suntikan pembawa 75

5.2 Prestasi pemodulat dengan lebar MMI yang berbeza 82

5.3 Keputusan simulasi untuk pandu gelombang berlainan dalam

rekabentuk pemodulat MZI 88

5.4 Keputusan simulasi untuk nilai voltan pincangan yang berbeza untuk

kesan modulasi suntikan pembawa 91

5.5 Prestasi pemodulat untuk nilai panjang pemodulat fasa yang berbeza 96

5.6 Prestasi pemodulat optik MZI dengan panjang lengan pasif

yang berbeza 100

5.7 Tatasusun L8 Taguchi 104

5.8 Nilai aras 105

5.9 Keputusan tatasusun L8 Taguchi untuk kehilangan sisipan 105

5.10 Peratus kesan setiap faktor untuk kehilangan sisipan 106

5.11 Keputusan tatasusun L8 Taguchi untuk ER 107

5.12 Peratus kesan setiap faktor untuk ER 108

5.13 Keputusan tatasusun L8 Taguchi untuk kecekapan modulasi 109

5.14 Peratus kesan setiap faktor untuk kecekapan modulasi 110

5.15 Ujian pengesahan 111

5.16 Perbandingan prestasi pemodulat optik MZI suntikan pembawa

di atas SOI 112

x

SENARAI RAJAH

No. Rajah Halaman

1.1 Carta alir skop kajian 6

1.2 Kerangka penulisan 8

2.1 Carta skop kajian literatur 10

2.2 Sistem am dalam sistem gelombang cahaya 11

2.3 Komponen-komponen dalam sebuah pemancar optik 12

2.4 Komponen-komponen dalam sebuah penerima optik 12

2.5 Blok diagram sistem komunikasi WDM 13

2.6 Contoh skematik PLC yang digunakan untuk modulasi laser 14

2.7 Pandu gelombang planar SOI 17

2.8 Klasifikasi pandu gelombang optik 18

2.9 Pembiasan cahaya melalui dua medium 19

2.10 Pantulan dalaman penuh pada dua antaramuka, konsep pandu

gelombang yang mana n1>n2 19

2.11 Struktur pandu gelombang saluran 21

2.12 Keratan rentas pandu gelombang rusuk 23

2.13 Struktur peranti MMI 24

2.14 Pembinaan imej diri tunggal dan dua-lipat sepanjang

pandu gelombang 25

2.15 Skematik pandu gelombang interferometer Mach Zehnder 28

2.16 Pemodulat optik MZI dengan pemodulat fasa ditunjukkan 29

2.17 Graf anjakan fasa 30

2.18 Struktur pemodulat fasa serakan plasma 35

2.19 Rajah skematik diod p-i-n 39

2.20 Graf ciri arus melawan voltan bagi diod p-i-n/ p-n 40

2.21 Rajah skematik pemodulat MZI, keratan rentas p-i-n ditunjukkan 42

2.22 Pandangan atas skematik sebuah pemodulat MRR, keratan rentas

p-i-n ditunjukkan 42

3.1 Carta alir metodologi kajian 50

3.2 Skematik litar analisis optik 52

4.1 Aliran rekabentuk pemodulat fasa suntikan pembawa 56

xi

4.2 Pandu gelombang rusuk bersama dimensi yang digunakan

dalam kajian 57

4.3 Plot ketinggian mod tunggal pandu gelombang yang dipilih 58

4.4 Peta imej mod tunggal pandu gelombang yang dipilih 58

4.5 Simulasi struktur keratan rentas pemodulat fasa dengan perigi n+ dan

p+ 59

4.6 Aliran kajian pemodulat optik intensiti MZI suntikan pembawa 66

4.7 Rajah skematik pandu gelombang MZI 67

4.8 Rajah skematik pemodulat optik MZI suntikan pembawa 68

4.9 Rekabentuk pemisah MMI 1 x 2 di dalam perisian OptiBPM, untuk We

= 22 µm dan Lπ= 1436 µm. 69

4.10 Simulasi pemisah MMI 1 x 2, untuk We = 22 µm dan Lπ= 1436 µm 69

4.11 Rekabentuk pengganding MMI 2 x1 di dalam perisian OptiBPM, untuk

We = 30 µm dan Lπ= 2671 µm. 70

4.12 Simulasi pemisah MMI 2 x 1, untuk We = 30 µm dan Lπ= 2671 µm 70

5.1 Suntikan elektron dan lubang sepanjang bahagian mendatar (y =

4.5µm) dalam keadaan pincangan = 1.0 V 74

5.2 Graf arus keluaran melawan masa fana 75

5.3 Graf perubahan indeks biasan melawan voltan pincangan hadapan 76

5.4 Graf kehilangan resapan melawan voltan 77

5.5 Graf kelajuan modulasi melawan voltan 77

5.6 Litar analisis statik dalam simulasi OptiSys 79

5.7 Transmisi spektrum pemodulat optik MZI dengan lebar MMI 38 µm

untuk voltan pincangan 0 V dan 0.85 V 80





5.10 Graf kehilangan sisipan melawan lebar MMI 83

5.11 Graf ER modulasi melawan lebar MMI 84

5.12 Graf kecekapan modulasi melawan lebar MMI 85

xii

5.13 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan pandu gelombang 3 µm 86



5.16 Graf kehilangan sisipan melawan lebar pandu gelombang 88

5.17 Graf ER melawan lebar pandu gelombang 89

5.18 Graf kecekapan modulasi melawan lebar pandu gelombang 90

5.19 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan MMI 38 untuk

beberapa nilai voltan pincangan 91

5.20 Graf kehilangan sisipan melawan voltan 92

5.21 Graf ER melawan voltan 93

5.22 Graf kecekapan modulasi melawan voltan 94


beberapa panjang pemodulat fasa 95

5.24 Graf kehilangan sisipan melawan panjang pemodulat fasa 96

5.25 Graf ER melawan panjang pemodulat fasa 97

5.26 Graf kecekapan modulasi melawan panjang pemodulat fasa 98

5.27 Anjakan spektrum pemodulat MZI dengan MMI 38 untuk 99

panjang lengan pasif 1180 µm


panjang lengan pasif 1300 µm 99


panjang lengan pasif 1500µm 100

5.30 Graf kehilangan sisipan melawan panjang lengan pasif 101

5.31 Graf ER melawan panjang lengan pasif 102

5.32 Graf kecekapan modulasi melawan panjang lengan pasif 103

5.33 Aliran kajian optimasi prestasi peranti 104

5.34 Plot kesan utama untuk nisbah isyarat dan hingar untuk

kehilangan sisipan 106

5.35 Plot kesan utama untuk nisbah isyarat dan hingar untuk ER 108

5.36 Plot kesan utama untuk nisbah isyarat dan hingar untuk

kecekapan 110

xiii

SENARAI SIMBOL

c halaju cahaya dalam vakum

e cas elektronik

E1 medan elektrik pada lengan 1

E2 medan elektrik pada lengan 2

f3dB lebar jalur modulasi

H tinggi dari substrat silikon ke permukaan

h tinggi pandu gelombang

Imax intensiti maksimum penghantaran

Imin intensiti minimum penghantaran

Lπ panjang pemodulat fasa yang diperlukan untuk anjakan fasa sebanyak π radian

n indeks biasan

n1 indeks biasan medium 1

n2 indeks biasan medium 2

Ne kepekatan lubang yang bebas

Nh kepekatan elektron yang bebas

r pekali biasan kompleks

rTE pekali biasan kompleks TE

rTM pekali biasan kompleks TM

Rx penerima

SiO2 silikon oksida

ST intensiti pada pandu gelombang

tr masa naik

Tx penghantar

VπLπ kecekapan modulasi

Vπ nilai voltan yang diperlukan untuk mendapatkan anjakan fasa sebanyak π

radian

Yi ciri sambutan eksperimen

µ min

µe kebolehgerakan elektron

µh kebolehgerakan lubang

θ1 sudut tuju

xiv

θ2 sudut

θc sudut genting

ε0 kebertelusan ruang bebas

λ0 panjang gelombang ruang bebas

τp jangka hayat lubang

τn jangka hayat elektron

η nisbah S/N

σ varians

∆n perubahan indeks biasan

∆ne perubahan kepekatan elektron bebas

∆nh perubahan kepekatan lubang bebas

∆ϕ anjakan fasa

∆λ anjakan panjang gelombang

λ 0 panjang gelombang vakum

xv

SENARAI SINGKATAN

ANOVA Analysis Of Variance

AWG Arrayed Waveguide Grating

BPM Beam Propagation Method

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

CW Continuous Wave

DC Direct Current

DEMUX Demultiplexer

ER Extinction Ratio

ELO Epitaxial Lateral Overgrowth

FDTD Finite Difference Time Domain

FSR Free Spectral Range

FFD Fractional Factorial Design

IR Infra Red

I-V Current-Voltage

LOC Lab-on-chip

LED Light Emitting Diode

MEMS Microelectromechanical System

MUX Multiplexer

MMI Multimode Interference

MRR Micro Ring Resonator

MOS Metal Oxide Semiconductor

MZI Mach Zehnder Interferometer

OEIC Optoelectronic Integrated Circuit

PLC Planar Lightwave Circuit

RC Resistance Capacitance

RSM Response Surface Methodology

S/N Signal-to-Noise

SRAM Static Random Access Memory

SOI Silicon-On-Insulator

TCAD Technology Computer Aided Design

TE Transverse Electric

0

TEM Transverse Electromagnetic Modes

TM Transverse Magnetic

TIR Total Internal Reflection

ULSI Ultra Large Scale Integration

WDM Wavelength Division Multiplexing

WWW World Wide Web

xvii

1

BAB I

PENGENALAN

1.1 LATAR BELAKANG

Kesesakan dalam trafik rangkaian telekomunikasi semakin meningkat disebabkan oleh

penggunaan yang meluas dalam komunikasi multimedia seperti penggunaan world

wide web (WWW), perbankan internet, rangkaian sosial media seperti facebook,

twitter, instagram dan lain-lain, penyebaran servis-servis interaktif seperti skype,

permintaan atas video (video-on-demand) selain penggunaan youtube iaitu laman

komunikasi awam atas talian yang begitu meluas (Iannone 2012). Maka, kapasiti

rangkaian telekomunikasi seperti keupayaan jalur lebar dan capaian jarak rangkaian

harus sentiasa dinaik taraf untuk memenuhi keperluan pengguna. Teknologi

komunikasi gentian optik telah pun mendominasi kebanyakan talian penghantaran.

Walaubagaimanapun, nod-nod rangkaian seperti pensuisan dan sambung silang masih

bergantung pada teknologi elektrik. Teknologi elektrik mempunyai kelemahan kerana

terdedah dengan masalah- masalah seperti penggunaan kuasa yang tinggi, hingar

elektromagnetik, kelajuan litar yang rendah dan jalur lebar yang terhad. Keadaan ini

akan memberi kesan pada prestasi keseluruhan rangkaian kerana nod- nod rangkaian

akan mengehadkan prestasi keseluruhan rangkaian. Oleh itu, penggunaan teknologi

optik untuk operasi multipleks dan penyahmultipleks (MUX/DEMUX) pada nod-nod

rangkaian dilihat sebagai satu cara untuk mengatasi masalah ini (Benvenuto & Zorzi

2011).

Sistem multipleks pembahagian panjang gelombang (WDM) yang

menggunakan teknologi optik untuk proses multipleks/penyahmultipleks kini menjadi

2

pilihan yang praktikal. Dalam sistem ini, setiap isyarat optik mempunyai panjang

elombang yang berlainan dan boleh diasingkan mengikut panjang gelombang masing-

masing menggunakan elemen optik panjang gelombang terpilih. Situasi ini

memungkinkan rangkaian WDM dibina dengan nod-nod rangkaian menggunakan

teknologi optik sepenuhnya (Agrawal 2012).

Pemancar optik merupakan salah satu komponen dalam sistem komunikasi

gentian optik dan terdiri daripada beberapa subkomponen iaitu pemacu, sumber optik,

pemodulat dan pengganding saluran. Terdapat dua cara untuk mengintegrasikan

subkomponen-subkomponen ini iaitu yang pertama, secara hibrid yakni menggunakan

peranti-peranti berdiri-sendiri dan menyambungkan peranti-peranti tersebut untuk

mendapatkan fungsi yang diingini. Cara yang kedua adalah penggunaan litar yang

dikenali sebagai litar planar gelombang cahaya (PLC) yang mengintegrasikan

kesemua subkomponen ini ke atas sebuah cip yang disambungkan oleh pandu

gelombang. PLC mempunyai kelebihan dari segi keteguhan, sensitiviti kepada

persekitaran yang rendah, kehilangan yang rendah, kos pempakejan yang kurang dan

produksi skala besar yang lebih mudah (Takahashi 2003).

Bahan-bahan konvensional digunakan untuk PLC adalah seperti Litium

Niobate, GaAs, InP, polimer dan kaca pelbagai elemen. Peranti-peranti yang

menggunakan bahan-bahan ini termasuklah peranti pasif, pemodulat, suis, laser dan

beberapa peranti lain (Gines 2003). Walaubagaimanapun, fotonik silikon kini dilihat

sebagai teknologi yang berpotensi untuk membina PLC kerana ciri-ciri yang dimiliki

oleh bahan ini. Pertamanya, silikon mempunyai sifat-sifat yang penting dalam peranti

fotonik menjadikannya sebagai bahan yang sesuai dalam jalur data komunikasi iaitu

(C-band) near-infrared (IR) disebabkan sifatnya yang lutsinar pada kawasan panjang

gelombang tersebut. Tambahan lagi, teknologi pelengkap semikonduktor logam

oksida (CMOS) yang menggunakan silikon dalam industri elektronik telah mencapai

tahap yang lebih dari mencukupi untuk kebanyakan aplikasi bersepadu optik. Selain

itu, silikon mempunyai indeks biasan yang agak tinggi (sekitar 3.5) yang

membolehkan kontra indeks yang tinggi untuk membina pandu gelombang. Manakala

dari segi kos, bahan silikon ini adalah murah (Jalali & Fathpour 2006)

3

Pada kebiasaannya, peranti fotonik silikon dibina berasaskan silikon-di atas-

penebat (SOI). Struktur SOI merujuk kepada lapisan kristal tunggal silikon yang

dilapisi oleh lapisan oksida. Tujuan lapisan oksida ini adalah untuk bertindak sebagai

pelapisan bawah bagi menghalang mod-mod optik dari menembusi substrat silikon

yang berada di lapisan terbawah. Penggunaan pandu gelombang SOI untuk

pembangunan peranti-peranti secara planar berpotensi untuk mengintegrasikan

peranti-peranti ini dengan lebih padat. Ini membolehkan pandu gelombang menjadi

lebih kecil disebabkan kontra indeks biasan yang tinggi antara silikon dan lapisan

oksida (Reed 2004).

Kajian-kajian terkini menggunakan fotonik silikon dalam penghasilan peranti-

peranti seperti sumber optik, pemodulat, pengesan, penderia, penyalun dan pelbagai

subsistem lain membuktikan bahawa fotonik silikon merupakan bidang kajian yang

aktif dan berpotensi (Cheben et al. 2010). Potensi fotonik silikon untuk integrasi

peranti-peranti optik secara planar pula telah dibuktikan dengan laporan mengenai cip

optik silikon berasaskan WDM yang telah direkabentuk, difabrikasi dan dicirikan. Cip

ini berjaya mengintegrasikan secara planar jujukan lapan pemodulat silikon dengan

DEMUX/MUX 8:1 berasaskan silikon (Liu et al. 2010).

Beberapa pemodulat silikon berasaskan kesan serakan plasma telah

didemonstrasikan oleh beberapa kumpulan penyelidik (Liu et al. 2004; Liao et al.

2005; Liu et al. 2007; Mao et al. 2008; Ding et al. 2012). Struktur-struktur modulasi

serakan plasma ini menggunakan struktur penumpukan pembawa, kesusutan pembawa

dan suntikan pembawa. Pemodulat silikon berasaskan struktur suntikan pembawa

beroperasi dengan aplikasi voltan pincang ke hadapan dengan berkonsepkan diod p-i-

n. Penggunaan struktur suntikan pembawa dapat mengatasi masalah yang dihadapi

oleh struktur-struktur lain iaitu dari segi nilai rintangan dan kapasitans peranti yang

tinggi bagi struktur penumpukan pembawa dan kepekatan pembawa yang rendah di

kawasan aktif seperti yang dialami oleh struktur kesusutan pembawa. Maka, struktur

suntikan pembawa berkebolehan untuk mempamerkan perubahan indeks biasan yang

besar dan nilai nisbah pemadanan (ER) yang tinggi (Xu et al. 2006; Basak et al. 2008).

Pemodulat optik dengan nilai ER yang tinggi adalah penting untuk jarak penghantaran

data yang jauh, kadar kesilapan bit (BER) yang baik dan kepekaan pengesan yang

4

tinggi (Reed et al. 2010). Maka, struktur suntikan pembawa ini berpotensi untuk

digunakan sebagai pemodulat silikon bagi aplikasi rangkaian komunikasi optik.

Perubahan ketumpatan pembawa bebas dalam silikon akan menyebabkan

perubahan dalam indeks biasan bahan dan seterusnya modulasi fasa berlaku terhadap

gelombang terpandu yang melalui kawasan aktif tersebut. Struktur interferometrik

seperti Penyalun Gegelung Mikro (MRR) atau Interferometer Mach Zehnder (MZI)

kemudiannya digunakan untuk menukar modulasi fasa kepada modulasi intensiti.

Penggunaan MZI mengurangkan sensitiviti peranti terhadap suhu dan proses fabrikasi.

Tambahan pula, struktur MZI beroperasi pada julat panjang gelombang yang lebih

besar berbanding struktur MRR menjadikannya lebih praktikal (Reed et al. 2010).

Penggunaan peranti MMI sebagai struktur MZI berpotensi untuk

mengurangkan penyerakan optik pada pandu gelombang dan kehilangan radiasi

seperti yang dialami dengan penggunaan lengkok S dan cabang Y. Kelebihan peranti

MMI ini pula adalah ianya mempunyai jalur lebar yang baik, saiz yang kompak,

toleransi terhadap fabrikasi yang tinggi serta imbangan kuasa yang baik (Chuang et al.

2012).

Pemodelan peranti menggunakan teknologi terbantu computer (TCAD) dapat

memastikan parameter-parameter penting yang memberi kesan terhadap reka bentuk

peranti dikenal pasti dan proses pengoptimuman peranti dapat dilakukan. Proses ini

penting sebelum proses fabrikasi dijalankan kerana ianya lebih mudah, menjimatkan

masa dan dapat mengurangkan kos fabrikasi berbanding metodologi eksperimental

sepenuhnya (Menon 2008). Kaedah optimasi peranti menggunakan kaedah statistik

Taguchi mempunyai keistimewaan tersendiri berikutan penggunaan tatasusun ortogon

dalam rekaan. Ini membolehkan analisis dan optimasi peranti dapat dilakukan dengan

bilangan eksperimen yang minimum (Salehuddin et al. 2011).

1.2 MOTIVASI KAJIAN

Penggunaan silikon dalam penghasilan pemodulat dalam rangkaian telekomunikasi

optik adalah satu bidang yang baru dan berpotensi tinggi. Kemungkinan

5

mengintegrasi pelbagai komponen optik secara planar juga adalah kajian yang

menarik kerana teknik ini dapat mengurangkan kos fabrikasi disamping

mempamerkan prestasi yang kompetitif berbanding bahan-bahan lain. Pemodulat

silikon suntikan pembawa dilihat sesuai untuk aplikasi rangkaian telekomunikasi optik

seperti WDM. Justeru, pemodulat SOI MZI yang menggunakan kesan suntikan

pembawa dibangunkan kerana teknik fabrikasinya serasi dengan teknik CMOS yang

sedia ada yang mudah dan murah. Struktur MZI pula direka dengan menggunakan

peranti MMI untuk mengurangkan kehilangan radiasi serta memastikan toleransi yang

tinggi dalam proses fabrikasi. Bagi memastikan rekabentuk peranti dapat

mempamerkan prestasi optimum, maka permodelan maya serta optimasi prestasi

peranti perlu dilakukan sebelum proses fabrikasi.

1.3 OBJEKTIF KAJIAN

Objektif utama kajian ini adalah untuk mengkaji sifat pemodulat dari kesan suntikan

pembawa ke atas konfigurasi MZI PLC di atas SOI pada λ = 1550 nm untuk kajian

dalam sistem komunikasi optik. Secara terperinci, objektif kajian dihuraikan seperti

berikut:

a) Mengkaji kesan suntikan pembawa terhadap modulasi fasa peranti.

b) Menganalisa prestasi pemodulat MZI di atas SOI berasaskan kesan suntikan

pembawa.

c) Mengoptimasi prestasi pemodulat menggunakan kaedah Taguchi.

1.4 SKOP KAJIAN

Skop kajian ini tertumpu kepada pembangunan dan pencirian pemodulat optik MZI

suntikan pembawa di atas SOI bagi aplikasi pada panjang gelombang 1550 nm seperti

yang digambarkan dalam Rajah 1.1. Skop kajian yang terlibat adalah bahagian yang

berwarna. Pemodulat optik pada amnya terbahagi kepada dua bahagian iaitu

pemodulat fasa yang mewakili struktur elektrik dan pemodulat intensiti untuk

pencirian optik.

6

PEMODULAT

OPTIK SILIKON

Pemodulat

fasa

Pemodulat

intensiti

Suntikan

pembawa

Susutan

pembawa

Penumpukan

pembawa MZI MRR

Interferen

Mod

Pelbagai

(MMI)

Pengganding

BintangPengganding

Berarah

Permodelan

maya

(simulasi)

Pencirian

elektrik

Pemisah

Y

Lengan

simetri

Lengan

tidak simetri

Permodelan

maya

(simulasi)

Optimasi

rekabentuk

Pencirian

optik

Faktorial

Pecahan

(FFD)

Campuran Taguchi

Sambutan

permukaan

(RSM)

Terdapat tiga cara modulasi dalam kesan serakan plasma bagi modulasi dalam

silikon iaitu kesan penumpukan pembawa, susutan pembawa dan suntikan pembawa.

Kajian ini memfokus kepada kesan suntikan pembawa yang dimodelkan serta

dicirikan sifat elektriknya. Untuk menukarkan modulasi fasa kepada modulasi

intensiti, struktur interferometrik seperti MRR dan MZI digunakan. Dalam kajian ini,

struktur MZI direkabentuk dengan menggunakan gandingan pemisah MMI 3 dB 1x2

dan pengganding MMI 3 dB 2x1. Kedua-dua pemisah dan pengganding ini

dihubungkan dengan lengan-lengan yang tidak simetri. Rekabentuk baru untuk

pemodulat optik silikon suntikan pembawa ini merupakan yang pertama

seumpamanya. Selain itu, teknik baru yang menggabungkan penggunaan perisian

ATHENA, ATLAS, OptiBPM dan OptiSys untuk tujuan rekabentuk dan analisis

pemodulat ini juga dipertengahkan.

Rajah 1.1 Carta alir skop kajian

7

Kaedah Taguchi pula dipilih untuk tujuan optimasi. Analisis pengoptimasian

parameter rekabentuk pemodulat optik MZI di atas SOI yang menggunakan peranti-

peranti MMI dengan lengan tidak simetri juga belum pernah dilaporkan.

1.5 METODOLOGI KAJIAN

Rekabentuk dan pencirian pemodulat fasa suntikan pembawa SOI dilakukan

menggunakan perisian keluaran SILVACO International. Perisian ATHENA

digunakan untuk simulasi proses peranti manakala perisian ATLAS digunakan untuk

pencirian elektrik. Kaedah ini dilakukan untuk mendapatkan struktur pemodulat fasa

suntikan pembawa SOI yang sesuai sebelum diimplementasikan dalam proses

fabrikasi. Kemudian, MZI pasif direkabentuk dengan peranti interferensi mod

pelbagai (MMI) menggunakan perisian OptiBPM. Salah satu lengan struktur MZI

diubah indeks biasannya berdasarkan nilai perubahan indeks biasan suntikan

pembawa yang didapati daripada simulasi ATHENA dan ATLAS untuk menukar

fungsinya sebagai pemodulat optik intensiti suntikan pembawa. Kemudian, fail dari

perisian OptiBPM diekspot ke perisian OptiSys untuk tujuan analisis optik. Kaedah

Taguchi pula digunakan untuk merekabentuk pemodulat yang mempamerkan prestasi

optimum. Manakala perisian MINITAB digunapakai untuk tafsiran statistik daripada

data eksperimen.

1.6 ORGANISASI TESIS

Bab II menyentuh tentang cabang-cabang aplikasi silikon fotonik dengan tumpuan

kepada PLC. Teori tentang komponen asas dalam PLC iaitu pandu gelombang, peranti

MMI dan MZI juga diterangkan dalam bab ini. Kesan-kesan dari medan luar ke atas

pandu gelombang yang menghasilkan peranti aktif juga diterangkan. Parameter-

parameter penting dalam menilai peranti ini di dalam rangkaian telekomunikasi optik

turut dibincangkan. Selain itu, perkembangan peranti juga diterangkan dalam bab ini.

Bab III menerangkan aliran kajian yang dijalankan beserta penggunaan perisian-

perisian yang digunakan. Penggunaan perisian untuk setiap langkah yang digunakan

diterangkan secara spesifik. Selain itu, langkah-langkah fabrikasi peranti turut

8

dibincangkan. Bab IV pula menerangkan hasil rekabentuk peranti, pencirian elektrik

dan optik peranti. Rekabentuk yang memberikan prestasi optimum peranti turut

disertakan. Akhir sekali, bab V mengandungi kesimpulan, sumbangan kajian dan

cadangan untuk kajian lanjut

PENGENALAN FOKUS KAJIAN KESIMPULAN

BAB I

Pengenalan

BAB II

Pemodulat Pandu

Gelombang

BAB III

Metodologi

BAB IV

Rekabentuk

Pemodulat Pandu

Gelombang

BAB VI

Kesimpulan

Rajah 1.2 Kerangka penulisan

BAB V

Pencirian dan

Optimasi

Documents

i PEMODULAT OPTIK INTERFEROMETER MACH ZEHNDER (MZI