Περίληψη:
Οι επικοινωνίες οπτικών ινών παρουσιάζουν ραγδαία εξέλιξη τα τελευταία χρόνια.
Από την πρώτη κατασκευή αξιόπιστων οπτικών ινών για τη χρήση τους σε
τηλεπικοινωνίες τη δεκαετία του ’70, η μετάδοση δεδομένων μέσω οπτικών ινών
αυξάνεται κατά 50 % κάθε χρόνο. Με την πάροδο του χρόνου όλο και περισσότερες
μορφές δεδομένων μεταδίδονται οπτικά από μια ποικιλία πηγών όπως ο ήχος, η
εικόνα και οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές.
Ωστόσο, το τεράστιο εύρος ζώνης που εξασφαλίζουν οι οπτικές ίνες δεν ήταν
εύκολο να αξιοποιηθεί πλήρως. Ένας από τους λόγους ήταν οι περιορισμοί που
καθορίζονταν από τις ηλεκτρονικές διατάξεις που περιλαμβάνονταν στην
επεξεργασία των δεδομένων πριν και μετά τη μετάδοση. Η λύση για την υπερπήδηση
των περιορισμών ήταν η υλοποίηση μόνο – οπτικής επεξεργασίας σήματος. Βασικές
λειτουργίες όπως η οπτική ενίσχυση, αποπολυπλεξία, μεταγωγή και δρομολόγηση
μπορούν να επιτευχθούν με οπτικά μέσα σε πολύ υψηλότερες ταχύτητες σε σχέση με
τις ταχύτητες που επιτυγχάνονται με τη χρήση ηλεκτρονικών διατάξεων. Όλες οι
παραπάνω λειτουργίες είναι ήδη εφικτές καθώς οι ρυθμοί δεδομένων αυξήθηκαν
πέραν των περιορισμών που θέτουν τα ηλεκτρονικά και οι οπτικές διατάξεις είναι
αρκετά ανεπτυγμένες ώστε να αποτελούν οικονομικά ανταγωνιστικά προϊόντα. Το
αποτέλεσμα είναι να αναπτύσσονται όλο και περισσότερες λειτουργίες των οπτικών
δικτύων. Τα δίκτυα στα οποία εκτελείται μόνο – οπτική επεξεργασία σήματος
ονομάζονται μόνο – οπτικά δίκτυα και για την υλοποίησή τους απαιτούνται
γρήγορες, απλές, ευέλικτες και φθηνές οπτικές διατάξεις. Μια τέτοια σημαντική
στη λειτουργία των οπτικών δικτύων διάταξη αποτελούν οι οπτικοί ενισχυτές
ημιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifier – SOA).
Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά μια θεωρητική και αριθμητική ανάλυση των
SOAs η οποία ολοκληρώνεται με την προσομοίωση της λειτουργίας τους βάσει του
αριθμητικού μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα μελετώνται οι InGaAsP/InP bulk διατάξεις
και τα χαρακτηριστικά της δυναμικής τους, η οποία παίζει καθοριστικό ρόλο στις
εφαρμογές τους στις επικοινωνίες οπτικών ινών. Η ανάλυση εστιάζει στη
διερεύνηση του χρόνου ανάκτησης απολαβής που χαρακτηρίζει την ταχύτητα
απόκρισης ενός SOA και ορίζεται ως ο χρόνος που απαιτείται ώστε η απολαβή να
ανακτηθεί από το 10% μέχρι το 90% της αρχικής τιμής της. Ο στόχος της παρούσας
εργασίας είναι να παρουσιαστεί μια λεπτομερής μελέτη για τις επιδράσεις των
διάφορων παραμέτρων υλικού και δομής στην ανάκτηση απολαβής, ώστε να προκύψει η
βελτιστοποίηση των σχεδιάσεων και να εξασφαλίζεται ταχεία λειτουργία διάταξης ή
με άλλα λόγια μικρός χρόνος ανάκτησης απολαβής.
Η μελέτη αρχίζει με μια ανασκόπηση της ιστορίας και της εξέλιξης των SOAs σε
συνδυασμό με την πρόοδο των οπτικών τηλεπικοινωνιών. Στη συνέχεια, τονίζεται ο
ρόλος των διατάξεων οπτικών ενισχυτών στα σύγχρονα δίκτυα οπτικών ινών με
αναφορά σε χαρακτηριστικές εφαρμογές τους, οι οποίες αξιοποιούν τις δυνατότητες
των SOAs. Ο συνδυασμός της ανάπτυξης των SOAs με την πληθώρα των εφαρμογών τους
στα οπτικά δίκτυα αναδεικνύει την ανάγκη για τη μελέτη της δυναμικής και της
ταχύτητας απόκρισής του. Η τελευταία αποτελεί και τη βασική ιδέα της παρούσας
διπλωματικής εργασίας.Το θεωρητικό υπόβαθρο της ανάλυσης περιλαμβάνει την
αναφορά των βασικών κατηγοριών SOAs και τη μελέτη των κρίσιμων χαρακτηριστικών
που καθορίζουν την συμπεριφορά τους. Επομένως, αναλύονται οι φυσικές διεργασίες
της ενεργού περιοχής όπως η εξαναγκασμένη απορρόφηση και εκπομπή, η αναστροφή
πληθυσμών και η Auger επανασύνδεση. Σκόπιμη είναι επίσης η αναφορά στα
χαρακτηριστικά των SOAs που αφορούν την απολαβή υλικού και τρόπου, τα
κυματοδηγικά χαρακτηριστικά, τον κόρο απολαβής, την ενισχυμένη αυθόρμητη
εκπομπή (Amplified Spontaneous Emission – ASE) και το θόρυβο, παραθέτοντας
παράλληλα την εξάρτησή τους από διάφορες παραμέτρους όπως η συγκέντρωση φορέων,
η δομή της ενεργού περιοχής. Η δυναμική της απολαβής καθορίζει την
καταλληλότητα των SOAs για εφαρμογές μόνο – οπτικής επεξεργασίας σήματος με
απαίτηση για υψηλές ταχύτητες. Ωστόσο, γίνεται διάκριση μεταξύ των διαδικασιών
που συμβάλλουν στη δυναμική των SOAs και σχετίζονται με τις διαζωνικές
(interband) και τις ενδοζωνικές (intraband) μεταπτώσεις στον ημιαγωγό.
Εκτενέστερη ανάλυση γίνεται για τις διαζωνικές μεταπτώσεις, τους μηχανισμούς
που περιλαμβάνουν και την επίδρασή τους στη χρονική εξέλιξη του χρόνου
ανάκτησης απολαβής.Η θεωρητική μελέτη της δυναμικής των SOAs συμπληρώνεται με
αριθμητική ανάλυση και μοντελοποίηση. Η αριθμητική ανάλυση πιστοποιεί την
αξιοπιστία του μοντέλου και εξασφαλίζει ότι σε αυτό περιλαμβάνονται όλες οι
εξαρτήσεις και οι μηχανισμοί που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία ενός SOA.
Παράλληλα, η αξιοπιστία του μοντέλου προκύπτει και από την ανασκόπηση μοντέλων
που έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί σε παλαιότερες μελέτες. Έτσι, για να εξασφαλιστεί
η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων του μοντέλου περιλαμβάνεται σε αυτό τόσο η
εξάρτηση της απολαβής υλικού από το μήκος κύματος και την πυκνότητα φορέων, όσο
και η εξάρτηση της ASE από το μήκος κύματος και τη θέση μέσα στον κυματοδηγό.
Στην αριθμητική ανάλυση η συνολική μέθοδος που ακολουθείται για την προσέγγιση
της λειτουργίας του SOA στηρίζεται στην ιδέα διαχωρισμού του ενισχυτή σε
τμήματα και σε κάθε τμήμα γίνεται η παραδοχή ότι η συγκέντρωση φορέων είναι
σταθερή, ενώ η πυκνότητα φωτονίων υπολογίζεται κατά μέσο όρο στο μήκος του κάθε
τμήματος. Στη συνέχεια, η μελέτη ολοκληρώνεται με την προσομοίωση της
συμπεριφοράς του SOA με βάσει το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο προηγούμενο
κεφάλαιο και με την παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Η αξιοπιστία της προσομοίωσης
εξασφαλίζεται από το κατάλληλο διαχωρισμό της ενεργού περιοχής του κυματοδηγού
ώστε όχι μόνο να προκύπτουν ακριβή αποτελέσματα, αλλά και να περιορίζεται ο
χρόνος υπολογισμού τους. Έχοντας εξασφαλίσει τα παραπάνω, αναλύεται η χρονική
εξέλιξη της απολαβής για έναν αριθμό διατάξεων SOA με μήκη από 0.5 μέχρι 1.8 mm
και για εύρος φάσματος 1520 – 1620 nm. Με βάση τις συνθήκες που προαναφέρθηκαν
πραγματοποιείται μια λεπτομερής διερεύνηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων
των SOAs πάνω στο χρόνο ανάκτησης απολαβής, όπου οι παράμετροι
κατηγοριοποιούνται σε παραμέτρους δομής και λειτουργίας, παραμέτρους υλικού
και τέλος παραμέτρους απολαβής υλικού. Τέλος, τα αποτελέσματα συγκρίνονται και
συνοψίζονται ώστε να αναδειχθούν τα χρήσιμα συμπεράσματα που προκύπτουν από την
παραπάνω μελέτη. Συνολικά, οι αναλύσεις που πραγματοποιούνται στην παρούσα
διπλωματική αποτελούν ένα εργαλείο για τον καθορισμό των βέλτιστων παραμέτρων
σχεδίασης και κατασκευής των SOAs ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή
λειτουργικότητα και απόδοσή τους σε σύγχρονες οπτικές εφαρμογές.
