Integrated photonic routers for optical interconnects in high performance computing systems

The aim of the PhD thesis was the design and the study of an optical router-on-chip architecture for efficient high-throughput and low-power data packet routing. The development of such a router was based on the merge of three different technologies into the same silicon-on-insulator (SOI) platform, simply by taking advantage of the virtues of each one: plasmonics was employed for the development of ultra-compact and low-power thermo-optic switches, silicon photonics was used for the completion of the remaining functional and low-loss photonic circuit and electronics was utilized for the advanced processing that is required in order to dynamically control the switching elements during routing operation. Initially, circuit-level models of the two main building blocks of the proposed hybrid router were developed, namely the ring-based plasmonic switch and the ring-based SOI multiplexers. Then, these circuit-level models were incorporated into a specific routing layout designed through an appropriate optical network simulation tool according to the proposed 320 Gb/s-throughput router architecture. Moreover, experimental (thermo-) optical characterization and evaluation of two different SOI multiplexers integrated on the same platform to support two different 8-channel optical streams was performed. The experimental evaluation was carried out in terms of multiplexing and demultiplexing operations of the integrated devices by using multi-wavelength optical data streams at both 10 Gb/s (NRZ) and 25 Gb/s (RZ) transmission line rates. Finally, two thermo-optic silicon-plasmonic Mach-Zehnder interferometric (MZI) switches were studied thoroughly (via thermo-optic characterization as well as through experimental evaluation of the switching operation for optical signals at 10 Gb/s line rate). This configuration relied on active (thermo-optically controlled) plasmonic ΜΖΙ branches located in-between two SOI-based coupler stages. Regarding the first fabricated structure, the PMMA polymer was utilized to form its plasmonic parts. Regarding the second fabricated switching element, PMMA was replaced by another polymer named Cyclomer, thereby enabling the reduction of the active length of the plasmonic parts due to the twice (practically) thermo-optic coefficient of the new material.Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η μελέτη της αρχιτεκτονικής ενός οπτικού δρομολογητή σε επίπεδο τσιπ για την αποδοτική δρομολόγηση υψίρρυθμων πακέτων δεδομένων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Για την ανάπτυξη ενός τέτοιου δρομολογητή χρησιμοποιήθηκε ο συγκερασμός τριών διαφορετικών τεχνολογιών σε μία κοινή πλατφόρμα πυριτίου σε μονωτή, αξιοποιώντας έτσι τα ιδιαίτερα πλεονεκτήματα της καθεμίας: η πλασμονική τεχνολογία επιστρατεύτηκε για την ανάπτυξη θερμο-οπτικών μεταγωγέων με μικρό αποτύπωμα και χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η τεχνολογία πυριτίου χρησιμοποιήθηκε για το σχηματισμό του υπόλοιπου λειτουργικού φωτονικού κυκλώματος με χαμηλές απώλειες εισαγωγής και διάδοσης και η ηλεκτρονική αξιοποιήθηκε για την προηγμένη επεξεργασία που απαιτείται για το δυναμικό έλεγχο των στοιχείων μεταγωγής κατά τη διαδικασία της δρομολόγησης. Αρχικά, αναπτύχθηκαν κυκλωματικά μοντέλα προσομοίωσης των δύο βασικών μονάδων του προτεινόμενου υβριδικού δρομολογητή, που ήταν ο πλασμονικός μεταγωγέας και οι πολυπλέκτες πυριτίου και είχαν συντονιστές μικροδακτυλίου ως δομικό τους στοιχείο. Στη συνέχεια, τα κυκλωματικά αυτά μοντέλα αξιοποιήθηκαν σε διάταξη που σχεδιάστηκε σε κατάλληλο περιβάλλον προσομοίωσης οπτικών δικτύων με βάση την προτεινόμενη αρχιτεκτονική δρομολογητή μέγιστης δυνατής ρυθμαπόδοσης στα 320 Gb/s. Επίσης, πραγματοποιήθηκε ο πειραματικός (θερμο-) οπτικός χαρακτηρισμός και αξιολόγηση δύο διαφορετικών πολυπλεκτών πυριτίου που κατασκευάστηκαν στην ίδια πλατφόρμα για την υποστήριξη δύο διαφορετικών 8-κάναλων οπτικών ροών. Η πειραματική αξιολόγηση αφορούσε τις λειτουργίες πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας των κατασκευασμένων μονάδων με χρήση πολυκυματικών οπτικών ροών δεδομένων τόσο σε 10 Gb/s (με NRZ διαμόρφωση) όσο και σε 25 Gb/s (με RZ διαμόρφωση) ρυθμούς μετάδοσης γραμμής. Τέλος, μελετήθηκαν διεξοδικά (τόσο μέσω θερμο-οπτικού χαρακτηρισμού όσο και μέσω πειραματικής αξιολόγησης της λειτουργίας μεταγωγής για οπτικά σήματα με ρυθμό μετάδοσης γραμμής στα 10 Gb/s) δύο θερμο-οπτικοί συμβολομετρικοί μεταγωγείς τύπου Mach-Zehnder (MZI) πλασμονικής τεχνολογίας και τεχνολογίας πυριτίου. Σε αυτή την προσέγγιση χρησιμοποιήθηκαν ενεργοί (θερμο-οπτικά ελεγχόμενοι) πλασμονικοί βραχίονες πλαισιωμένοι από στάδια σύζευξης από πυρίτιο. Στην πρώτη υλοποίηση που μελετήθηκε, τα πλασμονικά μέρη του υβριδικού μεταγωγέα αποτελούνταν από πολυμερές PMMA, ενώ στη δεύτερη το PMMA αντικαταστάθηκε από το πολυμερές Cyclomer, καθιστώντας έτσι δυνατή τη μείωση του ενεργού μήκους των πλασμονικών τμημάτων χάρη στο διπλάσιο πρακτικά θερμο-οπτικό συντελεστή του νέου υλικού