Minimizing temperature dependent spectral shift in SOI DPSK demodulators

Silicon on insulator (SOI) photonic devices are becoming popular due to their compatibility with complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. Over the last five years, we have seen several practical demonstrations of high-speed optical modulators, switches, filters designed on SOI platform. Some of these devices were made utilizing one fundamental property of light: Interference. However, interference-based SOI devices show disastrous spectral phase shift with temperature change which result in the necessity of integrating active temperature control circuits to stabilize them. In this work we present a 50 Gb/sec SOI Mach-Zehnder interferometer (MZI) differential phase shift keying (DPSK) demodulator which exhibits over 90% improvement in thermal stability with 0.05 nm/C of its spectral profile compared to 0.9 nm/C for a noncompensated demodulators. Our proposed method is a fully passive way of minimizing temperature dependant spectral shift in DPSK demodulators, which employs the waveguide engineering method. A full analytical approach to address the problem is derived first, which is followed by extensive numerical simulations to find out the exact device dimensions. Through this, we present a step by step approach to design the demodulator by achieving required waveguide geometry. After we get the design values of our device parameters we calculate the spectral shift with temperature change by our customized computer program and observe improved performance of the device with temperature change. With the values of design variables, we fabricate our device through Canadian Microelectronics Corporation (CMC). The waveguide width of our device varies from 280 nm to 450 nm at different stage of the device while its height was fixed to 220 nm. For thermally non-compensated demodulator, waveguide width was 450 nm throughout the device. Both thermally compensated and non-compensated demodulators are built on the same chip. Experimental result of the fabricated device is presented and we compare different performance metric of the demodulator with and without the proposed temperature compensation technique.La recherche sur les composantes photoniques en silicium sur isolant (SOI) est devenue populaire en raison de leur compatibilité avec la technologie des semi-conducteur en métal complémentaire d'oxyde (CMOS). Pendant les cinq dernières années, nous avons vu plusieurs démonstrations pratiques de modulateurs optiques à grande vitesse, de commutateurs, et de filtres en SOI. Certaines de ces composantes utilisent une propriété fondamentale de lumière : l'interférence. Pourtant, les composantes en SOI à base d'interférence montrent un changement de phase spectral désastreux avec le changement de température qui s'ensuit d'une nécessité d'intégrer des circuits de contrôle actifs de température pour les stabiliser. Dans ce travail nous présentons un interféromètre Mach-Zehnder (MZI) en SOI à 50 Gb/sec pour la modulation de phase différentielle (DPSK). Le démodulateur a une stabilité thermale de 0.05 nm/0C qui est 90% meilleure que les démodulateurs non-compensés qui eux ont un profil spectral de 0.9 nm/0C. Notre méthode propose une façon complètement passive de minimiser l'effet de la température sur le changement spectral des démodulateurs DPSK. Une approche analytique complète suivi pardes simulations numériques permettent de définir les dimensions exactes du démodulateur. Nous présentons la géométrie due démodulateur. En utilisant les paramètres obtenus, nous calculons le changement spectral avec le changement de température en utilisant notre programme informatique conçu pour observer la performance du démodulateur. Le démodulateur a été fabriqué par la société de microélectrique Canadian (CMC). La largeur de la guide d'onde du démodulateur varie de 280 nm 450 nm et la hauteur est fixe à 220 nm. Pour le démodulateur non-compensé, la largeur du guide d'onde est 450 nm. Les démodulateurs tant compensés que non-compensés sont construits sur le même fragment. Les résultats expérimentaux sont présentés et nous comparons les différentes performances du démodulateur avec et sans la technique de compensation proposée