Παρουσίαση διδακτορικού Θένιας Προυσαλίδη – 24 Απριλίου 2024
Την Τετάρτη 24 Απριλίου 2024 η Θένια Προυσαλίδη παρουσίασε με επιτυχία το διδακτορικό της με τίτλο «Ανάπτυξη σε Επίπεδο Συστήματος Φωτονικών Πομποδεκτών Κατασκευασμένων σε Πλατφόρμα Ολοκλήρωσης Πυριτίου για Χρήση σε Μελλοντικές Αναβαθμίσεις Συστημάτων στα Πλαίσια των Πειράματα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών στο CERN».
Η παρούσα διατριβή αφορά στην ανάπτυξη πομποδεκτών Πυριτίου για μελλοντικές αναβαθμίσεις των πειραμάτων φυσικής υψηλών ενεργειών στο CERN. Οι πομποί βασίζονται σε διαμορφωτές δακτυλίου και οι δέκτες σε φωτοδιόδους Γερμανίου. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, η Θένια παρουσίασε τη μοντελοποίηση και τον πειραματικό χαρακτηρισμό των διαφόρων στοιχείων που είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των πομποδεκτών Πυριτίου, καθώς και την αντιμετώπιση των προκλήσεων που συνεπάγεται η ανάπτυξη ενός τέτοιου πομποδέκτη σε επίπεδο συστήματος, και αφορούν κυρίως την διαχείριση της πόλωσης και την θερμική ρύθμιση των διαμορφωτών δακτυλίου. Η διατριβή διαρθρώνεται σε 7 κεφάλαια.
Tο Κεφάλαιο 1 αποτελεί το εισαγωγικό μέρος. Παρουσιάζει το CERN και τον LHC, τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων, και περιγράφει εν συντομία τους κύριους ανιχνευτές και τα πειράματα στο CERN. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το σχέδιο αναβάθμισης του LHC, HL-LHC, καθώς και το αναμενόμενο αντίκτυπο στις επιδόσεις και τις απαιτήσεις των πειραμάτων (ρυθμοί παραγωγής και μετάδοσης δεδομένων, επίπεδα ακτινοβολίας στο εσωτερικό των ανιχνευτών). Κατόπιν αναλύονται ο διαφορετικοί μηχανισμοί βλαβών που προκαλούνται από την ακτινοβολία στα ηλεκτρονικά και τα φωτονικά συστήματα. Το υπόλοιπο της εισαγωγής εστιάζει στις οπτικές ζεύξεις μεταφοράς δεδομένων στα πειράματα φυσικής υψηλών ενεργειών. Αρχικά παρουσιάζεται η τρέχουσα γενιά οπτικών ζεύξεων, δηλαδή το VL+ project, τα χαρακτηριστικά, οι αρχές λειτουργίας, οι επιδόσεις και οι περιορισμοί της. Δεδομένης της αναβάθμισης του HL-LHC, κατόπιν καθορίζονται οι απαιτήσεις της νέας γενιάς οπτικών ζεύξεων που προκύπτει σαν αναγκαία. Ακολουθεί μια εισαγωγή στην φωτονική πλατφόρμα ολοκλήρωσης Πυριτίου και τα πλεονεκτήματά της που την καθιστούν εξαιρετική επιλογή για αυτή τη νέα γενιά οπτικών ζεύξεων. Το όραμα οπτικών ζεύξεων βασισμένων σε αυτή την πλατφόρμα περιγράφεται αναλυτικά. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με μια επισκόπηση των ερευνητικών στόχων και τη δομή της διατριβής.
Το Κεφάλαιο 2 εξετάζει τις ιδιότητες καθώς και τα σημαντικά οπτικά και θερμικά φαινόμενα του Πυριτίου. Στη συνέχεια περιλαμβάνει την περιγραφή των παθητικών και ενεργών στοιχείων της πλατφόρμας Πυριτίου, και των αρχών λειτουργίας τους. Αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του πομποδέκτη που αναπτύχθηκε στο CERN.
Το Κεφάλαιο 3 εστιάζει στον πομπό, που είναι βασισμένος σε διαμορφωτές δακτυλίου, και περιλαμβάνει τον πειραματικό χαρακτηρισμό του. Αρχικά περιγράφονται οι διαμορφωτές δακτυλίου, η δομή τους και το κύκλωμα του πομπού. Ακολουθεί ο χαρακτηρισμός των διαμρφωτών που περιλαμβάνει μετρήσεις των φασμάτων εξόδου του και εξαγωγή των σημαντικών χαρακτηριστικών τιμών. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι διάφορες πλακέτες δοκιμών που έχουν συναρμολογηθεί. Η επόμενη ενότητα είναι ο χαρακτηρισμός του πομπού που περιλαμβάνει τις μετρήσεις με χαμηλή ισχύ εισόδου και υψηλή ισχύ εισόδου, τις μετρήσεις υψηλής ταχύτητας, τον χαρακτηρισμό του μικροθερμαντήρα (βηματική συνάρτηση απόκρισης, θερμικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός), τον χαρακτηρισμό του φαινομένου αυτοθέρμανσης και τέλος την εξαγωγή της θερμο-οπτικής συνάρτησης μεταφοράς των διαμορφωτών. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το σχήμα οδήγησης ηλεκτρικής διαμόρφωσης. Η τελευταία ενότητα αυτού του κεφαλαίου είναι αφιερωμένη στο κύκλωμα πομπού 4 καναλιών με πολυπλεξία μηκών κύματος που περιλαμβάνει 4 διαμορφωτές συνδεδεμένους σε σειρά. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τον πλήρη χαρακτηρισμό αυτού του κυκλώματος 4 καναλιών.
Το Κεφάλαιο 4 αποτελεί μια λεπτομερή παρουσίαση της διαδικασίας θερμικού ελέγχου των διαμορφωτών δακτυλίου Πυριτίου. Ξεκινά με μια εξήγηση του κινήτρου πίσω από την ανάγκη για θερμικό έλεγχο και εισάγει τα στοιχεία και την αρχιτεκτονική ενός γενικού βρόχου θερμικού ελέγχου ανάδρασης βασιζόμενου στο σχήμα αισθητήρας-ελεγκτής-ενεργοποιητής. Στη συνέχεια εξετάζονται οι διάφορες διαθέσιμες τεχνικές για τον έλεγχο των διαμορφωτών. Μεταξύ των διαθέσιμων λύσεων, επιλέγουμε για την εφαρμογή μας έναν ελεγκτή ανάδρασης με παρακολούθηση της μέσης ισχύος στη θύρα πτώσης. Οι απαιτήσεις συστήματος της επιλεγμένης λύσης αναλύονται κατόπιν, και πραγματοποιείται η φυσική υλοποίηση του στο εργαστήριο. Η υλοποίηση περιλαμβάνει τρεις εκδόσεις, μια αρχική που βασίζεται σε κλασσικά όργανα μέτρησης, μία πιο προηγμένη που βασίζεται σε μια προσαρμοσμένη πλακέτα, και ένα το όραμα για μία τελική έκδοση που θα είναι συμβατή με τις τελικές απαιτήσεις συστήματος. Στη συνέχεια, αναλύεται ο σχεδιασμός και η ρύθμιση του ελεγκτή PI, που περιλαμβάνει προσομοιώσεις Matlab και Simulink καθώς και πειρματική επαλήθευση του σχεδιασμένου ελεγκτή. Αφού εισαχθούν οι αρχές του βρόχου ελέγχου και η διαδικασία σχεδιασμού του, περιγράφεται η διαδικασία θερμικού ελέγχου του διαμορφωτή, η οποία περιλαμβάνει τη διαδικασία εκκίνησης και το στάδιο λειτουργίας του ελεγκτή. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι μετρήσεις και τα αποτελέσματα της λειτουργίας ενός καναλιού του βρόχου ελέγχου, συμπεριλαμβανομένων μετρήσεων όπου μεταβάλλεται το μήκος κύματος του λέιζερ εισόδου και η θερμοκρασία. Το τελευταίο μέρος του κεφαλαίου είναι ο θερμικός έλεγχος σε πολυκαναλικά συστήματα πολυπλεξίας μηκών κύματος. Αυτή η ενότητα περιλαμβάνει την υλοποίηση ενός βρόχου θερμικής ρύθμισης για πολυκαναλική λειτουργία, μια επισκόπηση των επιπλέον προκλήσεων που εισάγονται σε ένα τέτοιο σύστημα, καθώς και λύσεις για την αντιμετώπισή τους. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τα αποτελέσματα των μετρήσεων του βρόχου θερμικού ελέγχου για το κύκλωμα πολυπλεξίας μηκών κύματος με 4 κανάλια λειτουργίας.
Το Κεφάλαιο 5 περιλαμβάνει την μελέτη της διαχείρισης πόλωσης σε ολοκληρωμένα κυκλώματα Πυριτίου και προτείνει ολοκληρωμένες λύσεις για τη διαχείριση πόλωσης εντός τσιπ. Μετά την επεξήγηση του λόγου για τον οποίο η διαχείριση πόλωσης είναι απαραίτητη στα ολοκληρωμένα κυκλώματα Πυριτίου (Si PIC), αναλύεται η πόλωση στις μονορυθμικές οπτικές ίνες και στα Si PIC. Έχοντας καθιερώσει και εξηγήσει την ανάγκη για τεχνικές ανάκτησης πόλωσης, στη συνέχεια εξετάζονται οι διαθέσιμες λύσεις. Αυτές περιλαμβάνουν μεθόδους εκτός τσιπ (χρήση ινών διατήρησης πόλωσης ή ελεγκτές πόλωσης), καθώς και μεθόδους επί του τσιπ (δισδιάστατοι συζεύκτες πλέγματος (2D-GCs) και πολωτικοί διαχωριστές-στροφείς (PSR)). Οι μέθοδοι on-chip είναι πιο κατάλληλες για αυτήν την εφαρμογή. Για το λόγο αυτό, προτείνεται μια λύση διαχείρισης πόλωσης βασισμένη σε 2D-GCs και επεξηγείται η αρχή λειτουργίας της. Στη συνέχεια περιλαμβάνεται ο σχεδιασμός και η προσομοίωση ενός πλήρους κυκλώματος για διαχείριση πόλωσης με βάση 2D-GC, μαζί με τον χαρακτηρισμό και τη δοκιμή υφιστάμενων δομών που βασίζονται σε 2D-GCs και αποτελούν μέρος του πλήρους κυκλώματος, επιτρέποντας αντιστάθμιση της διασποράς πόλωσης και μερικό έλεγχο της πόλωσης. Κατόπιν, διερευνάται η συμβατότητά τους με υπάρχοντες διαμορφωτές και αρχιτεκτονικές πολυπλεξίας μηκών κύματος. Στη συνέχεια, προτείνονται λύσεις που βασίζονται στη χρήση διαχωριστών και στροφέων πόλωσης. Αυτές περιλαμβάνουν τον λεπτομερή σχεδιασμό και την προσομοίωση δύο προσαρμοσμένων στοιχείων στην πλατφόρμα Πυριτίου. Το πρώτο είναι ένας θερμικά ρυθμιζόμενος στροφέας πόλωσης στα 1550 nm. Το δεύτερο στοιχείο είναι ένας ευρυζωνικός διαχωριστής και στροφέας πόλωσης με κεντρικό μήκος κύματος τα 1310 nm που βασίζεται σε mode conversion και phase matching.
Το Κεφάλαιο 6 εξετάζει τον δέκτη, που βασίζεται σε φωτοδιόδους Γερμανίου και ενισχυτές σύνθετης αντίστασης. Επεξηγείται η αρχή λειτουργίας του, ακολουθούμενη από την περιγραφή των test boards του δέκτη που αναπτύχθηκαν στο CERN. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τον χαρακτηρισμό του δέκτη που περιλαμβάνει τις μετρήσεις υψηλής ταχύτητας και τις μετρήσεις του ρυθμού σφαλμάτων μπιτ.
Τέλος, το Κεφάλαιο 7 είναι το κεφάλαιο των συμπερασμάτων. Αφού συνοψιστεί η έρευνα που έγινε ως μέρος της παρούσας διατριβής, περιγράφονται τα επόμενα ερευνητικά βήματα που σχετίζονται με την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς οπτικών ζεύξεων για πειράματα φυσικής υψηλών ενεργειών βασισμένων στην φωτονική πλατφόρμα ολοκλήρωσης Πυριτίου. Τέλος, προτείνονται λύσεις για την αντιμετώπιση ανοιχτών προκλήσεων που περιγράφονται στη διατριβή, και ερευνητικά θέματα που ενδιαφέρουν το αντικείμενο ως μελλοντικές προτάσεις εργασίας.
Η διατριβή της Θένιας πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Experimental Physics Department του CERN, και συγκεκριμένα του Back-End section που ανήκει στο group Electronics Systems for Exeriments. Κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής της η Θένια βρισκόταν στο CERN, έχοντας ωστόσο συστηματική συνεργασία με το PCRL, μέσα από συχνές επισκέψεις στον εργαστήριο του PCRL και συμμετοχή σε διάφορα σχετικά πειράματα που έλαβαν χώρα παράλληλα εκεί. Η Θένια είναι μέλος του Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών από το 2020, και έχοντας ολοκληρώσει την διδακτορική της διατριβή, συνεχίζει εργάζεται ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο PCRL.
