<P> A study of the reliability of semiconductor distributed feedback diode lasers is presented using the degree of polarisation of photoluminescence (DOP). Two figures of merit, v and w, are developed and used to characterise device aging times and performance. v measures the strain gradient between the top and middle of a device by calculating the difference in an area-averaged DOP between the middle and top of a fixed area of the device. w measures the average strain profile across the top of the device by taking the difference in an area-averaged DOP between the region immediately beneath the ridge and the regions to the immediate right and left of it. Further, the influence of aging and the nature of metal contact are explored as they relate to these metrics. </p> <P> Finite element fits to the DOP and rotated degree of polarisation of photoluminescence (ROP) are presented. The models thus generated are used to explain the nature of the strain observed in different devices. </p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

The energy consumption of communication networks is continuously growing. Many energy saving approaches have been proposed at the device, system, and network level. The most promising way to address this problem is to utilize photonic technologies as much as possible thanks to their low energy consumption per bit performance. Moreover, several approaches have been proposed to further reduce the energy consumption in optical networks. One popular technique exploits low power modes (e.g., sleep or doze mode) for devices that are not used. However, sleep mode based approaches may affect the way optical connections (i.e., lightpaths) are routed, or alter the characteristics of some devices. This in turn may have a detrimental impact on crucial network/device performance parameters. In other words a green approach may introduce additional delay, change the level of resource utilization in the network, or even impact the lifetime of a device, resulting in increased network operational cost. This thesis provides a study that carefully assesses, in both access and core networks, the trade-off between the benefits of sleep-based energy-efficient schemes and their possible side-effects. In fiber access networks putting a device into sleep mode and waking it up can introduce a significant energy overhead. Already proposed energy-efficient approaches reduce this overhead by aggregating as much as possible the traffic before a transmission. However, aggregating data may cause an additional delay that in some cases might not be acceptable. This thesis investigates the trade-off between energy saving and additional packet delay in the case of a LTE backhaul network based on wavelength division multiplexing passive optical network (WDM-PON). The thesis proposes a novel energy-efficient approach based on the dozing concept able to precisely control when a transmitter needs to wake up in order to maximize the time spent in sleep mode, while assuring that packet transmissions are completed before a given deadline. The proposed scheme is also able to exploit possibly diverse traffic delay requirements to further improve energy saving performance. In optical core networks, one way to decrease the energy consumption is to minimize the number of used active devices by aggregating the lightpaths on the lowest possible number of active fiber links. Routing strategies based on this intuition are beneficial in terms of energy saving, but on the other hand may impact the network performance (e.g., blocking probability) by affecting length of the lightpaths and link occupancy distribution. This trade-off is evaluated in the thesis with the help of a specially designed routing and wavelength assignment (RWA) strategy referred to as weighted power aware lightpath routing (WPA-LR). The WPA-LR strategy permits the fine tuning between the minimization of two objectives: energy consumption and network resource (i.e., wavelength) utilization. Evaluation results confirm that energy efficiency and network performance are conflicting objectives. However, the proposed WPA-LR strategy offers energy minimization with acceptable impact on the network performance. The thesis also investigates the impact that sleep-based energy-efficient strategies have on the lifetime of a number of optical network devices, in both access and core networks. In fact, utilizing a sleep mode functionality may change the operational conditions of the device which can impact the device lifetime. This is a crucial aspect to consider because it may directly affect the network operational cost related to fault management. The thesis provides a methodology to assess under which conditions and for which devices an energy-efficient scheme may lead to overall cost benefit vs. a (possible) increase of reparation cost. It was found that in access networks and with business customers a small lifetime variation in optical line terminals (OLTs) or in optical network units (ONUs) can lead to significant cost increase that cannot be covered by the profits coming from the energy saving. In core networks erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) are the most vulnerable devices in terms of impact on their lifetime. For this reason it was found that the usage of green routing algorithms based on putting EDFAs into sleep mode may not always be economically beneficial. In conclusion this thesis provides a different perspective on sleep mode based energy-efficient algorithms where the potential benefit in terms of energy saving is weighted against the impact of a possible degradation of the network performance and devices lifetime. On the other hand these performance degradations can be controlled and limited by the proposed algorithms. / Energikonsumtionen av kommunikationsnätverk, växer kontinuerligt. Många energibesparande åtgärder har föreslagits, såväl på komponentnivå, systemnivå och nätverksnivå. Det mest lovande sättet att hantera energibehov i kommunikationsnätverk är att utnyttja optisk teknologi så mycket som möjligt då denna har potential att ge låg energiförbrukning per bit. Det finns också ett antal föreslagna metoder för att ytterligare reducera energibehovet i optiska nätverk. En av de mest använda teknikerna bygger på att låta enheter som ej används gå ner på låg effekt (”sovläge”). Om detta används i allt för hög utsträckning kan det dock påverka hur optiska förbindelser (sk lightpaths) sätts upp eller ge förändrade egenskaper hos de aktuella komponenterna. Detta kan i sin tur ha en skadlig inverkan på de centrala nätverks- och komponentegenskaper vilket påverkar prestandan. Med andra ord kan en sådan ”grön” ansats baserad på sovläge leda till ökad fördröjning, förändring av resursutnyttjandet i nätet och till och med påverka risken för att det uppstår fel i komponenterna vilket ökar driftskostnaden för nätet. Denna avhandling fokuserar på dessa aspekter och visar upp resultat som belyser avvägningen mellan sovlägesbaserade energieffektiva strategier och deras eventuella bieffekter. Att slå av och väcka upp komponenter i optiska access-nätverk kan vara förknippat med en signifikant extra energikostnad. Tidigare föreslagna energieffektiva strategier försöker reducera denna ökade energikostnad genom att samla så mycket trafik som möjligt innan överföringen sker. Dock kan detta leda till ökad fördröjning som i vissa lägen inte är acceptabel. I avhandlingen undersöker vi avvägningen mellan energibesparingar och ökad paketfördröjning i fallet med LTE distributionsnät baserade på våglängsmultiplexerade passiva optiska nätverk (WDM-PON). Vi föreslår en ny energieffektiv ansats baserad på att enheter försätts i ”slummer-läge”. Detta gör det möjligt att med god precision bestämma när en sändare behöver väckas upp i syfte att maximera tiden i sovläget och att försäkra sig om att paketen kommer fram inom avsedd tid. Strategin är även kapabel att utnyttja differentierad fördröjning för att ytterligare förbättra energibesparingen. Ett sätt att minska energikonsumtionen i optiska distributionsnät är att minimera antalet aktiva enheter genom att exempelvis samla optiska förbindelser till ett minimalt antal aktiva fiberlänkar. Routingstrategier som utgår från denna princip är fördelaktiga ur energisynpunkt men kan å andra sidan skada nätverksprestanda (exempelvis blockeringssannolikhet) genom påverkan på förbindelselängder och annorlunda belastning av länkarna. Denna avvägning utvärderas i avhandlingen med hjälp av en specifikt utformad strategi för routing och våglängstilldelning (RWA) som vi benämner ”viktad effektmedveten optisk förbindelserouting” (WPA-LR). Denna strategi möjliggör noggrann avvägning mellan minimeringen av två kriterier: å ena sidan energikonsumtion, å andra sidan utnyttjandet av nätverksresurser (speciellt väglängdsutnyttjandet). Vår utvärdering bekräftar att energieffektivitet och nätverksprestanda står i motsatsförhållande till varandra. Dock erbjuder WPA-LR strategin minimering av energin med en acceptabel påverkan på nätverksprestanda. Slutligen undersöks i avhandlingen den påverkan som sovlägesbaserade energieffektiva strategier har på livslängden för optiska nätverkskomponenter, både i access- och i distributionsnät. Användning av sovlägesfunktion kan påverka arbetsförhållandena för en komponent, något som i sin tur kan påverka livslängden. Detta är en kritisk aspekt att ta i beaktande då det direkt kan påverka driftskostnaden kopplad till nätunderhållet. En metod ges för att utvärdera under vilka förhållanden och för vilka enheter en energieffektiv strategi kan leda till en total kostnadsfördel jämfört med en (möjlig) ökning av reparationskostnaderna. Ett resultat är att, i accessnät och för företagsanvändare, så kan även en liten variation i feluppkomst i optiska linjeterminaler (OLTs) eller optiska nätverksenheter (ONUs) leda till signifikanta kostnadsförluster vilka inte kan kompenseras genom de vinster som kan åstadkommas med energibesparingar. I distributionsnät är erbium-dopade fiberförstärkare (EDFAs) de mest utsatta enheterna vad gäller inverkan på livslängd. Genom att studera routingstrategier (ex.vis WPA-LR) har vi funnit att användningen av ”gröna” routingalgoritmer baserade på att lägga EDFAs i sovläge inte alltid är ekonomiskt fördelaktigt. Denna avhandling ger ett perspektiv på sovlägesbaserade energieffektiviseringsalgoritmer där de potentiella fördelarna vad gäller minskade driftskostnader ställs mot möjliga försämringar av nätverksprestanda och komponenters livslängd. Å andra sidan kan dessa försämringar hållas under kontroll och begränsas av den föreslagna algoritmen. / La consommation d'énergie des réseaux de communication ne cesse de croître. Ce problème fait l’objet de nombreuses approches orientées vers les économies d'énergie (écoénergétiques) au niveau des appareils (équipements) des systèmes et des réseaux. La façon la plus prometteuse de limiter l’augmentation de consommation évoquée est d'utiliser autant que possible des technologies photoniques, vu leur faible consommation d'énergie par bit. Plusieurs autres approches ont été proposées pour réduire davantage encore la consommation d'énergie dans des réseaux optiques. Une technique populaire exploite les modes de faible puissance (par exemple le mode veille) pour les appareils qui ne sont pas utilisés. Cependant, les approches basées sur le mode de veille peuvent affecter la manière dont les liaisons optiques (circuits optiques) sont acheminées, ou modifier les caractéristiques de certains appareils. Cela peut avoir un impact négatif sur les paramètres de performance des réseaux/équipements cruciaux. En d'autres termes, une approche écoénergétique peut introduire un retard supplémentaire, changer le niveau d'utilisation des ressources dans le réseau, ou même avoir un impact sur le taux d'échec d'un équipement, entraînant une augmentation des coûts d'exploitation du réseau. Cette thèse évalue attentivement, à la fois dans le réseau d'accès mais aussi dans le cœur du réseau, le compromis entre les avantages des régimes économes en énergie utilisant le mode veille et leurs effets secondaires possibles. Dans les réseaux d'accès optiques, mettre un équipement en mode veille et le réactiver peut introduire une surcharge d'énergie significative. Les approches d'économie d'énergie déjà proposées réduisent cette surcharge en regroupant autant que possible le trafic avant sa transmission. Toutefois, les données d'agrégation peuvent provoquer un retard supplémentaire qui peut ne pas être acceptable dans certains cas. Cette thèse étudie le compromis entre les économies d'énergie et un retard supplémentaire des paquets dans le cas d'un réseau backhaul LTE basé sur réseau optique passif à multiplexage en longueur d'onde (WDM-PON). La thèse propose une nouvelle approche éco énergétique. Elle développe un concept au travers duquel il est possible de contrôler avec précision quand un émetteur doit se réactiver, afin de maximiser le temps passé en mode veille tout en veillant à ce que les transmissions de paquets soient terminées en temps voulu. Le schéma proposé est également capable d’exploiter les (éventuelles) exigences diverses de retard de trafic pour améliorer encore les économies d'énergie. Dans le cœur des réseaux optiques, on peut diminuer la consommation d'énergie en minimisant le nombre d’équipements actifs utilisés pour l’acheminement des circuits optiques et le nombre de liens actifs à fibres optiques. Les stratégies de routage basées sur ce principe sont bénéfiques en termes d'économie d'énergie, mais peuvent affecter les performances du réseau (par exemple, la probabilité de blocage) en affectant la longueur des circuits optiques et la distribution d’occupation des liens. Ce compromis est évalué dans la thèse avec l'aide d’une stratégie de routage et affectation de longueur d'onde (RWA) appelée routage des circuits optiques conscient de la puissance (WPA-LR). La stratégie WPA-LR permet le réglage fin entre deux objectifs: minimiser la consommation d'énergie et minimiser l’utilisation des ressources réseau (i.e. longueur d'onde). Les résultats de l'évaluation confirment que l'efficacité énergétique et les performances du réseau ont des objectifs contradictoires. Cependant, la stratégie WPA-LR proposée permet la minimisation de l'énergie avec un impact acceptable sur les performances du réseau. La thèse étudie également l'impact que les stratégies d’économie d’énergie basées sur le mode veille ont sur la durée de vie d'un certain nombre d’équipements de réseau optique, dans les deux réseaux d'accès et de base. L'utilisation du mode veille peut en effet modifier les conditions de fonctionnement de l’équipement, ce qui peut influer sur la durée de vie de l'appareil. Ceci est un aspect crucial à considérer, car il peut affecter directement le coût opérationnel du réseau lié à la gestion des pannes. La thèse propose une méthodologie pour évaluer dans quelles conditions et pour quels dispositifs un système économe en énergie peut conduire à des avantages de coûts globaux par rapport à une (possible) augmentation des coûts de maintenance. Dans les réseaux d'accès et auprès de clients commerciaux, il a été constaté qu’une petite variation de taux d'échec dans les terminaux de ligne optique (OLT) ou dans les unités de terminaison de réseau optique (ONUs) peut conduire à des pertes financières importantes qui ne peuvent être compensées par les bénéfices provenant des économies d'énergie. Dans les cœurs de réseaux les amplificateurs à fibre dopée en erbium (EDFA) sont les équipements les plus vulnérables en termes d'impact sur leur durée de vie. Pour cette raison, l'utilisation d'algorithmes de routage écoénergétiques basé sur la mise en mode veille des EDFA peut par conséquent n’être pas toujours économiquement avantageuse. En conclusion, cette thèse fournit une perspective différente sur des algorithmes économes en énergie basés sur l’utilisation du mode veille. Leur bénéfice potentiel en termes d'économie d'énergie est comparé à l'impact d'une éventuelle dégradation d’une part de la performance du réseau et d’autre part de la durée de vie des équipements. Ces dégradations de performances peuvent être contrôlées et limitées par les algorithmes proposés. / Zużycie energii elektrycznej w sieciach komunikacyjnych stale rośnie. Do tej pory zostało zaproponowanych wiele metod oszczędzania energii na poziomie urządzeń, systemów i sieci. Najbardziej obiecującym podejściem do tego problemu jest wykorzystanie technologii optycznych, z uwagi na ich niskie zużycie energii „per bit”. Ponadto wiele różnych metod przeznaczonych dla sieci optycznych zostało przedstawionych w literaturze. Jedna z popularnych technik wykorzystuje tryb niskiego poboru energii (uśpienia) w urządzeniach, które nie są używane. Jednakże techniki wykorzystujące tryb uśpienia mogą mieć wpływ na kierowanie optycznych połączeń sieciowych (lightpaths) lub zmieniać właściwości urządzeń. Natomiast to może mieć negatywny wpływ na kluczowe parametry wydajności sieci czy urządzeń sieciowych. Innymi słowy algorytmy oszczędzające energię mogą wprowadzić dodatkowe opóźnienia, zmienić wykorzystanie zasobów sieciowych, a nawet wpływać na awaryjność urządzeń zwiekszając tym samym koszt eksploatacji sieci. Praca ta przedstawia i analizuje kompromis pomiędzy korzyściami płynącymi z energooszczędnych algorytmów opartych na trybie uśpienia, a ich ewentualnymi skutkami ubocznymi, zarówno w sieciach dostępowych, jak i szkieletowych. W przypadku optycznych sieci dostępowych proces wprowadzenia urządzenia w tryb uśpienia i jego wybudzenia może spowodować znaczący narzut energetyczny. Proponowane sposoby zmniejszenia tego narzutu agregują ruch sieciowy przed jego transmisją, Jednakże taka agregacja powoduje dodatkowe opóźnienia transmisji, które w niektórych przypadkach mogą być niedopuszczalne. Praca ta analizuje kompromis pomiędzy oszczędzaniem energii, a dodatkowymi opóźnieniami transmisji w przypadku sieci LTE-backhaul, bazowanej na technologii pasywnych sieci optycznych, opartych na multipleksowaniu z podziałem długości fali WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network). Niniejsza praca proponuje nowatorską metodę oszczędzania energii, opartą na koncepcji drzemki (dozing), która precyzyjnie kontroluje czas wybudzania nadajnika, tak aby zmaksymalizować czas spędzony w trybie drzemki, przy zapewnieniu, że transmisja danych zostanie zakończona przed upływem wymaganego czasu. Proponowana metoda wykorzystuje również zróżnicowane wymagania maksymalnych opóźnień transmitowanych danych do dalszej poprawy wydajności energetycznej. Jednym ze sposobów zmniejszania zużycia energii w światłowodowych sieciach szkieletowych jest zredukowanie liczby aktywnych urządzeń, poprzez umiejętne kierowanie optycznych połączeń sieciowych przy użyciu już aktywnych łączy światłowodowych. Kierowanie ruchu sieciowego oparte na tym pomyśle jest korzystne z punktu widzenia oszczędzania energii, choć z drugiej strony może mieć wpływ na parametry wydajnościowe sieci (np. zwiększenie prawdopodobieństwa blokady połączeń) poprzez oddziaływanie na długość połączeń, czy zajętość łączy. Przytoczony problem jest analizowany w tej pracy za pomocą specjalnie zaprojektowanego algorytmu routingu i przypisania długości fali RWA (Routing and Wavelength Assignement), nazwanego WPA-LR (Weighted Power Aware Lightpath Routing). Algorytm WPA-LR pozwala na precyzyjną regulację pomiędzy redukcją zużycia energii i optymalizacją wykorzystania zasobów sieciowych. Wyniki wykonanej analizy problemu potwierdzają, że efektywność energetyczna i wydajność sieci to cele ze sobą sprzeczne. Jednakże proponowana strategia (WPA-LR) umożliwia kontrolę i osiągnięcie kompromisu pomiędzy zmniejszeniem zużycia energii, a pogorszeniem wydajności sieci. Praca ta bada również wpływ energooszczędnych strategii, opartych o tryb uśpienia, na trwałość optycznych urządzeń sieciowych, zarówno w sieciach dostępowych, jak i szkieletowych. Używanie trybu uśpienia może zmienić warunki pracy urządzenia, które z kolei mogą mieć wpływ na jego trwałość. Natomiast zmniejszenie trwałości urządzenia może bezpośrednio oddziaływać na koszt eksploatacji sieci związany z zarządzaniem awariami. Niniejsza praca proponuje metodologię oceny, na jakich warunkach i w przypadku których urządzeń, używanie algorytmów oszczędzania energii może prowadzić do ogólnych korzyści finansowych lub strat związanych ze wzrostem kosztu eksploatacji sieci. W pracy stwierdzono, że w sieciach dostępowych, w szczególności obsługujących klientów biznesowych, mały wpływ na awaryjność optycznych terminali ONU (Optical Network Unit) lub optycznych urządzeń dystrybucyjnych OLT (Optical Line Terminal) może prowadzić do znacznego zwiększenia kosztów, które mogą przekroczyć zyski związane z oszczędzaniem energii. W sieciach szkieletowych wzmacniacze światłowodowe EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) są najbardziej wrażliwymi urządzeniami pod względem wpływu na ich awaryjność. W pracy dowiedziono, że użycie energooszczędnych algorytmów kierowania połączeń światłowodowych, opartych na wprowadzaniu EDFA w tryb uśpienia, nie zawsze jest korzystne ekonomicznie. Niniejsza praca przedstawia nowatorskie spojrzenie na energooszczędne algorytmy oparte na wprowadzaniu urządzeń w tryb uśpienia, gdzie potencjalne korzyści w zakresie oszczędzania energii są porównane ze stratami związanymi z degradacją wydajności sieci lub żywotności urządzeń sieciowych. / <p>QC 20160509</p>

The development of state-of-the-art AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) has shown much promise for advancing future RF and microwave communication systems. These revolutionary devices demonstrate great potential and superior performance and many commercial companies have demonstrated excellent reliability results based on multiple temperature accelerated stress testing. However, a physical understanding of the various reliability limiting mechanisms is lacking and the role and relative contribution of the various intrinsic material factors, such as physical stress and strain has not been clearly explained in the literature. Part of issues that impact device reliability are the mechanical stresses induced in the devices as well as the self-heating that also limit device performance. Thus, quantification of stress and temperature in AlGaN/GaN HEMTs is of great importance. To address some of the needs for metrology to quantify stress in AlGaN/GaN HEMTs, micro-Raman spectroscopy and micro-photoluminescence (micro-PL) were utilized to quantify the residual stress in these devices. Through the use of micro-Raman and micro-PL optical characterization methods, mapping of the vertical and lateral stress distributions in the device channels was performed. Results show that stress can be influenced by the substrate material as well as patterned structures including metal electrodes and passivation layers. Previously developed and reported micro-Raman thermometry methods require an extensive calibration process for each device investigated. To improve the implementation of micro-Raman thermometry, a method was developed which offers both experimental simplicity and high accuracy in temperature results utilizing a universal calibration method that can be applied to a broad range of GaN based devices. This eliminates the need for performing calibration on different devices. By utilizing this technique, it was revealed that under identical power dissipation levels, the bias conditions (combination of Vgs and Vds) alter the heat generation profile across the conductive channel and thus influence the degree of device peak temperature. The role of stress in the degradation of AlGaN/GaN HEMTs was also explored. A combined analysis using micro-Raman spectroscopy, coupled electro-thermo-mechanical simulation, and electrical step stress tests was conducted to investigate the link between performance degradation and the evolution of total stress in devices. It was found that in addition to stresses arising from the inverse piezoelectric effect, the substrate induced residual stress and the operational themo-elastic stress in the AlGaN layer play a major role in determining the onset of mechanically driven device degradation. Overall, these experiments were the first to suggest that a critical level of stress may exist at which point device degradation will start to occur. The optical characterization methods developed in this study show the ability to reveal unprecedented relationships between temperature/stress and device performance/reliability. They can be used as effective tools for facilitating improvement of the reliability of future AlGaN/GaN HEMTs.

In the modern semiconductor world, there is a significant scaling of the transistor dimensions--The transistor gate length and the gate oxide thickness drop down to only several nanometers. Today the semiconductor industry is already dominated by submicron devices and other material devices for the high transistor density and performance enhancement. In this case, the semiconductor reliability issues are the most important thing for commercialization. The major reliability issues caused by voltage are hot carrier effects (HCs) and gate oxide breakdown (BD) effects. These issues are recently more important to industry, due to the small size and high lateral field in short-channel of the device will cause high electrical field and other reliability issues. This dissertation primarily focuses on the study of the CMOS device gate oxide breakdown effect on different kinds of circuits performance, also some HC effects on circuit's performance are studied. The physical mechanisms for BD have been presented. A practical and accurate equivalent breakdown circuit model for the CMOS device was studied to simulate the RF performance degradation on the circuit level. The BD location effect has been evaluated. Furthermore, a methodology was developed to predict the BD effects on the circuit's performances with different kinds of BD location. It also provides guidance for the reliability considerations of the digital, analog, and RF circuit design. The BD effects on digital circuits SRAM, analog circuits Sample&Hold, and RF building blocks with the nanoscale device--low noise amplifier, LC oscillator, mixer, and power amplifier, have been investigated systematically. Finally 90 nm device will be used to study the HC effect on the circuit's performance. The contributions of this dissertation include: Providing a thorough study of the gate oxide breakdown issues caused by the voltage stress on the device--from device level to circuit level; Studying real voltage stress case--high frequency (950 MHz) dynamic stress, and comparing with the traditional DC stress; A simple, practical, and analytical method is derived to study the gate oxide breakdown effect including breakdown location effect and soft / hard breakdown on the digital, analog and RF circuits performances. A brief introduction and simulation for 90 nm device HC effect provide some useful information and helpful data for the industry. The gate oxide breakdown effect is the most common device reliability issue. The successful results of this dissertation, from device level to circuit level, provide an insight on how the BD affects the circuit's performance, and also provide some useful data for the circuit designers in their future work.