Integrovaná optika a optoelektronika

Transkript

1 Integrovaná optika a optoelektronika Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc SIS 2009 jerabek@fel.cvut cvut.czcz

2 Základní pojmy, historie Historie v roce 1969 S. E. Miller z Bell Laboratories navrhl koncepci nového oboru Integrované optiky a optoelektroniky jako aplikační obor fotoniky. Tato koncepce vycházela z hybridního ho řešení integrace na dielektrických substrátech. tech První kongres o Integrované optice byl uskutečněn n v Salt Lake City. Zde byly rozvinuty dva základnz kladní technologické směry hybridní a monolitická integrovaná optika.

3 Základní pojmy Aplikační obory integrované fotoniky: Integrovaná optika se zabývá teoretickým, technickým a technologickým studiem vlastností dielektrických a polovodičových ových integrovaných optických součástek stek a systémů s planárn rní geometrií pro distribuci a ovládání optického zářenz ení. Metodami jejich realizace je integrace pomocí různých hybridních a monolitických vrstvových technik Integrovaná optoelektronika - se zabývá teoretickým, technickým a technologickým studiem vlastností optoelektronických a optických integrovaných součástek stek a systémů pro přenos, směrov rování,, záznam z znam a zobrazení elektrických a optických signálů,, jedno i vícerozmv cerozměrných. rných. Metodami jejich realizace je integrace pomocí různých hybridních a monolitických vrstvových technik

4 Součástky a systémy integrované fotoniky rozdělen lení Integrovaná optika - optické prvky pro distribuci a ovládání optického zářenz ení - multividové a monovidové optické děliče výkonu, vazební členy, vlnově selektivní MUX/DEMUX, elektrooptické modulátory EOM a absorpční modulátory AOM, elektrooptické přepínače e EOP a.p. Integrovaná optoelektronika - optoelektronické prvky pro generaci, ovládání,, zesilování a detekci optického zářenz ení optoelektronické generátory, optoelektronické vysíla lače e OEV a přijp ijímače e OEP, vlnové konvertory, vlnové routery,, optické zesilovače e, vlnové a časové MUX/DEMUX a.p.

5 Historie integrované optoelektroniky Přehled vývoje integrované optoelektroniky od roku 1969 až po rok 2007 [ 20 ]

6 Technologie integrované fotoniky Objemové mikrooptické integrované obvody Optické záření se šíří volným prostorem mezi mezi jednotlivými prvky obvodu. Využívaj vají mikrooptických prvků mikro-čočky, ky, kolimačmí čočky, optické mikromřížky ky,, optické mikrohranoly multividové vláknov knové a planárn rní vlnovody, zapouzdřen ené LD a FD a.p. Planárn rní fotonické integrované obvody Optické záření je rozváděno SM nebo MM planárn rními vlnovody na bezprostředn edně technologicky napojené na další planárn rní optické prvky. Využívaj vají planárn rních prvků- výkonové a interferenční děliče e výkonu a vidů,, WDM prvky, planárn rní optické přepínače e a modulátory, planárn rní optické mřížky, SS-LD, SS-SOA, SOA, WG-FD a.p.

7 Technologie integrované optoelektroniky Objemový mikrooptický integrovaný obvod pro ONT u sítí FTTH-PON [ 26 ]

8 Technologie integrované optoelektroniky Typy technologických řešení planárních OE integrovaných obvodů [ 17 ]

9 Technologie integrované optoelektroniky Hybridní planárn rní integrované optoelektronické obvody s optickými vláknovými vlnovody ( integrace v elektrické doméně): Složen ení dielektrická podložka s elektrickým tenkovrstvým nebo tlustovrstvým vodivým motivem a pasivními součástkami stkami osazené elektronickými a optoelektronickými polovodičovými ovými součástkami stkami v SMD provedení.. Optické vláknov knové vlnovody jsou navázány ny na OE prvky v závěrez rečné fázi. Tenkovrsvé IO vodivé motivy jsou realizovány vrstvami Au, Ag, Cr, NiCr a.p. napařenými enými nebo napráš ášenými na hlazené korundové podložky, skelné podložky, BeO, sklokeramiku. Tlustovrstvé IO vodivé motivy jsou realizovány vrstvami Pd,Au, Ag pasty vypálen lené na hrubozrnný nebo jemnozrnný korund.

10 Hybridní integrovaná optoelektronika na katedře mikroelektroniky FEL ČVUT Vnitřní uspořádání mikrovlnného optoelektronického přijp ijímače e 5 GHz

11 Technologie integrované fotoniky Planárn rní hybridní OE integrované obvody (integrace v elektrické i optické doméně) ) : Složen ení - optické dielektrické nebo organické planárn rní vlnovody a elektronické a optoelektronické polovodičov ové součástky stky Optické vlnovody - realizované technologií difuse Ti do podložek z LiNbO 3 nebo LiTaO 3, iontovou výměnou nou Li + - Na +, Ag + - Na +, K + - Na + ve skle, nebo technologií spin-countingu u organických materiálů PMMA, PS, některých n epoxypolymerů (SU 8) a.p. na podložce Si, GaAs Elektronické a OE polovodičov ové součástky stky - realizovány monoliticky z Si nebo materiálů A 3 B 5 (GaAs, GaInAs, InP. GaInAsP, GaN,, SiC a.p.) Planárn rní monolitické integrované obvody: Optické vlnovody a polovodičov ové elektronické a optoelektronické součástky stky jsou realizované stejnorodými polovodičovými ovými materiály skupiny A 3 B 5 v témže e technologickém m cyklu na podložkách GaAs,, nebo InP technologií MBE, MOCVD a.p.

12 Hybridní integrovaná optoelektronika na katedře mikroelektroniky FEL ČVUT Návrh WDM triplexního planárního hybridního ho optoelectronického transcieveru

13 Technologie integrované fotoniky Výhody dielektrických materiálů Skla velmi nízký n útlum řádu 0.5 aža 1 db/cm v oblasti 0,85nm, 1300 aža 1500 nm,, specielní polymery SU 8 mají útlum 1,5 aža 2.5 db/cm. Jednodušší technologická realizace u polymerů,, nevyužívaj vající těžkých technologií. Většina polymerů má útlumová minima pro optické záření viditelné oblasti 500 aža 650 nm.. Využit ití levnější ších a technologicky jednodušší šších optických zdrojů a detektorů Polárn rní materiály mají výrazný elektrooptický jev, modulátory kupř. LiNbO 3 nebo LiTaO 3 Výhody polovodičových ových materiálů řady A 3 B 5 : ady A 3 B 5 Vysoká pohyblivost nosičů čů v polovodičích řady Nízký šum předevp edevším m pokud jde o šum kanálu FE tranzistorů Vysoká pravděpodobnost podobnost zářivých z přechodp echodů využívan vaná v optoelektronických měnim ničích

14 Technologie integrované fotoniky Použit ití technologie : SMD technologie pro prvky pracující v oblasti kmitočtů stovek MHz Hybridní tlustovrstvá a tenkovrstvá technologie pro prvky pracující v oblasti kmitočtů jednotek aža několika desítek GHz Monolitická technologie pro jednotky, desítky aža stovky GHz

15 Prvky integrované optiky h= 5 μm b= 50 μm n su = 1.59 n sio2 = 1.46 n pmm = 1.49 n si = 3.5 λ= 1550 nm a=2.3db/cm Příčný ný řez MM planárn rním optickým polymerovým ovým vlnovodem z materiálu SU 8 realizovaným na katedře e mikroelektroniky 9

16 Prvky integrované optiky Rozbočnice optického výkonu (E a = E b = 1) [ 17 ] a) Optický výkon přicházejicí z větve A, b) Optický výkon přicházejicí ve fázi z větve A a B, c) Optický výkon přicházejicí v protifázi z větve A a B

17 Prvky integrované optiky Rozložení optického výkonu ve slučovacím symetrickém členu [ 1 ]

18 Prvky integrované optiky Závislost výstupního výkonu planární rozbočnice na úhlu větvení θ [17 ]

19 Integrovaná optika Dělič s mnohavidovou interferencí [ 1 ]

20 Integrovaná optika Integrovaná optika Směrová odbočnice optického výkonu princip [ 17 ] L c je vazební délka rozbočnice k je vazební koeficient

21 Integrovaná optika Směrová odbočnice optického výkonu [ 1 ]

22 Integrovaná optika Směrová odbočnice rozložení optického výkonu [ 1 ]

23 Integrovaná optika Vlnová fázová mřížka AWG směrování vlny lit. [ 3 ] 1 - vstupní vlnovod, 2 - dělič výkonu, 3 - mřížkové pole, 4 - vlnovodné pole, 5 - refokusační oblast, 6 - výstupní vlnovody

24 Princip zm Elektrooptický jev změna indexu lomu Δn OE vlnovodné vrstvy působením m vnější šího elektrického pole E Vlastnosti: Elektro-optický optický jev (EO jev) u materiálů s anizotropními vlastnostmi (závislost mezi vektorem polarizace P a intenzitou elektrického pole E je popsána tenzorem pro ε resp. μ ) Zahrnuje Pockelsův lineárn rní jev a současn asně i Kerrův nelineárn rní jev druhé třídy Pro konstrukci modulátor torů na principu EO jevu se u běžb ěžně využívaných vaných materiálů ( GaAs, GaP,, LiNbO 3, LiTaO 3, Si) využívá Pockelsův jev, který je výraznější a negeneruje nelineárn rní produkty

25 Elektrooptický jev Princip změny elektrické permitivity Δε v závislosti na intenzitě el. pole E, kde nastává Pockelsův a současně i Kerrův jev [ 1 ]

26 Elektro-optický optický jev EO EO Elektro-optický fázový modulátor, změny Δn < 1.6 x 10-3 [ 1 ]

27 Elektro-optický optický jev Mach-Zehenderův interferometr využitý jako elektrooptický modulátor [ 1 ]

28 Elektroabsorpční jev Pásový enegetický diagram vykazující Franz-Keldyshův jev v silném el. poli Franz-Keldyshův posuv absorpční hrany GaAs s koncentrací nosičů pro n=3x10 16 cm -3 resp. n=5,3x10 16 cm -3 pro intenzitu pole 1,3x 10 5 V/cm [ ]

29 Elektro-absorp absorpční jev Elektro-absorpční modulátor - princip

30 Hybridní integrovaná optoelektronika Přímá vazba optoelektronické součástky na planární optický vlnovod, kde S je řád vidu navazovaného do planárního vlnovodu [19]

31 Hybridní integrovaná optoelektronika Pravoúhlá vazba FD přes Au zrcadlo na planární optický vlnovod [ 22]

32 Hybridní integrovaná optoelektronika a) Montáž a optická vazba flip-chip FD na optický planární vlnovod PLC HIO [ 4 ] b) Detail čipu fotodetektoru s rozměry aktivní plochy

33 Hybridní integrovaná optoelektronika Technologie výroby podložky přijímací části PLC HIO [4]

34 Hybridní integrovaná optoelektronika a) Vazba z planárn rního vlnovodu do optického vlákna přes p Braggovskou optickou mřížkum b) Závislost vazební účinnosti na vlnové délce [ 25]

35 Hybridní integrovaná optoelektronika Vazba využívaj vající neuniformní Braggovské optické mřížky [ 25]

36 Hybridní integrovaná optoelektronika SS-LD ( spot-size laser diode) laserová dioda s úhlovým konvertorem [16]

37 Hybridní integrovaná optoelektronika Příčné rozložen ení pole v úhlovém m přechodu p SS LD [ 25]

38 Hybridní integrovaná optoelektronika Technologie osazování čipu SS-LD na planární hybridní IO [16]

39 Hybridní integrovaná optoelektronika Multivlnový SS - LD vysílač jako hybridní optoelektronický IO [16]

40 Hybridní integrovaná optoelektronika SS SOA ( spot-size SOA ) polovodičový planární optický zesilovač [16]

41 Hybridní integrovaná optoelektronika Závislost zesílení SS-SOA na injekovaném proudu [16]

42 Hybridní integrovaná optoelektronika Rozložení optického výkonu SS SOA [16]

43 Hybridní integrovaná optoelektronika WG FD ( Waveguid- fotodetector) vlnovodný fotodetektor pro hybridní planární OE přijímač [16]

44 Hybridní integrovaná optoelektronika Hybridní optoelektronický planární modul pro sítě FTTH - PON

45 Hybridní integrovaná optoelektronika Hybridní polymerový optoelektronický planární modul pro sítě FTTH PON [ 21 ]

46 Hybridní integrovaná optoelektronika Optický časový multiplexer pro OTDM [ 16 ]

47 Monolitická integrovaná optoelektronika Přeladitelný WDM laserový vysilač s EA modulátorem od fy. Agility Com. [ 18 ]

48 Monolitická integrovaná optoelektronika Charakteristiky WDM laserového vysilače s EA modulátorem [ 18 ]

49 Monolitická integrovaná optoelektronika Schematické provedení MFL MFL multifrekvenční laser pro WDM lit. [ 2 ]

50 Monolitická integrovaná optoelektronika Optické spektrum MFL [ 2 ]

51 Monolitická integrovaná optoelektronika WG FD ( Waveguid- fotodetector) vlnovodný fotodetektor pro planární OE přijímač [ 17 ]

52 Monolitická integrovaná optoelektronika Nárys a řez strukturou integrovaného transcieveru 40 Gb/s [23]

53 Monolitická integrovaná optoelektronika Optický polovodičový zesilovač SOA s QW tečkami v aktivní oblasti [24]

54 Monolitická integrovaná optoelektronika Závislost zisku, saturačního optického výkonu a šumu SOA QW na vlnové délce [23]

55 Literatura [1 ]j.čtyroký:součástky pro distribuci a ovládání optického svazku, přednášky FEL ČVUT, Praha, 2007 [ 2 ] IEEE Communications Magazine, vol.36, N 12, 1998 [ 3 ] IEE Electronics Communication Journal, vol.5, 2000 [ 4 ] T.Y.Han at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.24, No. 12, 2006, p [ 5 ] J.Gowar : Optical Communication Systems, Prentice-Hall International,, London, 1984 [ 6 ] L.B.Jeunhomme : Single Mode Fiber Optics,, Marcel Dekker, inc., NewYork,, 1990 [7 ]K.Novotný: Optickákomunikační technika, ČVUT, Praha, 1998 [ 8 ] Optical Fiber Telecommunications II, Academic Press,Inc., London, 1988 [ 9 ] Technická dokumentace DSC, Danmark, 1994 [ 10 ] Technická zpráva Tesla VÚST, Praha, 1989 [ 11 ] IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.49, N 10, 2001,p.1921 [ 12 ] H.Hatakeyama Hatakeyama : IEEE J. of Selected Topics in QE, N 6, 2002, p [ 13 ] T.Kasamatsu,Y.Yano: IEEE J. of Lightwave Technology, vol.20,n 1, 2002, p [14]M.Potenza: IEEE Communications Magazine,, vol.34, N 82, 1996, p [ 15 ] S.Saito, T.Kimura at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.21, N 1, 2003, p [ 16 ] K.Kato at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p.4-13 [ 15 ] A.E.Willner: IEEE Spectrum, April 1997, p [ 16 ] P.Toliver, I.Glesk at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.16, No. 12, 1998, p [ 17 ] H.Nishihara at all.: Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1989 [ 18 J.Hansryd. P.A.Anderson: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, N 4, 2002,p [ 19 ] T.Hashimoto at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.16, No. 7, 1998, p [ 20 ] R.Vagarajan at all.: IEEE LEOS News, vol.21, No. 3, 1998, p.4 [ 21 ]W.Reden at all.: Lightwave Europe,, Q 3, 2007, p [ 22 ] T.Y.Han at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.24, No. 12, 2006, p [ 23 ] J.W.Raring, L.A.Coldren : IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 13, No. 1, 2007, p.3-14 [ 24 ] T.Akiyama at all.: IEEE LEOS News, vol.20, No. 1, 2006, p [ 25 ] L.Zimmerman at all.: IEEE LEOS News, vol.22, No. 6, 2008, p.4-14 [ 26 ] A.Brillant : Digital and AnalogCoomunications for CATV and FTTx Application,J.Wiley, Washington,2008