Výzkum vybraných optoelektronických a optických integrovaných struktur pro informatiku

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČEÍ TECHICKÉ V PRAZE Výzkum vybrných optoelektronických optických interovných struktur pro informtiku HABILITAČÍ PRÁCE Prh 0 In. Vítězslv Jeřábek, CSc i

2 AOTACE Tto práce pojednává o výsledcích výzkumu týkjícího se návrhu, příprvy měření interovných hybridních struktur mikrooptických plnárních optoelektronických optických interovných obvodů vyuţívjících plnárních dielektrických polymerových optických vlnovodů dlších prvků. Práce se změřuje n struktury přenosového typu jko jsou optoelektronické vícevlnné (Wvelenth Devided Multiplex - WDM) přijímče trnscievery. Předmětem této práce jsou tké výsledky výzkumu nových technoloií, určených pro polymerové interovné struktury, vybrných opticky ktivních polymerových mteriálů. Úvodní část hbilitční práce je věnován historickému přehledu vývoje interovné optoelektroniky optiky, vymezení pojmu interovného optoelektronického obvodu součsnému stvu výzkumu, včetně rozboru pouţívných typů mteriálů technoloií pro hybridní optoelektronické interovné obvody. Témtem první části práce je vedle přehledu stvu výzkumu v oblsti hybridních optoelektronických interovných struktur přenosového typu, tké návrh mikrooptického hybridního WDM trnsceiveru následně relizce měření jeho přijímcí části, která byl vytvořen jko smosttný hybridní optoelektronický interovný obvod WDM přijímče. Obě hybridní interovné součástky byly nvrţeny n ktedře mikroelektroniky s vyuţitím komponent mikrooptiky jejich topoloie byl ptentován. Předmětem práce je tké návrh plnárního řešení obou výše uvedených obvodů s vyuţitím optických polymeroních vlnovodů dlších vybrných komponent plnární interovné fotoniky. V dlší, technoloické části práce, jsou vedle součsného stvu techniky uvedeny nové výsledky ovlivňování indexu lomu polymerních mteriálů pomocí elektrického pole při zvýšení teploty prostorového profilování tenkých polymerních vrstev působením lserového záření, n kterých se utor podílel, jejich vyuţití pro relizci struktur interovné optiky nnooptiky. Tto část zhrnuje tké výsledky z oblsti výzkumu opticky ktivních polymerových mteriálů pro optické zesilovče. Jsou zde uvedeny výsledky měření trnsmisních fotoluminiscenšních spekter těchto mteriálů, dotovných opticky ktivními ionty příměsí. V závěrečné části práce je uvedeno zhodnocení moţnosti vyuţití výsledků práce. Práce je doplněn seznmem publikovných prcí utor, souvisejících s témtem hbilitční práce. ii

3 OBSAH. Úvod - historie součsný stv oboru. Cíle práce pouţité metody 3. Hybridní interovné optoelektronické struktury přenosového typu 3. Součsný stv vývoj problemtiky 3.. Technoloie hybridních interovných struktur přenosového typu 3.. ávrh hybridních interovných struktur přenosového typu 3. Výsledky vlstních prcí utor resp. prcí s účstí utor 3.. Mikrooptický hybridní interovný WDM trnsceiver 3... Topoloický technoloický návrh přijímcí části WDM trnsceiveru Relizce měření přijímcí části WDM trnsceiveru Bistbilní lserová diod pro vysílcí část WDM trnsceiveru Lineární elektrický model bistbilní lserové diody 3.. Plnární hybridní interovný WDM trnsceiver 4. Vybrné polymerní mteriály struktury interovné optiky 4.. Součsný stv vývoj problemtiky 4.. Vybrné optické polymerní mteriály pro interovnou optiku 4.. Vybrné opticky ktivní polymerové mteriály 4..3 Optické polymerní plnární struktury interovné optiky pro informtiku 4. Výsledky vlstních prcí utor resp. prcí s účstí utor 4.. Optické polymerní plnární struktury n Ktedře mikroelektroniky 4.. Technoloie ovlivňování indexu lomu povrchové morfoloie struktur z Polymetylmetkrylátu působením teploty elektrického pole Výzkum spektrálních vlstností vybrných polymerových mteriálů dotovných opticky ktivními ionty vzácných zemin, bizmutu yttri 4..4 ávrh relizce vybrných typů optických polymerních plnárních vlnovodů iii

4 4..5 ávrh vybrné polymerní plnárních triplexní struktury 4..6 ávrh relizce vybrných typů polymerních plnárních Brovských mříţek vlnovodných filtrů 5. Závěry moţnosti vyuţití výsledků 6. Seznm prácí utor 7. Řešné rnty výzkumné záměry 8. Práce se vzthem k řešené problemtice 9. Přílohy 9.. Příloh A Porovnání hodnot Judd-Ofeltových koeficientů t příčných průřezů bs emt pro vybrné typy skel, lithiumniobtu polymeru ER. 9.. Příloh B Odvození vzthů pro výpočet tloušťky vrstev pláště pro optický plnární vlnovod. 9.3 Příloh C Odvození vzthu mezi záznějovou interferenční vzdáleností pro konstruktivní restriktivní interferenci Příloh D Výpočet mříţkových konstnt vyzřovcích úhlů u vlnovodných mříţek Příloh E Vlstnosti objemové Brovské holorfické mříţky 9.6. Příloh F ávrh mikrooptické kolimovné zobrzovcí soustvy WDM přijímče resp. WDM trnsceiveru 9.7 Příloh G Optimlizce šířky pásm mikrovlnného optoelektronického přijímče 9.8. Příloh H Modelování vlstností bistbilní lserové diody (BLD) n zákldě řešení rychlostních rovnic iv

5 Seznm pouţitých zkrtek BLD CWDM DH EO ER FP LD HIO HIOS IO OE PD PI PD PMMA RIE LD LED LO MMI MUX/DEMUX IR O SH VHG OTDM OPIO POIO VHGT VIR W-A chrkteristik WDM bistbilní lserová diod řídký vlnový multiplex dvojitá heterostruktur elektrický náhrdní obvod epoxy novolk resin SU8 Fbry-Perotov lserová diod hybridní interovný obvod hybridní optoelektronický interovný obvod interovný obvod optoelektronický fotodiod pin fotodiod polymethylmetkrylát rektivní iontové leptání lserová diod elektroluminiscenční diod lineární náhrdní obvod multimódová interference multiplexně/demultiplexní blízké infrčervené záření nelineární náhrdní obvod jednoduchá heterostruktur objemová holorfická mříţk optický čsově dělený multiplex optické polymerní interovné obvody plnární optoelektronický interovný obvod objemový holorfický mříţkový triplexer viditelné záření wtt-mpérová chrkteristik vlnově dělený multiplex v

6 . ÚVOD HISTORIE A SOUČASÝ STAV OBORU ový obor, který se objevil v rozmezí posledních tří desítek let, je obor interovné optoelektroniky. V rámci oboru interovné optoelektroniky vznikjí hybridní monolitické struktury optických, optoelektronických elektronických součástek interovných n jediné podloţce. Špičkové interovné optoelektronické obvody vznikjící n předních světových prcovištích interují jiţ stovky optických optoelektronických prvků n jedné podloţce mohou prcovt informční rychlostí stovek ibitů ţ jednotek terbitů z sekundu []. Plnární optické optoelektronické interovné obvody je moţné konstruovt kombincí psivních komponent interce, jko jsou optické vlnovody, optické vlnové výkonové děliče, optické filtry, modulátory pod. ktivních komponent jko jsou lserové diody, optické zesilovče, optické přepínče, fotodiody, vlnové čsové multiplexory pod. n jedné podloţce. Tyto prvky jsou technoloicky topoloicky přizpůsobeny pro vyuţití v plnárních fotonických interovných obvodech. Plnární interce nese s sebou výhody jko je zmenšení rozměrů, zlepšení dynmiky, sníţení ceny zvýšení spolehlivosti td. Počátek rozvoje nového oboru interovné optiky lze spojit s dtem vydání známé publikce S.E. Miller z Bell lbortories: Interted Optics An Introduction v roce 969 [], vymezující podmínky vzniku nového oboru interovné optiky popisující řdu struktur interovné optiky jko je plnární optický vlnovod, vlnovodový filtr, elektrooptický plnární modulátor dlší. V té době výzkumníci z Bell lbortories vedení S.E. Millerem prcovli n výzkumu prvků struktur pro mikrovlnné telekomunikční plikce. Hlvní mteriály vyuţívné pro konstrukci těchto struktur Si/SiO, SiO dotovné Ge nebo P tké ornický polymethylmethkrylát (PMMA) [3], kde motivy plnární struktury byly vytvořeny UV litorfií. Pro modulátory se vyuţívlo polárního LibO 3 s difusí Ti [4]. V roce 97 pk byl pořádán první konres o interovné optice ve Spojených státech v Slt Lke City. První plnární optoelektronické interovné obvody (POIO) byly vyrobeny technoloií monolitické interce n mteriálech skupiny A 3 B 5, především GAs/GAlAs pro vlnové délky nm. Jejich vnitřní uspořádání většinou vyuţívlo především interce v elektrické doméně, tedy struktury postrádly plnární optické interovné prvky. Jedním z prvních byl interovný obvod slučujícího lserovou diodu (LD) Gunnův oscilátor n jedné podloţce, prcující jko modulovný optoelektronický vysílč v roce 978 [5]. V dlších letech byly nvrţeny relizovány dlší monolitické POIO struktury přenosového typu jko optoelektronické vysílče (OE vysílče), nebo optoelektronické přijímče (OE přijímče). Vysílče pouţívly polovodičové lsery GAs/GAlAs s jednoduchou heterostrukturu (SH) nebo dvojitou heterostrukturu (DH), kde čerpcí injekční proud byl vymezen vymskovnou isolční vrstvou, nebo znořenou heterostrukturu (BH - buried heterostructure) s lterárním vymezením čerpcího proudu závěrně polrizovným P přechodem. Heterostrukturní LD byly sloučené n jedné semiizolční GAs podloţce s MES FE nebo HB trnzistory [6]. U monolitických POIO přijímčů byl fotodiod (FD) z důvodu technoloické komptibility relizován jko PI fotodiod s JFE trnzistorem nebo MSM FD s MES FE trnzistorem [7]. Byly rovněţ nvrţeny relizovány optoelektronické opkovče, slučující n jedné podloţce POIO vysílče i přijímče [8]. ěkdy bylo pro fotodetekci vyuţito knálu vstupního MES FE trnzistoru [9]. Toto řešení všk není výhodné z důvodu nízké responsivity horších dynmických vlstností, neţ řešení s

7 odděleným fotodetektorem. Jedním z prvních POIO interujícím větší počet GAs trnzistorů n jedné podloţce byl obvod obshující 36 GAs hrdel tvořících multiplexer 4: s výkonovým FE trnzistorem jko injekčním modulátorem pro GAs/GAlAs LD typu TJS (trnsversl junction stripe), jko čtyřknálový diitální ibitový vysílč [0]. O několik let později pk byly relizovány rovněţ POIO vysílčů přijímčů pro vlnové pásmo,3 ţ,55 m relizovné monolitickou technoloií z kvternárních mteriálů InP/ InGAsP, vytvořené n semi-isolčním InP [,]. Tyto monolitické struktury byly relizovány kplnou (LPE) nebo molekulovou epitxí (MBE), výjimečně tké plynnou epitxí (MOCVD). Byly rozprcovány dvě koncepce členění vrstev POIO - vertikální horizontálního. Výhody vertikálního řešení tkví především v krátkých tenkých propojovcích vrstvách z toho plynoucích dobrých dynmických vlstnostech POIO [3]. Horizontální koncepce je technoloicky jednodušší umoţňuje interci více komponent n jediném substrátu, coţ tké vedlo k jejímu většímu rozšíření [4,5]. Vedle monolitických polovodičových POIO se s mírným zpoţděním objevily i první hybridní polovodičové POIO. Tyto struktury slučují komponenty z různých mteriálů vyrobené v oddělených technoloických cyklech n jedné podloţce. Příkldem můţe být OE vysílč obshující GAs/GAlAs LD relizovnou n semi-isolčním Si substrátu [6]. Hybridní struktury n rozdíl od monolitických umoţňují optimlizovt vlstnosti kţdé optické, optoelektronické přípdně optické součástky individuelně před tím, neţ je umístěn do společného interovného obvodu. Součsně tké mohou vyuţít širokého výběru stndrdních křemíkových interovných obvodů pro podporu optoelektronických interovných prvků. rozdíl od monolitických POIO mjí hybridní obvody výhodu v niţší cenové náročnosti technoloie výroby, která vyuţívá tenkovrstvých, nebo tlustovrstvých interčních technoloií, uţívných u mikrovlnných elektronických interovných obvodů. Optická části POIO byl redukován pouze n optické vlákno s optickým konektorem mikrooptickou sestvou, zjišťující optickou vzbu mezi optoelektronickým prvkem optickým vláknem. Tto soustv, obshující řdu mikromechnických prvků mikročoček je především u OE vysílčů náročná n teplotní stbilitu montáţe přesnost oszení optického vlákn, která můţe doshovt ţ jednotek mikrometrů [7,8]. Předním prcovištěm při návrhu relizci POIO přenosového typu byl v ČR Výzkumný ústv pro sdělovcí techniku (Tesl VÚST), kde vznikly v rámci řešení státních úkolů první hybridní POIO typu optoelektronický vysílč přijímč pro mikrovlnné pásmo modulčních kmitočtů, pod vedením utor této hbilitční práce. POIO byly nvrhovány profesionálními návrhovými prormy SIC SPACE pro návrh elektrických interovných obvodů. Pro tyto prormy pk byly vytvořeny elektrické náhrdní modely optoelektronických elektronických součástek z produkce Tesl VÚST. POIO byly relizovány jko mikrovlnné tlustovrstvové hybridní interovné obvody (HIO), kde substrátem byl hrubozrnný nebo hlzený korund motivy byly vytvořeny buď A pstou n Cr-i vrstvu nnesenou sítotiskem, která se pk vyplovl při teplotách 00 ţ 800 C, nebo npřením A nebo Au vrstvy n vymskovný motiv. Optoelektronické elektronické součástky prcovly ve vlnovém pásmu 800 ţ 850 nm byly z produkce Tesl VÚST. Šlo kupříkldu o DH lserové diody GAs/GAlAs, MSM fotodetektory MES FE trnzistory n GAs. Byly odzkoušeny i některé komponenty z SVŠT Brtislv (PI fotodetektory,3 m), Ústvu rdiotechniky elektroniky (ÚRE) bývlé ČSAV (LD pro pásmo,3 m) tké v rámci zhrničních koopercí s IT Berlín, ZWT Vršv (Si PI FD

8 lvinové FD pro pásmo 850 nm) nebo z výzkumného centr v Zelenordu u Moskvy (GAs loické obvody). Výsledky byly shrnuty ve výzkumných zprávách Tesl VÚST [A49] ţ [A53] byly tké publikovány v odborných čsopisech [A54] ţ [A57] n odborných konferencích [A59] ţ [A68]. Tyto HIO OE vysílče OE přijímče pk byly dodáváný do výzkumných prcovišť center (ÚFE ČAV, Zelenord u Moskvy.p.) byly mimo jiné vyuţity v telekomunikčním přenosovém systému TOM (televizní optický multiplex), který byl relizován nszen firmou Dttel.s. n optické metropolitní síti Metroet v Prze. Tento systém ještě v součsné době prcuje v rámci zjištění přenosu víceknálového FM televizního sinálu mezi úřdem vlády sněmovnou ČR dlšími prcovišti státní správy [A57]. Součsný výzkum v oboru interovné optoelektroniky se zbývá jk POIO pro informtiku, tk strukturmi prcujícími v oboru robotiky, senzoriky, lékřství v dlších oborech. V oblsti informtiky telekomunikcí výzkum vývoj POIO zhrnuje struktury přenosového přepojovcího typu prcující ve WDM (wvelenth devided multiplex) nebo OTDM (opticl time divided multiplex) informčních systémech, které přenáší sdruţená dt mezi uzly informční sítě nebo zjišťují směrování přepojování dt (optický processin) v uzlech informčních sítí. Rychlost nárůstu přenosové kpcity optických informčních systémů WDM DWDM oszených strukturmi s POIO dokumentuje rf n obr... Z rfu vyplývá, ţe součsné DWDM interovné polovodičové optoelektronické vysílče přijímče relizovné monolitickými technoloiemi n InP jsou schopné přenášet dt celkovou sdruţenou informční rychlostí 00 Gb/s ţ,6 Tb/s. POIO vyuţívjí intenzitních elektrobsorpčních modulátorů, nebo fázových modulátorů s Mch- Zehenderovými interferometry. Tyto POIO sdruţují 0 ţ 40 DWDM vysílčů přijímčů s bitovou rychlostí 0 ţ 40Gb/s n jednom POIO [9]. Vedle těchto monolitických POIO byly vyvinuty tké hybridní OE vysílče, prcující bitovou rychlostí ţ 00 Gb/s, které vyuţívjí Si CMOS modulátory interovné s InP OE vysílči [0]. Obr.. Vývoj informční kpcity optoelektronických IO n InP [] Ve stádiu lbortorního výzkumu prvních prktických ověřovcích zkoušek jsou interovné struktury pro vysokorychlostní systémy prcující s čsovým 3

9 multiplexováním OTDM. Tyto systémy pouţívjí optické přepínání, vyuţívjící POIO s optickými interferometry umoţňují tedy zprcovávt pouze optickou informci bez přídvné konverze do elektrické domény. POIO jsou vyuţívány jk v multiplexních systémech s optickou intenzitní modulcí, tk v optických systémech homodynních nebo heterodynních []. Chronoloický přehled vývoje význmných WDM struktur POIO v období let 969 ţ 007 ukzuje obr... Obr.. Přehled čsového vývoje význmných WDM struktur POIO pro informtiku v letech 969 ţ 007 []. Z obrázku. lze odvodit tyto závěry: - v počátcích rozvoje oboru interovné optoelektroniky se topoloie POIO omezovl n hybridní nebo monolitickou interrci elektrických optoelektronických prvků n jedné podloţce. Vývoj těchto obvodů relizovných hybridní technoloií interce probíhl i v Tesl VÚST v rámci řešení státních rozvojových prormů. - kvlittivně nové optoelektronické prvky, které rozvinuly funkčnost POIO, byly vytvořeny koncem osmdesátých počátkem devdesátých letech, kde Brov optická mříţk byl interován přímo do ktivní vrstvy lserové struktury, coţ vedlo k význmnému zůţení spektrální čáry enerovného záření. Zvedením záření bsorbující oblsti přímo do ktivní vrstvy LD, bylo moţno porušit stbilitu vyzřování LD relizovt kvntový enerátor velmi úzkých optických impulsů n principu Q spínání, nebo v mlé míře přelďovt vlnovou délku záření LD. - V druhé polovině devdesátých let byl plikován v POIO fázová optická mříţk AWG (rryed wveuide rtin). Tento prvek vzhledem ke své velké spektrální selektivitě byl vyuţitelný pro vlnové multiplexní systémy WDM to nejen WDM vysílče přijímče, le i struktury přepojovcí, jko jsou optické čsové multiplexory OADM (opticl dd-drop multiplexer) optické multiportové přepínče OXC (opticl cross-conect). 4

10 Stupeň interce POIO se neustále zvyšuje od jednotlivých optoelektronických elektronických prvků po součsné DWDM OE vysílče přijímče, které obshují jiţ stovky prvků desítky subsystémů. Stále je všk výrzně niţší neţ u elektronických interovných obvodů. Litertur [] uvádí, ţe rozdíl v hustotě interce je 0 7, viz obr..3. Obr..3 Porovnání CMOS interovné elektroniky optoelektroniky []. Důvody tohoto opoţdění postupu interce plnárních optických optoelektronických obvodů vůči elektronickým interovným obvodům jsou: - Aktivní prvky interovné optoelektroniky jsou zloţeny n heterostrukturních strukturách ze směsných binárních, ternárních kvternárních polovodičů skupiny A 3 B 5, které mjí náročnější technoloii výroby. - Rozměry optoelektronických obvodů jsou určovány limity vedení záření dné rozměry optických vlnovodů. (V dnešní době v oblsti nnofotoniky jiţ nrušené nnofotonickými dráty) - Optoelektronické IO vyţdují pro svoji funkci mnohem širší spektrum návrhově technoloicky komplikovných optických optoelektronických prvků. - Aplikce vyţdují vedle vysokého stupně interce tké nízkou cenu, coţ při náročnosti technoloií optoelektronických IO je problemtické. Význmným krokem v technoloii plnárních optických optoelektronických interovných obvodů je postupné zvádění polymerních mteriálů. Tto myšlenk není nová, neboť jiţ v Bellových lbortořích v dobách vzniku oboru interovné optiky byly tyto mteriály pouţívány [3]. Po určité přestávce se pk od zčátku devdesátých let opět objevily nejdříve polymerní vlnovody [3], [4], [8] následně i optické interovné obvody s interferenčními filtry optickými mříţkmi [6] ktivní polymerní přepíncí struktury typu OADM (opticl dd-drop multiplexor) [5]. Po několik letech se objevují i optoelektronické hybridní interovné obvody, které slučují plnární optické interovné struktury relizovné z různých polymerních mteriálů s polovodičovými optoelektronickými prvky [7]. 5

11 Optoelektronické prvky relizovné z polymerních mteriálů ztím jejich msovější nszení v informtice nedoshují především pokud jde o dynmické vlstnosti dlouhodobou stbilitu jejich prmetrů. Polymerní mteriály mjí mnoho výhod oproti mteriálům dielektrickým nebo polovodičovým. Jde především o jednodušší nnášení vrstev, u fotorezistivních mteriálů tké jednodušší litorfický proces při relizci optických interovných obvodů, vyšší odolnost vůči mechnickému nmáhání, niţší cenu pod. Zákldním cílem této práce je poskytnout souhrnné podkldy i podrobnější pozntky o stvu výzkumu POIO n Ktedře mikroelektroniky n FEL ČVUT v Prze, metodách návrhu, relizce vlstnostech těchto struktur. Tyto vlstnosti jsou ověřeny měřením OE přijímcí části vybrného POIO - WDM trnsceiveru. V dlší části práce se zbýváme upltněním polymerů pří návrhu optické části WDM trnsceiveru, jko polymerního plnárního optického interovného obvodu. Tto část práce je věnován návrhu, simulcím měřením vybrných polymerových plnárních struktur interovné optiky, které lze vyuţít při konstrukci optické části WDM trnsceiveru, jko jsou plnární vlnovody, nový typ triplexního členu vlnovodné filtry, vyuţívjící Brovských mříţek, relizovných novou technoloií vyvinutou n VŠCHT. V druhé technoloické části práce uvádíme nové pozntky při ovlivňování indexu lomu prostorového tvrování vybrných polymerů elektrickým polem, teplotou soustředěným lserovým svzkem, které vedeou n moţnosti relizce optických nnovlnovodů nnomříţek. Tyto práce byly relizovány v úzké spolupráci s Ústvem inţenýrství pevných látek VŠCHT. Třetí část práce se věnuje výzkumu v oblsti optické ktivity vybrných polymerních mteriálů, dotovných vzácnými zeminmi (Er, Yb, Dy, Ce), dále Bi, Y studiem bsorpčních fotoluminiscenčních spekter těchto mteriálů. 6

12 . CÍLE PRÁCE A POUŢITÉ METODY Jk vyplývá z úvodu kp. má výzkum optických optoelektronických interovných obvodů pro informtiku poměrně dlouhou historii neustále se rozvíjí. Rovněţ je zřejmé, ţe pokud jde o polovodičové dielektrické optické optoelektronické interovné struktury, které jsou relizovány monolitickými, nebo hybridními technoloiemi, byl výzkum jiţ přiveden do stádi plikcí. Výzkum interovných optoelektronických obvodů je úzce svázán s rozvojem optických interovných obvodů. Oblst, která v součsné době přithuje velkou pozornost, je vyuţití polymerních mteriálů pro relizci optických interovných obvodů. Zde se ukzuje moţnost vyuţití těchto polymerních optických interovných struktur pro hybridní optoelektronické interovné obvody. Výzkumné práce relizovné v minulách letech n Ktedře mikroelektroniky v oblsti optických optoelektronických interovných obvodů se soustřeďovly n návrh technoloie, topoloie, relizci měření plnárních dielektrických vlnovodů vlnovodů s dotcí opticky ktivními ionty vzácných zemin pro optické zesilovče. Výzkum pod vedením Doc. Schröfel byl orientován především n technoloie zhotovení knálkových difuzních vlnovodů n specielních sklech výměnnou iontů + z ionty A +, Li + K +, dále vlnovodů n bázi LibO 3 s difuzí Ti, nebo protonovou výměnnou, využitím různých ornických sloučenin. Dále se výzkum změřovl tké n ktivní dotce výše uvedených dielektrických mteriálů ionty vzácných zemin, hlvně Er 3+ Yb 3+ []. vzující výzkumné práce jsou změřeny do oblsti návrhu topoloie, technoloie příprvy polymerových optických vlnovodů komponent interovné optiky. V rámci těchto prcí jsou rozprcovány metody nvrhu relizce vlnovodných, větvených mřížkových polymerních struktur interovné optiky. těchto prcích úzce spoluprcujeme s VŠCHT kolektivem doc. Hüttel z Ústvu inženýrství pevných látek. Součsně je rozvíjen nový směr výzkumu vybrných mikrooptických plnárních hybridních optoelektronických interovných obvodů, kde předpokládáme vyuţití prvků interovné polymerové optiky. Práce sleduje tyto obecné cíle: ) Zhodnotit dosvdní výsledky výzkumu vývoje vybrných mteriálů struktur v oblsti interovné optoelektroniky optiky relizovné skupinou optoelektroniky n Ktedře mikroelektroniky FEL ČVUT v Prze n spoluprcujícím prcovišti z Ústvu inţenýrství pevných látek z VŠCHT. ) Provést topoloický technoloický návrh nového optoelektronického hybridního interovného obvodu přenosového typu - WDM trnsceiveru, s objemovým MUX/DEMUX mikrooptickým prvkem pro oblst vlnových délek druhého třetího pásm 300 ţ 550 nm informčních systémů. ávrh ověřit postupnou relizcí OE přijímcí následně OE vysílcí části, měřením přenosových, dynmických šumových chrkteristik. Zhodnotit moţnosti náhrdy mikrooptického MUX/DEMUX prvku plnárním obvodem interovné optiky. 3) Prezentovt výsledky prcí v oblsti topoloického technoloického návrhu, příprvy měření vlstností součástek interovné optiky vyuţívjících optických polymerových vlnovodů optických vlnovodných Brovských 7

13 filtrů, n polymethylmethkrylátu (PMMA), polymethylmethcrylimidu (PMMI) epoxy novolk resinu SU-8 (ER). 4) Předstvit nové fyzikální metody elektrického tepelného tvrování polymerů elektrickým polem lserovým svzkem, směřující k relizci nnovlnovodů Brovských nnomříţek, které vznikly ve spolupráci s VŠCHT. 5) Prezentovt výsledky prcí v oblsti měření bsorpčních fotoluminiscenčních spekter ktivních optických polymerových mteriálů PMMA ER, dotovných opticky ktivními ionty vybrných vzácných zemin (Er 3+, Er 3+ /Yb 3+, Dy 3+, Ce 3+ ) tké yttri (Y) bizmutu (Bi), s ohledem n vyuţití těchto mteriálů pro optické vlnovodové zesilovče v pásmu vlnových délek 300 ţ 550 nm. 6) Predikovt dlší moţnosti pokrčování výzkumu struktur hybridní interovné optoelektroniky interovné optiky n ktedře mikroelektroniky moţnosti spolupráce s dlšími prcovišti. Pro nplnění záměrů dosţení cílů byl pouţit řd postupů činností. Z nejdůleţitější lze povţovt: ) Trnsformce výsledků teoretické nlýzy simulcí uvţovných typů psivních ktivních optických optoelektronických interovných struktur do formy vhodné pro návrh určení topoloických technoloických prmetrů POIO. ) ávrh spolupráce při příprvě vhodných součástek, mteriálů technoloie pro relizci nových optických optoelektronických interovných struktur. 3) ávrh nebo dptce vybrných měřících dinostických metod pro stnovení zákldních prmetrů chrkteristik těchto struktur. 4) Anlýz měřených optických elektrických prmetrů chrkteristik pro optimlizci vlstností relizovných POIO technoloických postupů. 8

14 3. HYBRIDÍ ITEGROVAÉ OPTOELEKTROICKÉ OBVODY PŘEOSOVÉHO TYPU Výzkumné práce v oboru interovné optoelektroniky byly vedeny snhou výzkumného kolektivu nvázt rozvinout práce z oboru interovné optiky, které historicky i v součsné době skupin optoelektroniky řešil řeší. Jde o výzkum plnárních psivních i ktivních optických vlnovodů interovných struktur, to jk n dielektrických, tk n polymerních mteriálech. Výše uvedené plnární optické interovné struktury lze pk vyuţít v hybridních interovných optoelektronických obvodech. Tento výzkum byl podporován finnčními prostředky z udělených rntů [G], [G3] rovněţ finnčními prostředky z výzkumného záměru [G], n kterých skupin optoelektroniky prcovl pod vedením utor. Vyuţití hybridní technoloie interce optických optoelektronických součástek přináší znčné technické i ekonomické výhody. jednom interovném obvodu lze kombinovt součástky, vzniklé v různých technoloických cyklech, coţ přináší znčné zjednodušení návrhu technoloického postupu relizce těchto struktůr. Při relizci interovného obvodu se pk orientujeme n hotové součástky od špičkových světových výrobců. Tím je moţné se vyhnout vyuţití tzv. těţkých technoloií monolitické interce jko npříkld epitxi molekulovým svzkem (MBE), plynou epitxi z ornikovu (MOCVD), kplnou epitxi (LPE) podobně, le topoloii optického nebo elektrického obvodu lze deponovt n zákldní substrátové destičce při vyuţití tzv. lehkých technoloií, jko jsou různé fyzikální chemické techniky npřování, npršování nebo CVD s následným vyuţitím různých leptcích postupů, jko je rektivní iontové leptání (RIE), lserová blce.p. 3. Součsný stv vývoj problemtiky 3.. Technoloie hybridních interovných struktur přenosového typu Hybridní optoelektronické interovné struktury přenosového typu (HOIS) byly zkoumány jiţ od počátků budování oboru interovné optoelektroniky ve světě v ČR. Jejich vývoj je spojen s pokroky v technice interce, s vývojem nových součástek pro interci tké nových metod návrhu HOIS viz kp Klsické metody příprvy HOIS vyuţívjí interci pouze elektrických optoelektronických částí v rámci tenkovrstvé, tlustovrstvé nebo SMD (surfce mounted devices) technoloie [9]. Tto způsob příprvy je pouţíván tké v elektrických mikrovlnných interovných obvodech, uprven pro poţdvky optoelektronických optických součástek. Polovodičové součástky jsou umístěny do miniturních pouzder pro plošnou montáţ, nebo polopouzder, která při oszování obvodu umoţňují minimlizovt propojovcí przitní indukčnosti kpcity součástky. U HOIS pro vysoké kmitočty jsou součástky oszovány přímo v čipové formě do HOIS. Tyto technoloie jsou vyuţívány od stovek mehertzů ţ do jednotek ihertzů [30]. Zákldní optoelekronické prvky HOIS přenosového typu, jko jsou polovodičové PI nebo lvinové fotodiody (PD), polovodičové lserové diody (LD) nebo polovodičová komunikční elektroluminiscenční diody (LED), které nejsou technoloicky přizpůsobeny pro plnární montáţ, jsou montovány do polopouzder tk, by jejich 9

15 opticky ktivní plochy umoţňovly nvázání čelní vzbou (end-butt couplin) n optické monomódové nebo multimódové křemenné vlákno nebo fsetu plnárního optického vlnovodu. Pro optimlizci vzby je v tomto přípdě polopouzdro s optoelektronickým prvkem nutno osdit do dráţky tk, by došlo ke srovnání optických os plnárního vlnovodu optoelektronické součástky. Optoelektronické prvky jsou relizovány monolitickými technoloiemi n polovodičích řdy A 3 B 5, n křemíku nebo ermniu technoloicky optimlizovány pro příslušné. ţ 3. vlnové pásmo informčních systémů v rozshu vlnových délek 800 ţ 550 nm. Pro vytvoření elektrické části HIOS je u tlustovrstvových hybridních interovných obvodů vyuţíván sítotisk s následným vypékáním Au nebo A psty teplotmi 300 ţ 800 o C. Stejným způsobem při zjištění soutisku jsou vytvořeny odpory, rovněţ z pstmi odpory z kovových mteriálů Cr, Ti, icr.p. U tenkovrstvových hybridních interovných obvodů jsou motivy relizovny npřováním, nebo npršování Au, A přes msku. Výsledkem je pk elektrická propojovcí síť, která se osdí optoelektronickými elektrickými součástkmi, pokud nejsou součástí vlstního motivu, jko tištěné odpory kondenzátory. Substrátovou destičkou bývá hrubozrnný, nebo hlzený korund, křemík, nebo při zvláštních poţdvcích n odvod tepl z obvodu beriliová kermik. Pro méně náročné plikce se pouţívá v hybridních interovných obvodech technoloie povrchové montáţe (SMD), kde subtrátem je plátovná desk nízkoztrátového kompozitu vyrobená z pryskyřice s plnivem, kterým můţe být kupř. korund. Plátovcí kov je nejčstěji Cu, které se následně pro zvýšení vodivosti povrchové stálosti pokryje několik mikronovou vrstvičkou Au nebo A. Montáţ čipů optoelektronických elektronických součástek je proveden letováním, nebo lepením n korundovém, kermickém nebo Cu nosníčku pokoveném několik mikronovou vrstvičkou Au. Fixce je zjištěn letováním kdmiovými nebo indiovými nízkotvnými pájkmi nebo jedno ţ dvousloţkovými epitelovými lepidly. Jednosloţkové epoteky je nutné pro ztuhnutí fixovného míst vypéci teplotou 0 ţ 50 C. Dvousloţkové epoteky je moţné pouze vysušit při niţších teplotách 60 ţ 80 C tím lze tepelný šok fixovného čipu při vypékání sníţit, coţ je vhodné především pro LD. Optická část HIOS je redukován n optické vlákno s optickým konektorem, oszené metlickými (kovrovými) trubičkmi průchodkmi, které je lepeno nebo letováno n nosníček před optoelektronickým prvkem s mikrooptickou zobrzovcí soustvou (vláknový tiper, sférická čočk, válcová čočk.p.), která přizpůsobuje numerickou pertůru optoelektronické součástky vlákn tk, by vzební účinnost byl co nejvyšší. Pro tento účel se v LD vysílčích vyuţívjí kónické úprvy konců vláken broušením tvením ve svářečce, nebo fixce specielních cylindrických čoček se sférickým nebo kuţelovým zkončením konstntním nebo rdientním profilem indexu lomu [3]. Dlší vývojový stupeň z hledisk poţdvků n vysoce funkční, spolehlivé cenově přijtelné HIOS lze sptřovt v multičipových plnárních obvodech, u kterých je interce relizován jk v optické, tk optoelektronické elektrické části obvodu. Optická část je nvázán n část optoelektronickou buď čelně (end-butt couplin) mikroopticky prostřednictvím čoček, prostřednictvím optických klínů (tperů) nebo optických mříţek. Tyto optické klíny mohou být i součástí optoelektronické součástky. Optická část HIOS můţe tvořit mikrooptický interovný obvod, nebo plnární optické interovné dielektrické struktury (Si/SiO, Si/Si 3 4, Si/Al O 3 ), optická skl, LibO 3, kde optické prvky jsou rlizovány různými fyzikálními nebo 0

16 chemickými depozičními metodmi jko je vkuové npřování npršování, výměn iontů implntce iontů, n druhé strně různé metody chemické depozice tké polymerové mteriály (ER, PMMA, PMMI.p.) nnášené spin-countinem s UV litorfií. HIOS lze vyrobit n podloţkách z celé řdy nornických mteriálů. Jko podloţk se velmi čsto pouţívá Si substrát [3] nebo semiisolční GAs nebo InP [33]. těchto podloţkách se pk jednostupňovým nebo dvoustupňovým pájením či s pouţitím epoteků fixují ktivní polovodičové optoelektronické součástky. Při tomto způsobu se pouţívá řízeného jedno nebo dvoustupňového předehřátí podloţky s přímým přiloţením čipu pomocí vkuové pinzety n vymskovný motiv [34]. Čipy jsou montovány buď kontktovcími plochmi nhoru (wire bondin) nebo dolů k podloţce (flip-chip bondin). Při prvním způsobu se čip propojuje s plnárním motivem drátkovým kontktováním. Jeho výhodou je velká optická vzební účinnost při relizci optické vzby z optického vlnovodu přímo n čelní fsetu optoelektronické součástky. evýhodou pk delší propojovcí vodiče tím omezení modulční šířky pásm, v závislosti n dynmické impednci součástky. V přípdě LD jejíţ bsolutní hodnot dynmické impednce je s výjimkou blízkého okolí fotonelektronové rezonnce, viz kpitol velmi nízká (< lze tohoto způsobu vyuţít. Druhý způsob se pouţívá při montáţi čipů SI-PD (surfceillumintin photodiode) s jednostrně umístěnými vývody, nebo u vlnovodných fotodiod WG-PD (wveuid photodiode) n plnární optickou strukturu [36],[44]. Pouţívá kontktovcích kuliček (solder bump) [4] čip se montuje kontktními ploškmi dolů. Tento způsob minimlizuje vzebních indukčnost tím zlepšuje dynmickou chrkteristiku HOIS. Pokud pouţijeme čelní PD při montáţi flip-chip je třeb směr záření otočit o 90 kupříkldu npřeným Au zrcdélkem umístěným pod PD v úhlu 45 [38]. Prvního způsobu montáţe lze pouţít pro HOIS prcující n kmitočtech do 0 GHz, pro větší šířky pásm je nutno u PD pouţít druhého flip-chip způsobu, tk by se minimlizovl vliv przitních indukčností kontktovcích drátků n frekvenční chrkteristiku, který je u PD s vysokým dynmickým odporem znčný. Kontktování drátku pk probíhá klsickou termokompresí n tenkovrstvý motiv, nebo u metody flip-chip [35] tedy ktivní plochou dolů se místo kontktovcího drátku uţívá kontktovcích kuliček, (solder-bump nebo stud-bump), kdy se čip přímo termokompresí fixuje n předem připrvené kontktovcí body vytvořené z Au drátku n podloţce při teplotě 300 C. Klsické OE součástky se vkládjí do HIOS n nosníčku tk, by ktivní plochy byly orientovány prlelně s fsetou optického vlnovodu, metod end-butt couplin [48]. Z teoretických závěrů, které vyprcovl Hunsperer vyplývá, ţe vzbu je třeb relizovt s osovou přesností < m, by vzební účinnost u stndrdních nvzovných součástek byl nd 50% [37]. Specielní optoelektronické součástky SS-LD (spot - size lser diode), SS-SOA (spot - size semiconductor opticl mplifier) jsou vybveny psivním optickým klínovým vzebním členem, který je součástí čipu optoelektronické součástky slouţí pro zvedení záření do optického vlnovodu []. Tyto součástky se umisťují n Si substrát se specielně vybroušenou ploškou, která je výškově profilovná STS (Silic-on-terrced-silicon). Profilování zjišťuje seszení optických os ktivní oblsti čipu LD nvzující fsety optického vlnovodu [3]. Toto profilování podloţky musí být provedeno s přesností pod m vzhledem k rozměrům ktivní oblsti LD jádr optického vlnovodu. K přesnému oszení čipu LD slouţí soustv seszovcích znček, které jsou jk n čipu, tk n podloţce.

17 U multičipových HOIS je oszování provedeno dvoustupňovou metodou pájení, kdy n substrátovou destičku, předehřátou n 00 C, jsou vkuovou pinzetou oszeny čipy do ntvené pájecí psty AuSn po oszení všech čipů je celý obvod krátce zhříván n tvící teplotu pájky rychle ochlzen. Tto metod umoţňuje zbránit opkovnému ohřívání různých míst obvodu spojené s moţným přeplováním pájky trnslcí čipů vlivem znčné tepelné vodivosti substrátu. Optické záření, vedené optickými vlnovody, je pk filtrováno, modulováno směrováno prvky interovné optiky, jko jsou optické filtry, optické mříţkové routery nebo optické přepínče mikrorezonátory [3]. ěkdy se konec vlnovodu optřuje 45 zkosením relizovným iontovým selektivním leptáním RIE, lserovou blcí, nebo přímo litorficky vyuţitím pryskyřice s kontrolovnou smáčivostí [36]. Sloţitější struktury jsou relizovány přímým spojováním více destiček, kde jsou jednotlivé prvky struktury jko kupř. holorfické objemové optické mříţky s kolimční soustvou [A0] nebo soustvy filtrů TFF (thinfilm filter) [45] dodtečně spojovány, nebo zpouštěny fixovány optickou pryskyřicí do specielně uprvených příčných dráţek [35]. Interční technoloie nové enerce rozvíjejí interci plnárních prvků v rovině n několik vrstev nd sebou tím v podsttě D HIOS trnsformují n 3D HIOS. Výhody tohoto řešení jsou především ve zmenšení výsledné struktury, ve zkrácení propojovcích cest tím zlepšení dynmických prrmetrů HIOS. Jko přílld lze uvést replikční technoloii, kde tímto způsobem relizován HIOS typu MOEMS (microoptoelectromechnicl system) mikrooptických přepínčů, vyuţívjících elektrooptický respektive termooptický jev [49]. V nedávné době se objevily v zhrničních prmenech plnární optické i optoelektronické struktury zloţené n krylátových polymerech, jko jsou polymetmetkrylát (PMMA), deuterovný ethylen-lykoldimetkrylát (pro vlnovou délku 300 nm) nebo pentfluorofenylmetkrylát (pro vlnovou délku 550 nm) dlší [39], [4]. Srovntelné vlstnosti s hloenidovými kryláty pokud jde o optický útlum v infrčerveném pásmu mjí rovněţ některé typy epoxy polymerů, jko kupř. ER SU-8 [40]. Tento polymer se nvíc chová jko rezist, tk ţe jej lze exponovt ultrfilovým zářením, proto jsou velmi vhodné pro HIOS. Jejich velmi nízká drsnost, mlá křehkost, polrizční nezávislost nízká cen jsou vlstnosti vhodné pro hromdnou výrobu, jkou u HIOS v budoucnosti očekáváme. Optické polymery jsou všestrnně vyuţitelné mteriály, které mohou být sndno tvrovány jko plnární jednovidové mnohvidové fotonické vlnovodné struktury s rozměry od jednotek do stovek mikrometrů. Mohou to být termoplsty, termosety nebo fotopolymery, které jsou před deposicí buď ve formě roztoků polymerů, oliomerů nebo tekutých monomerů. Optické ztráty polymerů mohou být minimlizovány, typicky hloenizcí, n význmně mlé hodnoty 0,0 db/cm pro 840 nm 0, db/cm pro 550 nm. Optické vlnovody lze z polymerů vytvářet fotolitorficky, rektivním iontovým leptáním, lserovou blcí, broušením nebo mikromechnickým rţením. Více o polymerových mteriálech pro součástky interovné optiky viz. kp. 4..

18 3.. ávrh hybridních interovných struktur přenosového typu Z zákldní interovné hybridní optoelektronické multivlnové struktury přenosového typu jsou v této práci povţovány WDM vysílče, WDM přijímče jejich kombince- WDM trnsceiver, dále obecně oznčovné jko subsystémy. Tyto subsystémy se obecně skládjí z části optické, optoelektronické elektronické. Jednotlivé části pk vykzují různé typy interce. Optická část, můţe být proveden buď s vyuţitím mikrooptických prvků, nebo je relizován prvky plnární interovné optiky. Tto část je pk opticky nvázán n interovnou optoelektronickou elektronickou sekci, jejíţ technoloické provedení jsme jiţ popisovli v kp Všechny tyto sekce bývjí umístěny n společné, nejčstěji Si, korundové nebo kompozitní podloţce. U nejednodušších jednovlnných subsystémů tvoří optickou sekci pouze vláknový optický vlnovod s jednoduchou mikrooptickou soustvou, jejíţ koeficient vzby musí být optimlizován, vzhledem k numerické pertuře nvázných optických optoelektronických prvků. Autorem tkových subsystémů, které vyuţívly HIOS typu OE přijímč OE vysílč relizovné tlustovrstvou hybridní technoloií byl utor viz. strší výzkumné zprávy [A.49] ţ [A.53]. Tyto hybridní optoelektronické moduly byly utorem pouţity pro optoelektronický vysílč přijímč systému TOM (televizní optický multiplex), který přenáší ve vysoké kvlitě pět FM modulovných knálů pro TV sinály. Tento systém stále prcuje mezi sněmovnou ČR úřdem vlády n dlších trsách optické sítě Metroet, provozovné společností GTS over.s. U vícevlnných systémů tvoří optickou část optický multiplexně/demultiplexní (MUX/DEMUX) element nebo soustv elementů, dle toho zd jde o subsystém přijímcí, vysílcí nebo obousměrný. Optické část musí prostorově rozdělit optický WDM svzek přecházející z ndřzeného uzlu sítě (kupř. PO-FTTx) vlnového multiplexu n jednotlivé vlnové délky s minimálním vloţným optickým útlumem v příchozím, příp. odchozím směru (desetiny ţ jednotky db) s mximálním útlumem přeslechu mezi jednotlivými vlnovými knály (větší neţ 0 db). Pro účely sítí PO-FTTH se obvykle prcuje se dvěm, nebo třemi vlnovými délkmi = 30 nm, = 490 nm, 3 = 550 nm. Vlnový distribuční optický prvek pk bývá nzýván diplexer, nebo triplexer. Mikrooptická část bývá nvrţen jko trnsmisně/reflexní soustv tenkovrstvých filtrů TFF [68], které nsměrují jednotlivé vlnové délky n sdu fotodiod nebo fotodetektorové pole oddělí směr vysílcích vlnových délek od směru vlnových délek přijímcích. evýhodou tohoto řešení jsou reltivně velké vloţné optické ztráty, které rostou s počtem vlnových délek znčné rozměry obvodu. Mikrooptické řešení nvrţené utorem vyuţívá pro optickou demultiplexci jediný mikrooptický objemový element - objemovou dvousystémovou trnsmisní holorfickou mříţku VHGT (volume holorphic rtin triplexer) brovského typu od firmy ODAX. ávrh, relizce měření přijímcího WDM mikrooptického systému bude uvedeno v kpitole 3... V mikrooptickém řešení HIOS se optický svzek šíří volným prostorem z toho vyplývá znčná citlivost těchto struktur n mechnické, fyzikální i chemické vlivy. Loickým pokrčováním výzkumu tedy je převod mikrooptické části WDM trnsceiveru n řešení plnární. V přípdě jednovidového (SM) řešení optické části 3

19 můţe být plnární optický interovný obvod tvořen soustvou sériově zpojených plnárních optických odbočovčů s tenkovrstvými filtry TFF [36]. Toto řešení má výhodu v tom, ţe optoelektronické části systému optoelektronické vysílče (OE vysílče) optoelektronické přijímče (OE přijímče) jsou reltivně seprovány, tk ţe nedochází k vzájemnému elektrickému ovlivňování mikrovlnným rušením přeslechy. Optická interovná část všk vychází poměrně rozměrná. Dlší řešení vyuţívá soustvu směrových odbočnic DC (direkt couplers) [35], která pro demultiplexci DWDM (density wvelenth devided multiplex) bývá doplněn tké fázovou optickou mříţkou (rry wveuide rtin AWG) [69]. Toto řešení je výhodné z hledisk počtu demultiplexovných vlnových délek, které mohou tvořit i hustý vlnový multiplex DWDM ( < 0,4 nm). Směrová rozbočnice se pk vyuţije pro připojení vlnových délek, vysílných v odchozím směru. evýhodou tohoto řešení je technoloická náročnost AWG prvku jeho větší vloţný útlum. V nedávné době bylo publikováno řešení, relizovné n polymeru Siloxn, pouţívjící dvoustupňovou inrferenční rozbočnice CSS-MMI (cscded step-index multimode interference) [70], kde v prvním stupni interferenční rozbočnice se připojuje záření OE vysílče do odchozího směru ve druhém stupni je rozdělen příchozí směr n záření dvou vlnových délek pro OE přijímče. Vzhledem k mlým hodnotám indexu lomu Siloxnu vycházejí rozměry vstupních výstupních vlnovodů v přijtelných hodnotách 4x4 m. Vloţné ztráty jednotlivých řešení lze srovnt v tb. 3.. Tb. 3. Vloţný optický útlum optických MUX/ DEMUX členů v závislosti n typu prvku pro vlnové délky λ = 490 nm, λ = 550 nm λ 3 = 30 nm. MUX/DEMUX prvek VHGT TFF CSS-MMI AWG+DC Vložný útlum [db] 0,3,35 0,9 0,5-,5 0,5-5 Přeslechy [db],4-8, , ové jednovidové řešení nvrţené utorem vyuţívá kombince jednostupňového plnárního interferenčního filtru se směrovou vzební odbočnicí [A9], viz. kpitol 4... Dále je rozprcováno tké multividové (MM) řešení optické části WDM trnsceiveru, které je tvořeno optickým výkonovým děličem s vlnovodnými filtry s Brovskou difrkční mříţkou, viz kpitol Optická část mikroopticky řešeného WDM trnsceiveru je pk nvázán dekolimční mikročočkou n vláknový MM optický vlnovod stndrdního typu přes kolimční zobrzovcí systém n optoelektronické elektronické části WDM trnsceiveru. Ty tvoří soustv OE přijímčů OE vysílč, obshující optoelektronické prvky PI PD Fbry-Perot LD, viz kpitol 3... ásleduje elektrická část se zesilovči [46], modulátory [47] dlší podpůrnou elektronikou [48]. ávrh topoloie technoloie HIOS přenosového typu vyuţívá prormové blíky různých typů. Jelikoţ HIOS obshují optické, optoelektronické elektronické interovné části, je přehled simulčních návrhových prormů znčně široký. Simulcí jsou ověřovány topoloie optických interovných obvodových částí, tké 4

20 elektrická zpojení optoelektronických elektronických částí HIOS. V nšem přípdě jde o návrh interovné optické části s optickými prvky, které provádí multiplexci demultiplexci optického svzku, interovné optoelektronické prvky, které obshují optoelektronické měniče interovné elektronické prvky - modulátory, zesilovče dlší podpůrnou elektroniku. Optoelektronické obvodové prvky při simulcích většinou nhrzujeme jejich elektrickými obvodovými modely, viz, kpitol 3..., celek s elektrickou částí dohromdy řešíme jko elektrický obvod. Pro topoloický technoloický návrh optických interovných částí jsou v součsné době k dispozici zejmén prormové blíky od firem RSoft nebo Optiwve. Z prormových blíků R Soft měl utor k dispozici prorm Bem Prpotion (BMP) vyuţívjící sklární diferenční metodu, vycházející z diferenčního řešení prciální diferenciální Helmholtzovy rovnice metodou konečných prostorových přírůstků. Tento blík se hodí převáţně pro modelování rozloţení jednosměrně se šířícího optického pole s pomlými změnmi v ose šíření. Dále prorm FULL Wve (FW), který vychází z diferenčního řešení úplného souboru Mxwelových rovnic metodou konečných prostorových i čsových diferencí proto můţe řešit i přechodové čsově omezené děje. Prorm Grti MODE od RSoft pro modelování trnsmisních optických mříţek, které vychází z řešení rovnice rezonnce fázových vektorů šířící se optické vlny mříţkového vektoru. K návrhu optoelektronické elektronické části, kde optoelektronické komponenty jsou nhrzeny elektrickými náhrdními obvody lze pro stejnosměrný reţim pro mlé změny hrmonických sinálů vyuţít linerizovných modelů celek řešit je prormy pro návrh mikroelektronických obvodů jko AutoCd, Orcd, Coventor. Pro mikrovlnné interovné obvody, kde je třeb prcovt i s modely s rozprostřenými prmetry, jko je elektrické vedení, je výhodné pouţít prormy Scopus nebo WinMIDE. který byl pouţit v nšem přípdě. Tento prorm řeší optoelektronické elektronické náhrdní obvody jko soustvy rovnic, formulovných v rozptylových S prmetrech. Umoţňuje počítt jk přenosové, tk impednční frekvenční chrkteristiky dokáţe tké provádět jejich optimlizci dle zdných kritérií. Pro modelování optoelektronických součástek jsou vyuţívány lineární nelineární elektrické obvodové modely, které jsou odvozeny z bilnčních rovnic pro volné elektrické nosiče vodivostního resp. vlenčního pásu polovodičů. Tyto rovnice jsou v litertuře oznčovány jko rychlostní rovnice [50], protoţe vyjdřují rychlosti změn koncentrcí elektrických nosičů ve vodivostním, respektive vlenčním pásu. Jde o soustvy obyčejných nelineárních diferenciálních rovnic. Z těchto rovnic pk lze odvodit elektrické nelineární náhrdní obvody optoelektronických součástek (O) [5]. Jejich linerizcí v okolí určitého prcovního bodu zvedením Fourierovy trnsformce pk lze odvodit lineární náhrdní elektrické modely s konstntními koeficienty (LO) optoelektronických součástek jko multividových, jednovidových jednofrekvenčních LD [5], komunikčních LED, PD.p. to lespoň pro omezené okolí prcovního bodu. Rychlostní rovnice lze vyuţít i pro modelování optoelektronických prvků při velkých změnách obvodových veličin [5]. Pk jde o řešení soustv obyčejných nelineárních diferenciálních rovnic, které se provádí v prormech MAPLE nebo MATLAB. Lineárními i nelineárními elektrickými obvodovými modely optoelektronických součástek se utor zbývl [A5,A6]. Tyto elektrické obvodové modely lze vyuţít i pro modelování specielních optoelektronických součástek, vykzujících nelineární optické jevy jko pulsce přípdně bistbilní vlstnosti u lserových diod (BLD). Příčinou těchto jevů jsou optické nehomoenity v ktivní vrstě nebo n zrcdlech, vlivem kterých dochází 5

21 v optickém rezonátoru k porušení stbility vyzřování LD ke Q spínání v ktivní vrstvě optického rezonátoru. Tkto uprvená LD diod pk můţe prcovt jko enerátor úzkých optických impulsů, tvrovč optického sinálu nebo optický pměťový člen, při vyuţití hystereze wtt-mpérové chrkteristiky (WA chrkteristiky) LD [56]. Modelováním vyuţívjícím elektrických lineárních modelů optoelektronických součástek v HIOS se utor zbývl budou uvedeny v kpitole Podrobným rozborem fyzikálních podmínek vzniku bistbility u LD se utor zbývl v příloze H. 3. Výsledky vlstních prcí utor resp. prcí s účstí utor. 3.. Mikrooptický hybridní interovný WDM trnsceiver Předmětem této kpitoly je především ukázt výsledky výzkumu v oblsti návrhu, topoloie technoloie nového hybridního mikrooptického subsystému - WDM trnsceiveru, relizovného n Ktedře mikroelektroniky. Tento výzkum byl proveden z podpory prostředků z výzkumného záměru ČVUT FEL [G] rntu GAČR [G]. Subsystém vyuţívá ve své optické části triplexní mikrooptický multiplexně/ demultiplexní prvek - objemovou brovskou dvousystémovou optickou mříţku (VHGT-volume holorphic rtin triplexer), která byl relizován periodickou změnou indexu lomu, ve dvou vůči sobě pootočených rovinách dvěm interferujícími optickými lserovými svzky ve skle BK7 od firmy ODAX. Subsystém prcuje s dvousměrnou kolimovnou zobrzovcí soustvou, která opticky váţe MM vlákno soustvu OE přijímčů tké OE vysílč. Kolimce optických svzků je nutná pro dosţení konstruktivní interference z toho vyplývjící vysoké difrkční účinnosti mříţky, viz kpitol 3... Tto nová koncepce WDM je kryt ptentem skupiny optoelektroniky pod vedením utor [A7]. Přijímcí část WDM trnsceiveru byl relizován jko interovný uţitný vzor [A8]. Perspektivní vyuţití WDM trnsceiveru je v optoelektronických účstnických set-top-boxech pro sítě PO-FTTx. Provedení přijímcí části WDM trnsceiveru bylo relizováno v mikrooptické hybridní formě výsledky návrhu měření byly publikovány zejmén v prcích [A] ţ [A6]. V této kpitole je proveden rozbor optických vlstností VHGT Brov filtru získných n zákldě výpočtů měření. Dále byl proveden návrh měření mikrooptické zobrzovcí soustvy optimálního propojení MM optického vlákn optoelektronických PI fotodiod (PI PD). Dále byl proveden optimlizce dynmické odezvy z hledisk PI PD interovných obvodů (IO) OE přijímčů. Relizce přijímcí řásti WDM trnsceiveru zákldní měření přenosových modulčních šumových chrkteristik. V nší výzkumné činnosti byly provedeny příprávné práce dílčí kroky pro návrh OE vysílče. Byl ověřen konstrukce OE vysílče jko součást systému pro přenos informce volným prostorem v diplomové práci [A3]. Dále byl proveden elektrický topoloický návrh obvodu optické stbilizční smyčky, reulující střední optický výkon OE vysílče [A4]. Pro optimlizci dynmické modulční odezvy byl sestven LO lserové diody OE vysílče. Tento LO byl rozšířen n elektrický model nového optoelektronického prvku, jkým je bistbilní lserová diod (BLD), jejímţ vyuţitím se utor rovněţ zbývl [A5], [A6]. 6

22 3... Topoloický technoloický návrh přijímcí části WDM trnsceiveru. Zákldem topoloického řešení optické části mikrooptického hybridního WDM trnsceiveru resp. jeho přijímcí části (WDM přijímče) [A9] je volb mikrooptického MUX/DEMUX prvku, který určuje řešní mikrooptické části tj. mikročočkového kolimčního systému určuje rozmístění jednotlivých koncových mikromodulů OE přijímčů OE vysílče. Pro VHGT Brův filtr vychází kruhová topoloie rozmístění těchto mikromodulů. Zákldní výhody trnsmisní VHGT můţeme shrnout do dvou bodů: A) Vysoká difrkční účinnost trnsmisní VHGT Brov filtru, která povede k nízkým optickým vloţným ztrátám z toho vyplývjícímu nízkému vloţnému útlumu. B) Velký difrkční úhel, který můţe význmně zmenšit podélné rozměry WDM trnsceiveru. Dlší vlstnosti VHGT Brov filtru výpočty klíčových prmetrů jsou diskutovány v příloze E. Ze závěrů, uvedených v této příloze vyplývá, ţe trnsmisní objemové mříţky jsou vhodnější jko optický demultiplexní prvek v porovnání s mříţkmi reflexními pro svoji vyšší difrkční účinnost při vhodně zvolených prmetrech mříţky. Jde především o poměr kosinu úhlu dopdu n indexové rozhrní uvnitř Brovy mříţky cos n, indexové modulce mříţky n tloušťky mříţky d vzhledem k Brovské vlnové délce B. Vyuţívný VHGT Brův filtr je dvousystémová objemová trnsmisní mříţk, kde periodická změn indexu lomu je vytvořen holorficky jk jiţ bylo zmíněno ve dvou rovinách pootočených o definovný úhel θ diff / symetricky od její optické osy. Mteriál mříţky je borito-drselné sklo BK7, s ntireflexními povlky n ktivních plochách, které potlčují Fresnelovy reflexní ztráty [53]. Výrobce udává rovněţ závislost indexu lomu skl n vlnové délce, coţ umoţňuje přesný výpočet všech optických chrkteristik zobrzovcího mikrosystému s VHGT Brovým filtrem. Zákldní vypočítné měřené topoloické optické prmetry zobrzovcí kolimční mikrooptické soustvy, difrkčního prvku VHGT jsou převzty z doktorské práce [54], kterou utor vedl byly publikovány v čsopisech i n konferencích, viz kpitol 3... Mikrooptický zobrzovcí systém provádí rozměrovou trnsformci optického vzoru obrzu mezi MMF vláknem ktivními plochmi PD LD, tké rozšíření průměru optického svzku n hodnotu, zjišťující účinnou difrkci n VHGT. Je tvořen zobrzovcí kolimční soustvou [A9], jejíţ návrh uvádí příloh F. Mikrooptická soustv je tvořen dvěm kolimčními cylindrickými mikročočkmi optickou mříţkou VHGT, přes kterou prochází optický kolimovný svzek. VHGT obshuje dv systémy Brovských mříţek s indexovým promodulováním n = 0,033 procent, pro vlnové délky nm, nvzájem pootočenými o úhel + 9 resp. - 9 vůči optické ose. Topoloie mikrooptického systému WDM trnsceiveru je určen především vlstnostmi optického MUX/DEMUX triplexního prvku, který provádí prostorovou seprci jednotlivých optických vlnových délek. Srovnání vlstností různých řešení 7

23 tohoto prvku, jk mikrooptických, tk plnárních bylo provedeno v kpitole 3... Toto srovnání ukzuje, ţe mikrooptický VHGT prvek má srovntelné prmetry vloţného útlumu přeslechů, v porovnání s jinými mikrooptickými, nebo plnárními triplexními prvky vlivem velkého difrkčního úhlu můţe efektivně přispět ke zmenšení rozměrů návrhu. Optický svzek postupuje, viz obr. 3., v příchozím směru z multividového vlákn MMF pod prostorovým úhlem dným numerickou perturou do válcové kolimční mikročočky. Po kolimci prochází DEMUX VHGT prvkem, po difrkci je n dekolimční čočce zostřen n ktivní plochu PI PD ze které je elektrický fotoproud veden n vstup impednčně přizpůsobeného mikrovlnného IO zesilovče. FFD jsou ohnisk kolimčních čoček, D(0) je průměr optického svzku. Bylo odměřeno, ţe průměr optického svzku musí být minimálně 50 m pro dosţení plné difrkční účinnosti VHGT mříţky. Obr. 3. Mikrooptický kolimovný zobrzovcí systém WDM přijímče [A0]. Optický distribuční systém WDM trnsceiveru vyuţívá jeden MUX/DEMUX VHGT Brův filtr se soustvou OE přijímčů OE vysílčem s kruhovou topoloií, viz obr. 3.. Rozdělení celého systému n mikromoduly slouţí k optimálnímu nstvení optické zobrzovcí soustvy mezi optickým mikromodulem mikromoduly optoelektronickými n mikromnipulátoru, kde nstvování jednoho mikromodulu neovlivňuje mikromoduly osttní. Citlivost soustvy n osové nstvení kolimčních čoček co se týče diverence kolimovného svzku jeho průměru je v desetinách milimetru výsledky měření jsou uvedeny stejně jko měření difrkčních, přenosových, dynmických šumových chrkteristik přijímcí části v kpitole

24 Obr 3.. Mikrooptický WDM trnsceiver s VHGT [A3]. K dtu odevzdání práce byl relizován přijímcí část WDM trnsceiveru, která můţe být vyuţíván i smosttně jeko WDM přijímč pro vlnové délky 490 nm 550 nm. Celý topoloický systém WDM přijímče viz obr 3.3 je rozdělen n tři části, které tvoří optický mikromodul mikromoduly OE přijímčů. Konstrukční provedení WDM přijímče je n obr Mikromoduly jsou lepeny n pozlcenou kovrovou destičku pouzdr s vývody DIL x vývodů. Protoţe jde o lbortorní vzorek, nebyl proztím řešen hermetizce s průchodkmi pro optické vlákno. Obr. 3.3 Topoloické schem WDM přijímče. V dlší fázi prcí předpokládáme sjednocení konstrukce optoelektronické části WDM přijímče resp. WDM trnsceiveru n jednu destičku se smosttným nstvováním pouze dvou PI fotodiod (PI PD) dekolimčních čoček. této destičce mohou být rovněţ umístěny, některé dlší podpůrné elektrické obvody, jko obvody optické zpětnovzební smyčky pro LD OE vysílče pod. 9

25 Obr. 3.4 Konstrukční provedení přijímcí části WDM trnsceiveru s VHGT pro vlnové délky 490 nm 550 nm. Optický mikromodul tvoří n korundový substrát s fixovným konecm MM optického vlákn s optickým konektorem FC/PC, kolimční čočkou VHGT Brovým filtrem. Konec vlákn je zlepen v soustvě kovových trubiček pro dokonlé uchycení vlákn n mikromodulu. Přijímcí vysílcí mikromoduly jsou relizovány lterntivně plnární tenkovrstvou hybridní technoloií n korundovém substrátu v přípdě nízkoimpednčního řešení OE přijímčů SMD technoloií n nízkoztrátovém kompozitním substrátu Roders v přípdě trnsimpednčních OE přijímčů. mikromodulech OE přijímčů jsou oszeny dekolimční čočky, kde dochází k redukci průměru optických svzků ze 60 m n 40 m, který odpovídá rozměrům ktivní plochy InGAs PI PD od firmy Judson. PI PD jsou od výrobce dodány v polopouzdrech n korundovém nosníčku, vhodném pro vszení do mikrovlnných HIOS. Z tohoto nosníčku jsou PI fotodiody propojeny elektricky krátkým páskovým vedením IO zesilovče. OE přijímče jsou lterntivně nvrţeny tk, by šířk pásm odpovídl,5 resp.,5 GHz. Šířk pásm je nstven induktivní kompenzci. Zkrácený výpočet této kompenzující vzby modulční chrkteristiky OE přijímče [A, A] je uveden v dodtku G Relizce měření přijímcí části WDM trnsceiveru ktedře mikroelektroniky byl relizován mikrooptický lbortorní vzorek HIOS WDM přijímče pro vlnové délky 490 nm 550 nm. Výpočty, simulce i měření prokázly dobrou schodu, jk je uvedeno v této kpitole vyuţitelnost uvedeného lbortorního vzorku WDM přijímče s VHGT optickou mříţkou pro plikce v oblsti informtiky. Výsledky výpočtů měření n jednotlivých mikromodulech pk byly vedle publikcí kupř. [A], [A9], [A0], [A], shrnuty tké v doktorské disertční práci [54], jejímţ byl utor vedoucím. Veškeré výpočty, n které je poukzováno v této práci jsou provedeny v dodtku E F. V rámci měření optické části byly ověřeny technické prmetry difrkčního VHGT Brovského filtru. VHGT má vysokou optickou spektrální selektivitu její prmetry, jko difrkční vlnová délk, Brov mříţková period, index lomu jsou teplotně velmi stbilní - 0,0 nm/ o C. 0

26 Pro Brovu vlnovou délku difrkční úhel pltí elementární vzth (3.), který je odvozen v dodtku E, dif B sin (3.) kde je Brov vlnová délk, je mříţková period nd dif je difrkční úhel. Zákldním měřenými prmetremy pro konstrukci optického mikromodulu byly difrkční úhly θ diff = 8.4 o pro λ = 490 nm θ diff = 9. o pro λ = 550 nm, které určily zákldní eometrii rozloţení optického mikromodulu mikromodulů OE přijímčů. Velikost Brovy konstnty byl určen výpočtem ze vzthu (3.) 4,660 m 4,67 m pro vlnové délky nm. Pro měření byl pouţit měřič optického prostorového rozloţení pole Bem Profiler BP 04IR od firmy Thor Lb. Optické měřící prcoviště s desetiosovým mikromnipulátorem, piesoovldči posuvů, sdou lserových vláknových zdrojů záření hlvou pro měření prostorového rozloţení pole je n obr Mikromnipulátor je vybven osmi lineárními dvěm rotčními posuvy s přesností nstvení do m. Obr. 3.4 Měřící prcoviště s mikromnipulátorem s hlvou pro měření optického prostorového rozloţení pole Bem Profiler BP 04IR. Dále byl měřením určen podíl optického difrktovného výkonu P λ k celkovému výkonu vstupního záření P I z něj tzv. difrkční účinnost B respektive vloţné ztráty A F v db podíl optického výkonu záření difrktovného do pritního směru P λ k celkovému vstupnímu optickému výkonu tzv. optický knálový přeslech A λ, viz tb. 3., 3.3. Hodnoty měření klíčových prmetrů difrkčních účinností VHGT pro vlnové délky λ = 490 nm λ = 550 nm byly ověřeny výpočtem dle vzthu (3.). V dodtku E je vedle odvození vzthů (3.) (3.) výpočtu difrkční účinnosti tké uvedeno porovnání objemových trnsmisních mříţek s mříţkmi reflexními výpočet tzv. Kloinov prmetru Q pro mnohonásobnou difrkci u objemových optických mříţek.

27 Podle toto prmetru lze rozhodnout o typu difrkce mezi Brovskou Rmnn- thovou B sin ( B nd cos n ) (3.) kde n je Brův úhel uvnitř systému objemové mříţky, n je velikost modulce indexu lomu, D je tloušťk mříţky B je Brov vlnová délk. Tb. 3. Měřené hodnoty difrkční účinnosti VHGT B A λ [nm] P I [μw] P λ [μw] F [%] [db] ,% ,0%.4 Tb. 3.3 Měřené hodnoty optických knálových přeslechů VHGT λ [nm] P I [μw] P λ [μw] P λ [µw] A λ [db] Vedle měření chrkteristik VHGT Brovského filtru byly počítány měřeny i prmetry zobrzovcí mikrooptické soustvy obr. 3.. Optimální nstvení vzdáleností okrje vrchlíku kolimční čočky vzhledem k fsetě MM optického vlákn okrje vrchlíku dekolimční čočky vzhledem k nsvícení ktivní plochy PD bylo,4 mm, kdyţ poloh ohnisk čočky určená měřením byl FFD =,6 mm. Hodnoty vzdáleností jednotlivých prvků zobrzovcí soustvy nstvené měřením jsou vţdy o 50 ţ 00 m menší, neţ teoretická hodnot, protoţe zobrzovcí soustv nezobrzuje bod n bod, le zobrzuje plochu jádr MM vlákn 50 m n ktivní plochu PI PD 40 m, při nstvení průměru optického svzku nd 50 m, coţ je průměr potřebný ke vzniku difrkce n VHGT. Výsledky výpočtů ohniskové vzdálenosti FFD vloţných ztrát A kolimčních čoček, tb. 3.4 lze porovnt s měřenými hodnotmi, tb. 3.5 Tb. 3.4 Výpočet ohniskové vzdálenosti FFD, koeficientu reflexe R optických vloţných ztrát kolimční čočky A. [nm] n FFD [mm] R A. [db] A. [db] 550,4865,497 0,0388 0,695 0, ,4870,488 0, ,6978 0, ,4885,476 0, ,706 0,349

28 Tb. 3.5 Měřené hodnoty vloţných ztrát kolimční čočky A. [nm] n P t [uw] P in [uw] A. [db] [%] 550, ,5 96, , ,44 96,74 30, ,8 97,093 Dále byly odměřeny závislosti poloměru optického svzku D/ diverence optického svzku n osové vzdálenosti mezi fsetou MM vlákn vrchlíkem kolimční čočky. Tyto závislosti ukzují obr Obr. 3.5 Měřené závislosti poloměru optického svzku D/ n vzdálenosti MM vlákn od kolimční čočky v ose z [A0]. Obr. 3.6 Měřené závislosti diverence vlákn od kolimční čočky v ose z [A0]. Z měřených závislostí je ptrné, ţe vypočtené odměřené ohniskové vzdálenosti skutečně odpovídjí kolimovnému reţimu s minimální diverencí optického svzku 3

29 s optimálním průměrem svzku, který musí leţet v oblsti Při menším průměru nedochází k difrkci, při větším se výrzně zvyšuje jeho diverence. Celkový měřený optický vloţný útlum útlumy jednotlivých komponent optického zobrzovcího systému jsou ptrné z rfu tbulky, který je součástí obr Obr. 3.7 Měřený vloţný optický útlum zobrzovcího mikrooptického systému pro λ = 30 nm, λ = 490 nm λ 3 = 550 nm. Z výsledků je zřejmá nízká hodnot difrkčních ztrát i ztrát Fresnelovými odrzy n optických rozhrních čoček v porovnání s jinými multiplexně/demultiplexními prvky jko jsou TFF fitry, dvoustupňové interferenční fitry, přípdně AWG kombinovné se směrovým vzebním členem DC, viz tb. 3.. Optoelektrická část WDM přijímče je tvořen dvojicí OE přijímcích mikromodulů s dekolimčními válcovými mikročočkmi, kde dekolimční mikročočky jsou stejného typu, jko je kolimčmí mikročočk v optickém mikromodulu. Byly nvrţeny OE přijímče dvou typů - nízkoimpednční OE přijímč s GAs/InGP HBT mikrovlnným IO v čipovém provedení od firmy Hittie pro modulční pásmo,5 GHz trnsimpednční OE přijímč s GAs PHEMT mikrovlnným zesilovčem v SMD provedení pro pásmo,5 GHz. Ob přijímče pouţívjí InGAs PI fotodiody firmy Judson s ktivní plochou 40 m, v polopouzdrech vhodných pro hybridní montáţ. PI fotodiody přijímčů byly nvázány n impednčně přizpůsobené vstupy zesilovčů induktivním přizpůsobovcím členem, který zjišťovl vzhledem ke kpcitám prostorového náboje fotodetektorů C s ~0,5pF optimální nstvené šířky pásm OE přijímčů. Mtemtické odvození hodnot kompenzčních indukčností jejich ověření simulcí v prormu WinMIDE je uvedeno v dodtku G. Pro ověření přenosových dynmických chrkteristik byly mikromoduly OE přijímčů pro měření umístěny do mikrovlnných drţáků pouzder obr

30 Obr. 3.8 Mikromodul OE přijímče v mikrovlnném drţáku pro měření dynmických chrkteristik. Byly proměřeny chrkteristiky přesnosové, nízkosinálové hrmonické modulční, impulsní šumové. Výsledky měření jsou shrnuty v tb Přenosové modulční chrkteristiky nízkoimpednčního trnsimpednčního OE přijímče byly odměřeny n profesionálním 0GHz network nlyzátoru HP 80. Pro měření impulsních odezev byl pouţit impulsní enerátor t r = 300 ps osciloskop Tektronix 7904 s GHz vzorkovcí jednotkou 7S hlvmi S6 s extendry. Porovnání měřených S frekvenčních chrkteristik obou typů WDM přijímčů oszených výše uvedenými OE přijímči je n obr Obr. 3.9 Měřené S frekvenční chrkteristiky pro nízkoimpednční trnsimpednční typ OE přijímče Tb Měřené prmetry optoelektronických mikromodulů OE přijímčů ízkoimpednční OEP Trnsimpednční OEP Přenos [V/W] Mezní frekvence f T [GHz] áběžné doby t r [ps] SR [db] 40, ,

31 Výsledné prmetry HIOS typu WDM přijímč byly proměřeny v nšich lbortořích. Vyplývá z nich, ţe mikrooptická část subsystému i optoelektronická mikrovlnná část subystému vykzují velmi dobré vlstnosti, pokud jde o vloţné ztráty optického mikromodulu doshují hodnot,5 ţ,8 db podle vlnové délky, coţ se projevuje v dobrém poměru SR resp. BER u WDM přijímče. Hodnoty útlumu přeslechů optické části byly,5 ţ 8,3 db, coţ je plně postčující odstup pro předpokládnou míru chybovosti BER = 0-9. Pokud jde o dynmické vlstnosti bylo potvrzeno, ţe jk v nízkoúrovňovém hrmonickém reţimu, tk v impulsním reţimu dynmické prmetry vyhovují pro modulční rychlosti,5 resp.,5 Gb/s. Šumové chrkteristiky určují optickou překlenutelnou vzdálenost, nebo pro zdnou chybovost BER = 0-9 optickou útlumovou rezervu. Zřzením proměnného optického tenuátoru byl změřen útlumová rezerv n vstupu WDM přijímče db resp. 5 db dle typu OE přijímče, ze které vyplývá překlenutelnou vzdálenost, 8 resp. 0 km SM vlákn. Úroveň měřícího OE vysílče byl vţdy nstven n mw pro optickou impulsní modulci. Mikrooptické řešení WDM přijímče smozřejmě s sebou nese nutnost náročnějšího nstvení celé mikrooptické soustvy n mikromnipulátoru. Přesnosti nstvení vyplývjící ze závislostí viz obr jsou v řádu desetin milimetru. Přesnost úhlového nstvení VHGT v horizontální vertikální rovině je v řádu jednoho úhlového stupňe Bistbilní lserová diod pro vysílcí část WDM trnsceiveru Mikromodul optoelektronického vysílče tvoří InGAsP/InP Fbry - Perot polovodičová lserová diod (LD) s mikrovlnným injekčním sériovým modulátorem optickou stbilizční smyčkou středního výkonu LD. Čip LD bude umítěn n Cu pozlceném nosníčku prokontktován n izolční sloupek. Kolmo n zdní zrcdlo bude umístěn čip velkoplošné monitorovcí fotodiody (PD) pro stbilizci středního optického výkonu. OE vysílč prcuje n vlnové délce 30 nm má v optické ose zřzenu kolimční čočku optický mikroisolátor pro blokci nedifrktovného záření optické mříţky, které by opticky dočerpávlo ktivní oblst LD způsobovlo vznik nekorelovného optického šumu ve struktuře LD. Čip LD je oszen spolu s čipem monitorovcího PD optické stbilizční smyčky umístěn n zlceném měděném nosníčku kontktován n izolční sloupek. Vedle Fbry Perot lserové diody, jejíţ pouţití je běţné v interovných strukturách tohoto typu, byl pro optoelektronický vysílč vrintně nvrţen rovněţ bistbilní lserová diod (BLD), obr Tento prvek vznikl technoloickou úprvou LD, relizovnou n dvojité heterostruktuře InGAsP/InP vymskováním ostrůvkového děleného prouţkového kontktu, coţ vytvoří nehomoenní čerpání ktivní vrstvy LD přes mnohonásobně dělený prouţkový lícový kontkt [A5]. 6

32 Obr. 3.0 InGAsP/ InP dvojitá heterostruktur se snímkem mnohonásobně děleného prouţkového kontktu Tto BLD relizovná n dvojité heterostruktuře má rozdělený prouţkový kontkt ze své lícové p strny. Typ dotce jednotlivých vrstev je ptrný z obrázku. BLD je relizován n klsické kvternární dvojité heterostruktury (DH) InGAsP/InP s mnohonásobně děleným prouţkovým kontktem. Mskování lícového mnohonásobně děleného kontktu je provedeno dle [55]. Vzdálenost mezi jednotlivými kontktními ostrůvky je nvrţen n 0 m, délk ostrůvků v ose symetrie je 30 m šířk 0 m. Pro ověření bistbility u zhotovených vzorků BLD byl nvrţen impulsní metod IBV (impuls bistbility verifiction), publikovná v [A6]. Protoţe BLD je sekvenční prvek, jehoţ vnitřní stv závisí n mplitudě čsování proudových injekčních impulsů lze bistbilní reţim ověřit metodou postupného nstvení nulování BLD při součsném monitorování výstupní zářivé odezvy metodou IBV. Sttické dynmické vlstnosti BLD, jko je převodní W-A chrkteristik, elektrický náhrdní obvod pro mlé změny sinálu lze popst řešením tzv. rychlostních rovnic, provedené v dodtku H dle [A5]. Obr. 3. ormovná sttická W-A chrkteristik BLD s prmetrem Zákldní vyzřovcí vlstnosti BLD, lze popst normovnou prmetrickou W-A chrkteristikou, obr 3., kde poměr vyjdřuje poměr osové délky enerční bsorpční oblsti v ktivní vrstvě BLD. ormovcími prmetry jsou prhová 7

33 proudová hustot I th (3.3) sturční koncentrce fotonů v bsorpční oblsti phs (3.4). Hodnoty fyzikálních konstnt byly voleny dle tb. 3.6 byly určeny z technoloických prmetrů odměřených dynmických vlstností LD stejného technoloického provedení jko BLD. Poměr odpovídá rozměrovým prmetrů mskování, kde se předpokládá rozšíření čerpné oblsti vlivem roztékání injekčního proudu pod kontktem 0 m. I th ev B o o o o ph ph k (3.3) phs B ( k ) (3.4) Tb. 3.6 Optimlizovné hodnoty fyzikálních konstnt pro modelování [cm 3 s - ] o [cm -3 ] W-A chrkteristiky ph [s] B [cm 3 s - ] 8 0-6,5 0 8,5 0 -,3 0-0 V [cm 3 ] k [cm -3 ] [-] [-], , ,5 Mtemtické vyjádření W-A chrkteristiky obr 3. je dáno soustvou tří nelineárních prmetrizovných rovnic (3.5) ţ (3.7), které lze získt sttickým řešením soustvy tří rychlostních rovnic pro bilnce volných elektrických nosičů ve vodivostním respektive vlenčním pásu fotonů. Tyto rychlostní rovnice podmínky pltnosti mtemtického modelu jsou uvedeny v dodtku H. Rychlostní rovnice vyjdřují bilnci volných nosičů ve vodivostním respektive vlenčním pásu polovodičové ktivní vrstvy BLD z předpokládu, ţe v ktivní vrstvě v oblsti spontánně enerovného záření BLD převládjí přímé bimolekulární rekombinční přechody volných nosičů v ktivní vrstvě, I evb B ph k B 0 ph (3.5) / k k B p ph ph ph k ph (3.6) B B B B B 8

34 k k o ph ph ph (5.7) B B B / kde je střední koncentrce volných nosičů v enerční oblsti, je střední koncentrce volných nosičů v bsorpční oblsti, ph je střední koncentrce fotonů, 0 je koncentrce volných nosičů optické trnsprence v enerční oblsti bsorpční oblsti, k je střední koncentrce dotce ktivní vrstvy, jsou ziskové koeficienty enerční bsorpční oblsti, B B jsou efektivní rekombinční koeficienty bimolekulárních spontánních přechodů pro enerční bsorpční oblst, je konstnt spontánního příspěvku do lserového vidu. I I jsou proudy injektovné do ziskové bsorpční oblsti, V V, V V jsou objemy enerční bsorpční oblsti, kde =. BLD předstvuje optoelektronický zářič, relizovný n dvojité heterostruktuře, který n principu nelineární závislosti bsorpce v loklizovných oblstech ktivní vrstvy n koncentrci fotonů tzv. Q spínání, impulsně moduluje výstupní optický výkon BLD. Vlstní podmínk vzniku bsorpční optické bistbility u LD (3.8) je odvozen v dodtku H. R R c (3.8) R je kritická rychlost fotonové bsorpce n sturovtelných optických centrech v bsorpční části ktivní optické vrstvy BLD, kterou lze vyjádřit (3.9), R c je kritická rychlost fotonové bsorpce n nesturovtelných optických centrech. Tuto kritickou rychlost lze vyjádřit (3.0) kritickou velikost bsorpční oblsti (3.). Vyuţitím vzthu (3.) hodnot fyzikálních konstnt dle tb. 3.6, lze určit kritickou hodnotu velikosti bsorpční oblsti k = 0,0084. Podmínk (3.8) vyjdřuje skutečnost, ţe pokud má dojít ke vzniku bistbility u LD musí být nelineární chování LD dosttečně výrzné tedy rychlost sturce sturovtelných bsorpčních center musí být vyšší neţ rychlost bsorpce nesturovtelných optických ztrát. R (3.9) o R c ph (3.0) k o ph (3.) Dlší nutnou podmínkou pro splnění podmínky (3.8) je, ţe optický rezonátor musí být v reţimu Q-spínání, kterou lze vyjádřit vzthem (3.). Tto podmínk všk není postčující podmínkou vzniku bistbility u lserových struktur. Je všk příčinou čsových nestbilit pulscí ve vyzřování LD. 9

35 (3.) Podmínk (3.) je rovněţ odvozen v dodtku H. Je zde ukázáno, ţe ziskový koeficient enerční bsorpční oblsti je nelineární funkcí koncentrce fotonů dle (H.7) (H.8). Odvození této podmínky předpokládá, ţe celkový ziskový koeficient G t v závislosti n koncentrci fotonů vykzuje extrém typu mximum z předpokldu, ţe ziskový koeficient bsorpční oblsti sturuje dříve neţ ziskový koeficient enerční oblsti, dle obr. 3.. Při zvyšování čerpání nd tuto mezní hodnotu dochází k poklesu celkového zisku v ktivní vrstvě BLD ke vzniku záporné hodnoty diferenciálního zisku. Tto skutečnost ukzuje n destbilizci vyzřování vznik pulzcí nebo pokud je splněn i podmínk (3.8), pk dochází ke vzniku bistbility u LD. ph Obr. 3. Závislost celkového ziskového koeficientu G t n koncentrci fotonů ph pro hodnoty fyzikálních konstnt z tb Lineární elektrický model bistbilní lserové diody BLD áhrdní lineární elektrický obvod BLD (EO) pro mlé změny sinálu byl publikován v [A5] je zobrzen n obr EO vznikl linerizci systému rychlostních rovnic, viz. dodtek H, z zjednodušujícího předpokldu, ţe dob ţivot spontánně rekombinujících nosičů v ktivní i bsorpční vrstvě BLD je konstntní nezávislá n elektrickém čerpání. Linerizovné rychlostní rovnice lze uprvit n soustvu stvových rovnic (3.6) ţ (3.8), které mjí tvr obvodových rovnic elektrického rezonnčního obvodu, kde prvky C R mjí záporné hodnoty. Anlýzou řešení tohoto systému se zbývá [56] vyplývá z ní, ţe kdyţ vyuţijeme Lplceovu trnsformci nlyzujeme stbilitu soustvy výpočtem pohybu kořenů chrkteristické rovnice soustvy stvových rovnic pro jednotlivé prcovní body BLD, dojdeme k závěru, ţe pro jistý intervl prcovních bodů jeden ze tří kořenů přejde do prvé poloroviny komplexní roviny. Tento kořen se pohybuje po reálné ose. V tomto intervlu má BLD periodickou stbilní čsovou odezvu n skok proudového 30

36 buzení. Při vzniku pulscí u LD dochází k posunu dvou komplexně sdruţených kořenů do prvé poloroviny komplexní roviny. Obr. 3.3 Elektrický náhrdní obvod pro mlé změny sinálu BLD R R je modifikovný difuzní odpor, C C jsou modifikovná difuzní kpcit enerční bsorpční oblsti, L je indukčnost, R s je tlumící odpor, K jsou trnsformční konstnty, u, u (je npěti v uzlu ),i, i r, i c i L jsou siálové obvodové npětí proudy v ziskové oblsti, m m jsou technoloické konstnty [56]. Jk je ptrné ze vzthů (3.9) ţ (3.4) jsou všechny elektrické modifikovné obvodové prvky funkcemi fyzikálních proměnných koncentrce nosičů v enerční oblsti, bsorpční oblsti,nebo koncentrce fotonů, ve zvoleném prcovním bodě W-A chrkteristiky. V EO jsou obvodové proměnné pro mlé změny sinálu přímo funkcemi fyzikálních proměnných pro mlé změny sinálu dle vzthů (3.3) (3.5). ph n u mvt (3.3) n u mvt (3.4) L i p ( 0 ) ev (3.5) kde p je optickým výkon pro mlé změny, proud v bsorpční oblsti i = 0, V T =kt/q = 5,9 mv je termické npětí při pokojové teplotě u u. Obvodové prvky C R zstupují v EO vliv bsorpční oblsti BLD mjí záporné hodnoty. Pokud jde o mlé změny sinálu lze čsovou derivci v rovnici (3.4) poloţit rovnu nule v EO pk zůstne poze modifikovný odpor se zápornou hodnotou, který svědčí o moţnosti vzniku pulscí ve výstupním záření tkové LD. Indukčnost L v EO je spojen s přeléváním enerie mezi fotonovými populcemi elektrickými nosiči, při rychlých dynmických změnách buzení optického rezonátoru LD se vznikem foton-elektronové rezonnce. Odpor R s je prvek tlumící zstupuje příspěvek spontánního záření do lserového vidu. Vedle toho, ţe tlumí nestbilní projevy LD jko jsou pulsce nebo bistbilit má příznivý vliv u LD n tlumení relxčních zákmitů při impulsním buzení LD. Pro LD bez bsorpčních center, kdy pltí =0 pk = přechází EO do formy běţného EO pro LD, který se redukuje n dvě modifikovné diferenciální rovnice. 3

37 Obvodové prvky C R jsou nulové EO tvoří pouze modifikovný difuzní odpor R, modifikovná difuzní kpcit C, indukčnost L tlumící odpor R s. zákldě EO lze nejen nlyzovt dynmické chrkteristiky LD BLD, le lze jím tké vyjádřit stbilitu vyzřování LD typ zpojení vnějších obvodů elektrického injekčního modulátoru, vhodné pro potlčení neţádoucích dynmických efektů modulce n LD, jko jsou relxční překmity při impulsních modulcích, vznikjící vlivem foton-elektronové rezonnce v optickém rezonátoru LD resp.bld. du dt C i u R i L (3.6) du dt C i R u K i L (3.7) di dt L L u u R i s L (3.8) kde _ R C ph (3.9) _ R C ph (3.0) C C _ e V mkt _ e V mkt (3.) (3.) L C o ph (3.3) R s L I th _ ev (3.4) ( o ) K (3.5) ( ) o 3

38 m ( ph ) (3.6) m ( ) Hodnoty prvků EO byly vypočítány pro tři význčné prcovní body A, B D n simulovné W-A chrkteristice obr Pro porovnání jsou v chrkteristice uvedeny i hodnoty měřené W-A chrkteristiky BLD, odměřené metodou IBV. Hodnoty prvků EO jsou uvedeny v tb ph Obr. 3.4 Měřené vypočítné W-A chrkteristiky BLD (P= k ph, k=8,7 0-7 [W; cm -3 ; W/ cm -3 ]) Tb. 3.7 Prvky elektrického náhrdního obnvodu BLD pro mle změny sinálu C [nf] R [ ] C [nf] R [ ] P 7,9 0,6 7 5 P 7,3 0,4,,6 P mx 6,7 0,05,8 0, L [ph] R s [m ] K [-] [-] P 4,4 006,0 0,00 P 0,7,3 0,970 0,50 P mx 0,07 0,03 0,530 0,80 33

39 Z vypočítných prvků EO vyplývjí tyto závěry: Modifikovný difuzní odpor R pro BLD resp. LD je téměř o řád niţší neţ u běţných diod klesá s rostoucím proudem I. Z toho vyplývá velmi nízká hodnot čsové konstnty, která bude ovlivňovt dynmiku LD resp. BLD, především dispersi impulsů. Rezonnční kmitočet foton-elektronové resonnce bude leţet v oblsti ihertzů. Tlumící odpor R s bude velmi mírně tlumit relxční zákmity ovlivňovt polohu rezonnčního kmitočtu. Tyto závěry pltí pro ndprhovou oblst buzení BLD resp. LD. BLD s těmito prmetry bude vykzovt bistbilitu hysterezi W-A chrkteristiky, coţ je ptrné i ze simulovné měřené W-A chrkteristiky lze ji vyuţít jko optoelektronický vysílč tvrovč optické impulsní modulce s pmětí. Výše uvedená nlýz byl proveden pro lineární optoelektronické prvky typu LD, ELD PD pod, byly vytvořeny lineární obvodové modely uvedených optoelektronických součástek, které byly zřzeny do výuky v předmětu A0M34FO pro návrh optoelektronických mikrovlnných systémů přenosového typu v prormovém systému WinMIDE. 3.. Plnární hybridní interovný WDM trnsceiver Loickým pokrčováním výzkumných prcí v oblsti WDM HIOS přenosového typu byl návrh plnární verze HIOS - WDM trnsceiveru. Předmětem této kpitoly je především ukázt výsledky topoloického technoloického návrhu tohoto subsystému. Topoloické technoloické systémové řešení WDM trnsceiveru vzniklo v rámci řešení rntu [G] výzkumného záměru [G] bylo postupně publikováno v [A], [A4], [A7], [A8] následně i ptentováno [A7]. vrţené uspořádání WDM trnsceiveru obr. 3.7, vychází opět z kruhové topoloie uspořádání optické optoelektronické části. Optická plnární část je rozprcován v rámci výzkumných prcí n rntu [G3] ve dvou vrintách. První vrnt řeší optickou část jko SM vlnově selektivní interovný polymerový obvod, relizovný spojením směrového vzebního členu MMI filtru, kpitol Ve druhé vrintě je optická plnární část nvrţen jko MM interovný obvod s optickými výkonovými děliči, relizovnými n skle s difuzními vlnovody zhotovenými výměnou iontů A optickými vlnovodnými filtry s Brovskými polymerovými mříţkmi, viz kp Druhá vrint vznikl ve spolupráci s VŠCHT. Obě vrinty jsou v součsné době rozprcovány jsou ve stádiu technoloického návrhu. Dílčí práce byly publikovány v [A9,A0,A,A,A3]. Optoelektronickou část tvoří soustv dvou OE přijímčů, popsná jiţ v kpitole 3..., 3... OE vysílč s modulčními podpůrnými elektronickými obvody, popsný v

40 Obr. 3.7 Plnární hybridní interovný WDM trnsceiver še práce byly v první etpě změřeny n topoloický technoloický návrh optické části WDM plnárního trnsceiveru, kterou předstvuje plnární triplexní MUX/DEMUX člen. Při návrhu byl předpokládán relizce triplexeru n polymerových mteriálech ER SU-8 PMMA. Jednovidová vrint je tvořen MMI filtrem pro rozbočení vlnových délek 490 nm 550 nm, n kterých prcují dv OE přijímče [A4] směrového vzebního členu, pro nvázání vlnové délky 30 nm, n které prcuje OE vysílč. Celkový návrh triplexního filtru viz obr. 3.8, včetně vlivu vzby obou komponent byl zprcován v publikci [A]. Při návrhu, provedeném simulcí v prorm BPM, byly zjištěny klíčové rozměry triplexeru. Ze simulcí vyplývá optický vloţný útlum útlum přeslechů n příslušných bránách triplexeru, viz kpitol Obr. 3.8 Topoloické návrhové schém WDM obousměrného triplexního filtru. Druhou vrintou, n které se v součsné době intenzivně prcuje, je vrint multividová. Tto vrint předpokládá vyuţití vlnovodných filtrů, viz kpitol 4..6 umístěných do rmen optického multividového výkonového děliče. Vlnovodné filtry jsou nvrţeny do jednotlivých rmenech výkonového děliče, kde dochází k reflexi vlnových délek odpovídjící příslušnému řádu Brovy difrkce. Optoelektronická část WDM trnsceiveru s dvojicí OE přijímčů viz. kpitol 3.., OE vysílčem. Vzhledem k nízké impednci LD musí být do mikrovlnného páskového vedení vřzen 35

41 SMD odporový čip 50 Jedno z moţných řešení modulčních obvodů bylo publikováno v diplomové práci [A3]. Prcovní bod LD musí být stbilizován opticky váznou zpětnovzební smyčkou stbilizující střední optický výkon LD. Toto zpojení s IO AD 830A od firmy Advnce Devices bylo nvrţeno v bklářské prci [A4]. Obě tyto práce vedl utor. 36

42 4. VÝZKUM VYBRAÝCH POLYMEROVÝCH STRUKTUR ITEGROVAÉ OPTIKY Výzkum vývoj v oblsti technoloie optických polymerních interovných obvodů (OPIO) je význmný ne jen ve vyuţití nových ornických mteriálů pro oblst plnárních optických interovných obvodů, kde v důsledku velké různorodosti polymerů jejich vlstností lze dosáhnout optimlizce chrkteristik dné struktury pro zvolenou oblst plikce, le nese sebou i význmné zjednodušení tím i zlevnění technoloických postupů při relizci OPIO. Především jde o technoloii nnášení jednotlivých funkčních vrstev, kde se lze vyhnout tzv. těţkým technoloiím jko je kplná nebo plynná epitxe, difuze, různé chemické postupy s nvzujícím mokrým nebo suchým leptáním následné npřování nebo npršováním vrstev. U ornických interovných obvodů lze vrstvy nnášet jednoduchou metodou rotčního lití (spin-cotinem) s vyuţitím UV litorfie, lserové litorfie nebo elektronové litorfie. Vedle těchto postupů lze vyuţít postupů prostorového profilování tepelným tvářením, elektrickým polem, lserovou blcí, rektivním iontovým leptání (RIE) pod. Pro vytvoření motivu se u některých polymerů djí vyuţít fotopolymerní vlstnosti tím vynecht operci nnášení odstrňování rezistu. Pokud se nvíc vyuţije polymeru jko substrátu, lze z technoloie odstrnit procesy, spojené s mokrým leptáním. Motiv optického plnárního obvodu lze do substrátu vytvrovt pomocí výše uvedených tvářecích metod, nebo u motivů větších rozměrů lze vyuţít obrábění CC technoloiemi nebo vytlčit mechnicky pomocí rzníku s poţdovným motivem [7]. 4. Součsný stv vývoj problemtiky 4.. Vybrné optické polymerní mteriály pro interovnou optiku Optické polymery jsou mteriály vhodné pro relizci součástek interovné optiky, jko jsou jednovidové, multividové plnární vlnovody, optické výkonové děliče, interferenční filtry, Brovské optické mříţky, směrové vzební členy pod. Jejich rozměry se mohou pohybovt od submikronových rozměrů do stovek mikrometrů. Optické ztráty jsou závislé n vlnové délce tto závislost je poněkud odlišná od dielektrických mteriálů interovné optiky, relizovných n Si jeho sloučeninách jko SiO Si 3 4, se pohybuje od 0,0 db/ cm n 400 nm ţ po několik db/cm pro 600 nm. Jejich útlum tedy roste s vlnovou délkou, coţ činí tyto mteriály perspektivní i pro informční interovné obvody, prcující ve viditelné oblsti vlnových délek. Součástky interovné optiky, relizovné n polymerech zhrnují jk psivní tk i dynmické součástky, které mjí v interovných plnárních strukturách funkci vlnovodnou, směrovcí, filtrční, spíncí td. Optické polymery jsou nvrhovány produkovány po celém světě mnohé jsou dostupné i komerčně. Třídy polymerů, vyuţívných pro interovnou optiku jsou kryláty, polymidy olefíny (cyklobuteny). Přehled některých význmnějších uvádí Tb

43 Tb. 4. Vybrné polymerové mteriály pro interovné optické struktury s indexy lomu měrným útlumem pro vlnovou délku =650 nm [40]. mteriál index lomu [-] útlum [db.cm - ] Hexmethylsiloxn,4 0, Polymethylmethkrylát (PMMA),49 < Vinylmethylsiln,53 0, Polymetylmetcrylimid (PMMI),54 Polyurethn,56 Polyester,57 Epoxid,58 Polystyren,58 Fotorezist Shipley AZ350,6 0 Epoxy novolk rezin (ER SU8),6 < Akrylátové polymery vykzují velmi mlé ztráty rozptylem optického záření, vykzují tké nízké polrizční ztráty v rozshu vlnových délek nm, které se vyuţívjí pro optické sdělování. obr. 4. jsou dobře ptrná útlumová minim, která se ncházejí v oblsti optických útlumových oken vyuţívných pro optické sdělování.. Obr. 4. Absorpční ztráty Acrylátového polymeru [7] 00% CH vzby, % CH vzby,. 0% CH vzby Vyuţitím kopolymerizce z vybrných monomerů lze potom řídit indexy lomu polymerů v širokém rozshu od,3 ţ,6. Řízení hodnoty průběhu indexu lomu pk umoţňuje vytvářet step-indexové i rdientní vlnovodné struktury s velmi 38

44 přesným nstvením hodnoty indexu lomu kupř. polymery Ormocld, Ormocor. Tké závislost optických ztrát n vlnové délce lze velmi dobře řídit nstvením procent C-H skupin, jejich nhrzením v molekulách fluoridovými nebo chloridovými, viz obr. 4.. Těmito způsoby se dosáhne v polymerových řetězcích sníţení vibrční enerie molekul polymerů posunutí bsorpční hrny polymerů nd m tedy mimo telekomunikční vlnové délky. Touto částečnou hloenizcí lze posunout hodnoty útlumu ţ o řád. Jiţ před zhájením spolupráce mezi prcovištěm pro výzkum optických polymerových mteriálů VŠCHT Ktedrou mikroelektroniky FEL ČVUT v Prze n studiu fyzikálních vlstností optických polymerových mteriálů i v jejím průběhu byl publikován řd prcí [57-60], týkjících se ovlivňování indexu lomu povrchové morfoloie PMMA optické kvlity kompozitu PMMA+PS (polymethylmethkrylát + polystyren) elektrickým polem teplotou zloţených n Tylorově teorii. Tím byl dán moţnost nvázt v rntovém projektu GAČR [G], n tyto výsledky, které byly souborně publikovány ve zprávě k řešení rntového projektu [A7], jehoţ byl utor hlvním řešitelem. Tím byl dán moţnost vytváření knálkových nebo hřebenových optických plnárních vlnovodů následně periodických polymerových mříţek Brovského typu. Popsné postupy vychází z jevu dříve zkoumného Tylorem [6] dlšími [6], [63], kteří teoreticky i experimentálně ověřili tvr povrchu kpky i povrchové blány dielektrických tekutin vystvené silovému působení elektrického pole. Bylo ukázáno, ţe při překročení určité prhové intenzity elektrického pole dochází ke eometrickému zformování povrchu této tekutiny do tvru konického kuţele s ostrým vrcholem, jehoţ výšk je úměrná intenzitě elektrického pole. Z výše uvedených prcí nově vyplynulo, ţe působením elektrického pole intenzity do 8 kv/cm dochází k výrznému ntáčení elektrického dipólu molekul u zkoumného PMMA, coţ má z následek zvýšení indexu lomu v rozshu,4-,48, tedy k elektrooptickému jevu. Tto změn indexu lomu je pro vlnové délky nd 450 nm téměř vlnově nezávislá. Rovněţ byl prokázán termooptický jev, tedy změn indexu lomu polymeru PMMA s teplotou, pro hodnoty teploty menší neţ teplot skelného přechodu T = C [65]. Chemický strukturální vzorec PMMA je uveden n obr. 4.. Obr. 4. Chemický strukturální vzorec polymethylmethkrylátu (PMMA) Problémem zůstává, ţe tyto změny jsou pro PMMA dlouhodobě čsově tepelně nestbilní. Zvýšení stbility změny indexu lomu s dobou stárnutí teplotou lze dosáhnout vytvořením kompozitní struktury PMMA+PS. Přidáním polárního PMMA do nepolárního PS, kde optimální hodnoty jsou 7-0%, se dosáhne zvýšení stbility 39

45 indexu lomu v rozshu 330 hodin i pro teploty do 363 K. Byly rovněţ prokázány změny povrchové morfoloie její orientce v závislosti n orientci vnějšího elektrického pole určité orientce. Jeho optický útlum se zvyšuje v blízké infrčervené (IR) oblsti záření. Prmetry vlstnosti PMMA PMMA+PS rdientních vlnovodů byly publikovány v [57], [A8]. Jelikoš PMMA má velmi dobrou mechnickou odolnost vhodnou velikost indexu lomu, byl rovněţ vyuţit jko krycí plášťová vrstv ER PMMI plnárních optických vlnovodů, viz dále. Vedle PMMA byl pro relizci optických plnárních vlnovodů pro viditelné pásmo (VR) IR odzkoušen dlší crilátový polymerový mteriál Polymethylmethcrylimid (PMMI) s obchodním oznčením Pleximid. Tento teplotně odolný mteriál má teplotu skelného přechodu T = 50 C [65], má dobré optické trnsprentní vlstnosti mechnickou pevnost. Hodnot indexu lomu se pohybuje v pásmu VR IR rozshu,5,56, dle individuální modifikce. Jeho strukturální chemický vzorec je n obr Obr. 4.3 Chemický strukturální vzorec polymethylmethcrylimid (PMMI) Dlší důleţitou skupinou polymerů, která byl studován v souvislosti s relizcí optických plnárních psivních i ktivních vlnovodů dlších větvených struktur jsou epoxypolymery, zvláště Epoxidový rezist ER s obchodním oznčením Epoxy ovolk Rezín (SU8) [64]. Tto skupin polymerových rezistů se objevil teprve nedávno oproti krylátovým polymerů vyniká vysokou teplotní stbilitou do teplot T = 30 C fotoindukčními vlstnostmi, umoţňujícími zjednodušit fotolitorfický proces n pouhou expozici polymerové vrstvy přes msku ultrfilovou lmpou. Dlší výhodou je poměrně vysoký index lomu v rozshu,58,6. Přijtelné jsou rovněţ hodnoty útlumu optické vrstvy v oblsti VR v oblsti optických telekomunikčních vlnových délek IR v rozshu 0,5 db ţ,7 db/cm. I u těchto polymerů byl prokázán termooptický jev řádu -,87x0-4 / C pro teploty 0 ţ 70 C rovněţ dvojlom, kde diference indexů lomu TE TM byly -x0-4 [64]. Strukturální chemický vzorec ER je uveden n obr

46 Obr. 4.4 Chemický strukturální vzorec Epoxy ovolk Resinu (ER) [64] V oddělovcí vrstvě bývá vedle SiO pouţit tké polymerový mteriál Cytop(Cyclic Trnsprent Opticl polymer), který má velmi nízkou hodnotu indexu lomu,340,337 pro IR pásmo vlnových délek. Důvodem je nhrzení dielektrické oddělovcí vrstvy plnárního vlnovodu, která je relizován oxidcí Si má tloušťku ţ 3 m polymerovou vrstvou, čímţ lze odstrnit jednu technoloickou vkuovou operci (termickou oxidci) opercí jednodušší relizovnou spin-countinem, tk relizovt polymerový vlnovod z čistě polymerových funkčních vrstev. Cytop je mteriál s posunutou bsorpční hrnou oproti PMMA z 3,3 m n 7,7 m, má niţší optické ztráty ve VR je teplotně stbilnější [66]. V nedávné době se objevily polymerové mteriály Ormocld/Ormocore, jejichţ index lomu lze chemickou cestou měnit tím připrvit polymerové rozhrní s přesně nstvenou diferencí indexu lomu. Tyto mteriály jsou východiskem pro zhotovení optických polymerových vlnovodů optickou UV litorfií. V důsledku velké diference indexů lomu vycházejí rozměry většiny polymerových optických vlnovodů v řádu jednotek m, coţ způsobuje problémy při litorfickém zpisování motivu, kde je třeb pouţít drhou elektronovou litorfii. nšem prcovišti jsou prováděny první práce v tomto směru [67]. 4.. Vybrné opticky ktivní polymerové mteriály. Opticky ktivní vláknové plnární vlnovodné struktury, které z vhodných podmínek mohou zesilovt optické záření jsou velmi význmné pro konstrukci i optických kvntových enerátorů, zesilovčů záření, nebo kompenzátorů optických ztrát v optických dielektrických, nebo polymerových vlnovodech. Opticky ktivní mteriál vyuţívá ionty ktivátorů, nejčstěji prvků vzácných zemin viz tb. 4.. A to především těch, které jsou opticky ktivní v oblstech druhého nm, nebo třetího nm optického útlumového okn křemenných vlnovodů. Vyuţívné prvky vzácných zemin jsou trojmocné ionty ze skupiny lnthnoidů. Schopnost enerovt při optickém čerpání optické záření tzv. fotoluminiscence je 4

47 skryt v nedosttečně obszené slupce 4f, která je loklizován uvnitř tomu ktivátorů. Vnější plně zplněné slupky 5s 5p pk funují jko stínění slupky 4f od perturbcí (kupř. tepelných) vnějších polí tomů zákldního mteriálu. Proto tké Strkovo štěpení úrovní, pod vlivem mtrice - tomů zákldního mteriálu, je mlé z toho vyplývjí reltivně mlé emisní bsorpční příčné průřezy této slupky (0 - cm ) z toho vyplývjící dlouhé luminiscenční relxční čsy (ms). Vliv nejbliţších tomů mteriálové mtrice, do které jsou umístěny opticky ktivní ionty (ktivátory) n jejich bsorpční vyzřovcí vlstnosti popisuje experimentálně teoretická Judd-Ofeltov teorie [75,76]. Přechody mezi jednotlivými eneretickými úrovněmi tomů ktivátorů vycházejí z interkcí spin-spin spin-orbit [5]. Úrovně jsou oznčovány v Russel-Sndersově notci S+ L J, kde S je celkový spinový moment, L je celkový orbitální moment J je celkový úhlový moment, dný vektorovým součtem S + L = J. Krystlové pole zákldního mteriálu podsttně ovlivňuje optické vlstnosti ktivátorů tím ţe dochází ke štěpení eneretických úrovní n multiplety, nzývné Strkův rozptyl. Abychom dosáhli zesílení záření s vyuţitím tomů vzácných zemin, zbudovných jko ktivátory do zákldního mteriálu musíme tyto tomy excitovt čerpcím zářením vhodné vlnové délky, by záření bylo v dosttečné míře bsorbováno n těchto tomech bylo dosţeno inverze obszení stvů elektronů zákldní hldiny vzhledem k hldině s vyšší enerií slupky 4f. Tyto tomy pk relxují do zákldního stvu přes multifononovou emisi, kde tyto procesy probíhjí s čsovými konstntmi excitovných stvů řádu ns ţ 00 s, nebo přes emisi fotonů, to především u přechodů s větší přechodovou enerií s dlouhými relxčními čsy. Zesilovný optický sinál, jehoţ vlnová délk bude odpovídt při vhodném výběru tomů ktivátoru některé z vlnových délek vyuţívných v telekomunikcích, bude zesilován mechnismem stimulovné emise záření n tomech ktivátorů, jejichţ koncentrce vzhledem k tomům zákldního mteriálu musí být přiměřeně volen,~0-5%, by nedocházelo k jejich vzájemnému shlukování (klstrování) párovým interkcím, které pk způsobí zhášení fotoluminiscence. Tento jev se nzývá koncentrční zhášení, které můţe být způsobeno celou řdou procesů, jko je up-konverze, nebo bsorpce n excitovných stvech tomů ktivátorů. Existuje jiţ velké mnoţství prcí, které umisťují ionty vzácných zemin do dielektrických mtric, jko jsou sodná, nebo hlinitá skl, teluridová skl, příp. LibO 3 [9] ţ [94]. Záměrem nšich výzkumných prcí bylo experimentálně ověřit vliv polymerové ornické mtrice n proces vzniku zářivé luminiscence v tomech ktivátorů, to především pro vlnové délky nm, uţívné v telekomunikcích, měřením bsorpčních luminiscenčních spekter různých koncentrcí některých vybrných tomů vzácných zemin v polymerových zákldních mteriálech typu ER PMMA. K dispozici máme 4 tomů vzácných zemin, viz tb. 4., které se liší především obszením slupky 4f. Všimněme si nejdříve iontů Er 3+, které se nejčstěji vyuţívjí u optických zesilovčů pro vlnovou délku 550 nm [7-74]. U těchto tomů se pro zesilování vyuţívá přechodů elektronů ve slupce 4f, kterých je, tři stvy jsou neobszené tím vyuţitelné pro optickou excitci. 4

48 Tb. 4. Vzácné zeminy jejich tomové číslo, elektronová konfiurce n příslušných hldinách spinový zákldní term [0]. Atomové číslo Typ vzácné zeminy RE 3+ Obszenívnějších Zákldní term 3 slupek RE 3+ RE Cerium - Ce 4f 5s 5p 6 F 5/ 59 Prseodymium - Pr 4f 5s 5p 6 3 H 4 60 eodymium - d 4f 3 5s 5p 6 4 I 9/ 6 Promethium - Pm 4f 4 5s 5p 6 5 I 4 6 Smrium - Sm 4f 5 5s 5p 6 6 H 5/ 63 Europium - Eu 4f 6 5s 5p 6 7 F 0 64 Gdolinium - Gd 4f 7 5s 5p 6 8 S 7/ 65 Terbium - Tb 4f 8 5s 5p 6 7 F 6 66 Dysprosium - Dy 4f 9 5s 5p 6 6 H 5/ 67 Holmium - Ho 4f 0 5s 5p 6 5 I 8 68 Erbium - Er 4f 5s 5p 6 4 I 5/ 69 Thulium - Tm 4f 5s 5p 6 3 H 6 70 Ytterbium - Yb 4f 3 5s 5p 6 F 7/ Tří hldinový systém eneretických úrovní přechodů pro slupku 4f u tomu Er 3+ je n obr Význmné přechody jsou zde vyznčeny šipkmi. Z toho dirmu vyplývá, moţnost čerpání bsorpcí optické enerie v tomu Er 3+ to přechodem 4 I 5/ - 4 I / s vyuţitím záření 980 nm, nebo lze vyuţít pásu 4 I 3/ zjistit čerpání bsorpcí záření 480 nm přechodem mezi úrovněmi 4 I 5/ - 4 I 3/. Tto optická čerpání se nejčstěji zjišťují polovodičovými lserovými optickými pumpmi. ásledným emisním přechodem 4 I 3/ - 4 I 5/ s enerií 0,8 ev, je enerce záření 530 nm. Poměrně široký p zbrňuje tepelnému zhášení luminiscence. Luminiscenci v oblsti 550 nm lze tké vyvolt kombincí dotce ionty Er 3+ /Yb 3+. Zde se vyuţívá rezonnce mezi hldinmi 4 I / u Er 3+ 4 F 5/ u Y b 3+. Zvýšením koncentrce Y b 3+ v polymeru n úkor iontů Er 3+ dochází úrovňovým přechodem F 7/ - F 5/ k bsorpci optického záření v oblsti 980 nm. 43

49 Obr. 4.5 Eneretické úrovně přechodů v tomu Er 3+ [A9]. Tto enerie je v důsledku výše zmíněné rezonnce předán z úrovně 4 F 5/ n úroveň 4 I / výše popsným způsobem dojde ke enerci záření 550 nm. Intenzitu záření ovlivňuje mtrice, tedy typ polymeru, do kterého jsou ionty vzácných zemin zbudovány. še výzkumy prokázly, ţe pro PMMA můţe v koncentrcích mezi ţ 0% částečně Yb nhrzovt Er. Proces kodotce erbi yterbiem se někdy dokonce jeví jko ktivnější, co se týče intenzity luminiscence, neţ enerce záření smotným erbiem, protoţe bsorpční příčný průřez tohoto přechodu u Y b 3+ je ţ desetkrát větší [77-78]. Hldinový model celého systému je znázorněn n ob Obr. 4.6 Eneretické úrovně přechodů v komplexu tomů Er 3+ Y b 3+ [A9]. I zde se podobně jko v dielektrických mteriálech sklech projevuje při vyšších koncentrcích shlukování (klstrování) tomů ktivátorů, které přes procesy vzájemné interkce iontů ktivátorů jko koopertivní up-konverze, eneretické mirce nebo cross-relxce vede ke zhášení luminiscence. 44

50 Pro zesilování optického záření v oblsti 300 nm se běţně vyuţívjí ionty d 3+ nebo Pr 3+ [79-8]. Pro neodymium se vyuţívá ke enerci záření přechod 4 F 3/ - 4 I 3/, ztím co pro prseodymium přechod G 4 3 H 5. Tto vlnová délk se vyuţívá především proto, ţe silikátová optická vlákn pro tyto vlnové délky vykzují minimální chromtickou disperzi. ízký optický zisk v silikátových vláknech všk vedl k tomu, ţe pro optické zesilovče se vyuţívjí dotce výše uvedenými prvky vzácných zemin v teluridových dlších typech vláken [80]. Dlší moţností, pro zesilování záření v oblsti 300 nm je vyuţít iontů dysprosi Dy 3+ [8]. Ke enerci záření 300 nm dochází přechodem z dubletu 6 H 9/ / 6 F / n hldinu 6 H 5/, který má vyšší bsorpční koeficient i příčný průřez neţ metstbilní hldiny G 4 pro prseodymium, obr Obr. 4.7 Eneretické úrovně přechodů v tomu Dy 3+ [A3]. Celá řd prcí věnovná opticky ktivním dielektrickým mteriálům se zbývá výzkumem n křemenných sklech dotovných Bi [83]. Velmi zjímvou vlstností je vlnová širokopásmovost fotoluminiscence, která překrývá téměř celou oblst vlnových délek druhého třetího optického okn. Prokázli jsme, ţe při dotování polymerových mteriálů Bi 3+ nebylo této širokopásmovosti dosţeno. Tto fotoluminiscence probíhl v oblsti vlnových délek 80 nm ţ 300 nm. Dlší zvýšení optického výkonu fotoluminiscence n sklech, jk uvádí práce [84], lze dosáhnout vyuţitím kodopntů (Dy 3+, Tu 3+, Yb 3+ ). Jko mtrice opticky ktivních mteriálů plnární interovné optiky se většinou vyuţivjí dielektrické mteriály, jko jsou fosfátová, sodnofosfátová sodná skl, LibO 3 tké Al O 3 /Si tké specielní skl [80-8]. Pro teoretické posouzení vlivu polymerové mtrice n optickou luminiscenční ktivitu iontů 4f vzácných zemin jsme vyuţily srovnání vlstností dielektrických polymerových mtric podle Judd-Ofeltovy teorie, viz dodtek A. Jsou zde porovnány hodnoty Judd-Ofeltových koeficientů t kde t=,4,6 příčných průřezů bs resp. bs pro námi zkoumný polymer ER [85] některé dříve zmíněné dielektrické mteriály, jko jsou různé typy skel LibO 3 dotovné ionty vzácných zemin Er 3+ / Yb 3+ [74]. Z porovnání vyplývá, ţe polymerové mtrice ER jsou vhodné pro vlnovodné zesilovče. Výzkum fotoluminiscencích spekter všk ukzuje, ţe je třeb nstvit vhodně poměr dopntu kodopntu. Interovné plnární vlnovodné zesilovče n dielektrických mteriálech, prcujících n vlnové délce záření 540 nm vyuţívjící tomů Er 3+ jko ktivátoru, jiţ byly 45

51 relizovány. Jko příkld lze uvést plnární optický zesilovč s vlnovody Al O 3 /Si se ziskem 0 db [77], obr O dlších publikovných plnárních zesilovčích n silikátových nebo fosfátových sklech je referováno v [86]. Zesilovč pouţívá bifilární čtvercovou mendrovou topoloii opticky ktivního vlnovodu, interferenční filtry n vstupu n výstupu pro multiplexci čerpcího sinálového záření n výstupu odfiltrování čerpcího záření n kruhovém rezonátoru. Z ním následuje interferenční dělič se čtyřmi výstupy. Vyuţití bifilární topoloie je velice úsporné n místo vzhledem k délce opticky ktivního vlnovodu. Obr. 4.8 Plnární vlnovodný optický zesilovč relizovný dielektrickou vrstvou Al O 3 dotovnou Er [77] Optické polymerní plnární struktury interovné optiky pro informtiku Mnoţství struktur interovné optiky, které se vyuţívjí v optických optoelektronických interovných informčních systémech subsystémech je v součsné době znčně široké. V nšem přípdě se budeme zbývt vybrnými hřebenovými knálkovými typy polymerových optických vlnovodů [87], vlnově selektivními psivními součástkmi interovné optiky tzv. triplexery, vyuţitelné pro optickou část hybridních POIO přenosového typu, které umoţňují slučovt rozdělovt vlnové informční toky u vlnových multiplexů s mlým počtem vlnových nosných, oznčovné jko CWDM. V nšem přípdě jde o tři vlnová pásm, vyuţívná v optických místních sítích PO-FTTx [88] to 30, nm, které se mohou přes triplexer šířit různými směry, tedy od vstupu n výstup, le některé (v přípdě sítí PO vlnová délk 30 nm i protisměrně) součástk musí zjistit dosttečné oddělení optických výstupů s minimálními přeslechy z jednoho vlnového knálu do druhého. V první etpě byl proveden návrh souboru součástek, pro zjištění vlnově selektivního rozdělení výše uvedených vlnových délek. áš záměr byl veden především myšlenkou nhrzení mikrooptické vlnově selektivní části HIOS WDM trnsceiveru, relizovnou dvousystémovou objemovou holorfickou mříţkou (VHG) částí, relizovnou strukturmi plnární interovné optiky. Optických plnárních duplexních triplexních struktur n SiO /Si nebo n Si byl publikován celá řd. Struktury vyuţívjí systému postupně řzených optických plnárních odbočovčů s TFF filtry, které vychází nejrozměrnější [36], dále kombince několik směrových vzebních členů [35] někdy doplněných s Brovskými mříţkmi, nebo s fázovou optickou mříţkou AWG (rry wve rtin) [69]. Tyto struktury vyuţívjí kontrstu indexu lomu n = 0,3 -,5%. Optické 46

52 interovné obvody n polymerech prcují s velkým kontrstem indexu lomu n = 3-6%, coţ umoţňuje relizovt ostře zhnuté vlnovodné linie při mlém vloţném útlumu vyzřováním, zjišťuje dobré oddělení nvzujících optoelektronických částí, sniţuje vzební ztráty při vzbě n optické křemenné vlákno ve výsledku tké zmenšuje optickou část. Polymerové triplexní členy vyuţívjí především jedno nebo dvoustupňových multividových interferenčních členů (MMI) [70]. V nšem přípdě bylo nvrţeno nové SM řešení, které kombinuje vlnově selektivní MMI filtr [A59], nvrţený pro vlnové délky 490nm 550 nm, se směrovým vzebním členem, který zjišťuje zvedení vlnové délky 30 nm ve zpětném směru do triplexní struktury [A60], kp S výhodou lze vyuţít vysokou směrovost, kterou tento prvek vykzuje. V součsné době prcujeme n technoloickém návrhu MM řešení triplexeru s optickým výkonovým děličem s vlnovodnými filtry umístěnými n jeho rmenech. ávrh vychází z vlnovodných filtrů s Brovskou mříţkou, viz kp Výsledky vlstních prcí utor resp. prcí s účstí utor 4.. Optické polymerní plnární struktury n ktedře mikroelektroniky Optické polymery viz kp. 4. jsou trktivní mteriály pro výrobu optických struktur, jk jiţ bylo výše uvedeno, pro sndnou relizci, nízkou cenu tké dobré prmetry optimlizovných optických struktur. V rámci řešení výzkumného záměru [G] rntů GAČR [G], MPO-TIP [G3] byly zkoumány některé nové postupy ovlivňování vlstnosti optických polymerů, jko indexu lomu polymerové vrstvy povrchové morfoloie, působením elektrického pole z působení zvýšené teploty tepelného profilování polymerové vrstvy lserovým svzkem. V nšich výzkumných prcích jsme rovněţ sledovli optickou ktivitu vybrných polymerových mteriálů PMMA ER, dotovných vybrnými prvky vzácných zemin Er 3+, Yb 3+, Tm 3+ Dy 3+, které vykzují optickou fotoluminiscenci především v telekomunikčních pásmech vlnových délek druhého třetího optického okn. Dlší práce pk byly věnovány výzkumu polymerových mteriálů dotovných Bi jejich porovnání s mteriály, kde vedle Bi, který zde byl obsţen v koncentrci do % byly jko kodopnty uţity prvky Dy 3+, Ce 3+ Y 3+. O výsledcích výzkumu vzorků opticky ktivních polymerových mteriálů viz odst V části nšeho výzkumu týkjícího se návrhu, relizce měření vlstností vybrných polymerových plnárních součástek interovné optiky byl proveden návrh stnoveny technoloické postupy relizce, s ohledem n vyuţitelnost těchto součástek pro hybridní interovné optoelektronické struktury (HIOS), viz. kp. 3. Cílem bylo nhrdit mikrooptickou část HIOS plnárními polymerovými strukturmi interovné optiky. S ohledem n vlstnosti studovných optických krylátových epoxidových polymerových mteriálů byly zvoleny z celé řdy zkoušených mteriálů polymery PMMA, PMMI ER, které jsou vhodné pro relizci plnárních optických polymerových vlnovodů dlších plnárních součástek jko optických výkonových vlnových děličů, směrových vzebních členů, optických Brovských vlnovodných mříţek.p. Jko perspektivní mteriály v nšem dlším výzkumu pk jsou Ormocld/Ormocore pro moţnost nstvení i velmi mlých rozdílů indexu lomu chemickou cestou, které umoţňují dosáhnout u SM optických struktur rozměrů, vhodných pro relizci motivů UV litorfií. 47

53 počátku jsme se změřili n návrh eometrických prmetrů polymerních plnárních celoplošných D 3D lterárně vymezených optických vlnovodů. ávrh rozměrů vycházel z numerického řešení disperzní rovnice vlnové rovnice pro jednotlivé vrstvy plnárního vlnovodu. Ten byl dále upřesněn simulcí s vyuţitím prormového blíku BemPROP (BMP)od firmy R Soft, které vyuţívjí sklárního řešení Helmholtzovy rovnice metodou konečných prvků. ěkteré specielní MM vlnovody pk byly nvrţeny prormem Opticd, který řeší optické objekty pprskovou metodou. Simulce v prormu BMP resp. FullWAVE (FW), který prcuje s úplným vektorovým řešením Mxwelových rovnic, byly vyuţity tké k návrhu sloţitějších plnárních struktur interovné optiky, jko je SM vlnový triplexní člen s kruhovými rezonátory. Pro MM řešení pk výkonový dělič s vlnovodnými filtry. Těchto prvků bylo vyuţito pro řešení plnárního optického triplexního členu pro optickou část WDM trnsceiveru. Technoloický návrh optických plnárních součástek vycházel z výše uvedených optických polymerů řešil metody relizce těchto součástek. Pro optické součástky, relizovné z vybrných typů polymerů, byl pouţit optická UV litorfie, u omezeného počtu vybrných vzorků elektronová litorfie. Vlstnosti nvrţených relizovných vzorků jsou uvedeny v kp Vrintně byl pro relizci optického hřebenového plnárního vlnovodu PMMA odzkoušen nový postup vyvinutý n spoluprcujícím prcovišti VŠCHT, spočívjící v ovlivňování polárních vlstností molekul (indexu lomu) polymeru PMMA jeho povrchové morfoloie elektrickým polem z součsného působení teploty [A5], viz kp Řešení vlnově selektivních plnárních polymerových optických prvků s vyuţitím Brovských vlnovodných mříţek, vhodných jk pro informtiku, tk pro senzoriku probíhá v součsnosti řešeném rntu MPO-TIP [G3], orientovném n periodické plnární struktury. Při řešení rntu bylo vyuţito nové ptentovné metody zhotovení plnárních optických mříţek tepelně mechnickým tvářením polymeru lserovým svzkem, vyvinuté n VŠCHT v Prze [89]. Tto metod umoţňuje vytváření periodických polymerových mříţek ţ do submikronových rozměrů teplo indukujícím zářením, viz dílčí výzkumná zpráv [A37]. Brovské vlnovodné mříţky byly relizovány ve dvou zákldních vrintách. Tepelným tvářením hřebene polymerového vlnovodu ER tepelným tvářením polymeru PMMA, nneseného n dielektrický skleněný knálkový vlnovod s výměnou iontů A + +. Zvolené postupy první výsledky jsou uvedeny viz kp Technoloie relizce optických vlnovodů Brovských mříţek ovlivňování indexu lomu povrchové morfoloie optických polymerů. V rámci výzkumných prcí n rntu [G] bylo nvázáno n význmné výsledky výzkumných prcí relizovných n VŠCHT při výzkumu ovlivňování indexu lomu [58] povrchové morfoloie [57] opticky trnsprentního PMMA vyplývjících z Tylorovy teorie s cílem vyuţít tyto jevy pro relizci knálkových hřebenových optických vlnovodů, nnovlnovodů Brovských mříţek resp. nnomříţek [89]. V rámci těchto příprvných prcí bylo zjištěno, ţe v rozshu působení elektrického pole do kv/cm lze ovlivnit index lomu v rozshu,4 ţ,475. Rovněţ probíhá působením elektrického pole změn povrchové morfoloie v rozshu koeficientu povrchové nerovnosti R = 0, ţ 0,8. 48

54 Heiht (µm) prcovišti VŠCHT ve spolupráci s FEL ČVUT byly v rámci řešení rntu [G] ověřeny rozprcovány nové technoloické postupy relizce struktur interovné optiky zloţená n tvrovém zprcování polymerních tenkých vrstev PMMA (polymethylmetkrylt) s vyuţitím silového působení elektrického pole z teploty, blízké teplotě tvení polymeru (T f = 75 C). Polymerní vrstv byl vyhřátá po celé ploše součsně bylo lokálně plikováno elektrické pole pomocí elektricky vodivé msky ve tvru úzkého prouţku po dobu hodin. V místě silového působení elektrického pole došlo k vytţení části polymerní vrstvy [A8]. Po zchldnutí v elektrickém poli lze tímto způsobem tvrovt polymerní vrstvu do útvrů s mikroskopickými rozměry (stovky nm ţ desítky mikrometrů) tk ji vyuţít pro konstrukci hřebenového vlnovodu přípdně dlších sloţitějších prvků interovné optiky obr ) b) Lenth (µm) Obr. 4.9 Knálkový vlnovod PMMA vytvořený z působení teploty selektivní el. pole [A8]. ) Fotorfie z optického mikroskopu b) Záznm z Tlystepu vytţené části polymerní vrstvy v řezu. 49

55 Pro ověření vlnovodných vlstností byly vytvořeny vzorky obloukových vlnovodů Y rozbočnice, do kterých bylo zvedeno záření 633 nm, prokzující ohyb resp. rozbočení záření, vzniklé vlnovodnými vlstnostmi hřebenového polymerového vlnovodu, viz. obr. 4.0,b. ) b) mm A mm B Obr. 4.0: Vedení záření 633 nm elektricky tepelně profilovným hřebenovou vlnovodnou strukturou [A8] )Obloukový vlnovod b) rozbočení Y- A) Msk, B) relizovná Y rozbočnice, C) rozbočená světel stop C 50

56 V rámci řešení rntového projektu [G3] viz. výzkumná zpráv [A36] je rozprcován i dlší technoloický postup [89], zloţený n tvrovém zprcování polymerních tenkých vrstev s vyuţitím tepelného součsně silového působení lserového svzku. Tento jev je opět zloţený n Tylorově teorii [6] umoţňuje relizci polymerních periodických struktur s mikronovými submikronovými rozměry, coţ umoţní relizci vlnově selektivní termoopticky profilovné Brovské mříţky mříţek s dlouhou periodou, viz. obr. 4., konstrukci opticky selektivního vlnovodného filtru [A35] následně, s vyuţitím MM plnárního výkonového děliče [90], tké MUX/DEMUX vlnové rozbočnice. Obr. 4.: Vlnovodný filtr s Brovskou mříţkou [A35] Technoloie relizce polymerních Brovských mříţek je následující, viz. obr. 4. [89]. křemíkové podloţce s vrstvou SiO je metodou spin-cotin připrven vrstv PMMA, nebo ER (SU8). tuto vrstvu metodou dip-cotin byl nnesen tenká vrstv porfyrinu, který velmi účinně bsorbuje záření v oblsti vlnových délek 400 ţ 40 nm. Tto struktur byl podroben periodickému ohřevu pomocí zostřeného lserového svzku konfokálního mikroskopu s vlnovou délkou 405 nm, který skenuje plochu ţ 000x00 m. Vzorek struktury s polymerní vrstvou se součsně mechnicky pohybuje ve směru skenovného svzku. Polymerní vrstv je tkto periodicky tepelně lokálně ohříván (dáno rychlostí skenování lserového svzku) n teplotu větší neţ teplot měknutí T f.. Při součsném mechnickém pohybu dochází i k periodickému tlkovému působení tím i periodické změně tloušťky vrstvy. Obr. 4.: Schém působení skenovného lserového svzku součsného mechnického pohybu vzorku n tvrování polymerní vrstvy [A36]. 5

57 Periodicit či mříţková konstnt tkto připrvených mříţek je ţ 0,3 m. Je zřejmé, ţe je v technoloických moţnostech této metody tj. volbou skenovcí rychlosti lserového svzku rychlosti pohybu vzorku, dosáhnout mříţkové konstnty i řádu desetin ţ několik desítek mikrometrů. Změnou rychlosti pohybu vzorku lze plynule měnit i mříţkovou konstntu, coţ je zásdní výhodou pro optimlizci Brovské mříţky s prostorově modulovným profilováním. Příkldy vyrobených periodických struktur (optických nnomříţek) jsou uvedeny n obr. 4.3 obr Lze předpokládt vyuţití tkto vyrobených mříţek jko optických filtrů, nebo jko vzebních mříţek k nvázání optického sinálu do knálkových vlnovodů. Tento popsný postup bude rozprcován vyuţit k ověření polymerních periodických struktur s mikronovými submikronovými rozměry, coţ umoţní relizci vlnově selektivní termoplsticky profilovné Brovské nnomříţky mříţky s dlouhou periodou, vyuţitelné pro konstrukci opticky selektivního filtru následně MUX/ DEMUX vlnové rozbočnice. Obr. 4.. Povrch hloubkový profil připrvené polymerní mříţkové struktury z AFM mikroskopu [A36]. Obr. 4.. Povrch hloubkový profil připrvené polymerní mříţky, fotorfie z konfokálního mikroskopu [A36]. Výhodou nvrţeného postupu je moţnost výroby náročných periodických polymerních nnostruktur mimořádně jednoduchým postupem. Postup umoţňuje příprvu mříţek s velmi přesnou, předem určenou polohou, eometrickou orientcí, periodicitou mplitudou. Aplikce součsného monitorinu odrţeného lserového záření poskytuje moţnost definovt pozice mříţky s přesnosti 0 nm její orientcí 5

58 s přesností. Periodicit mříţek se můţe měnit od stovek nnometrů do desítek mikronů. Amplitud mříţek se pohybuje od několik do stovek nnometrů. ení třeb sloţité náročné elektronové litorfie či holorfie neméně náročného leptání pomocí rektivního iontového tvrování povrchu polymeru (RIE Rective Ion Etchin). Výše uvedený postup řeší i jeden z klíčových prvků interovné fotoniky, protoţe jej lze vyuţít jko optický reflexní filtr nebo optický vzební prvek pro nvázání záření do polymerního vlnovodu Pro kvlitní slučování nebo oddělování hustého spektr vlnových délek jsou zpotřebí součástky s velmi účinnou difrkcí, coţ tké umoţňuje výše popsný princip Výzkum spektrálních vlstností vybrných polymerových mteriálů dotovných opticky ktivními ionty vzácných zemin, bizmutu, ceri yttri. Studium opticky ktivních polymerových mteriálů probíhl n ktedře mikroelektroniky ve skupině optoelektroniky od roku 005. Okrjově byly v těchto letech tké zkoumány optické vlstností ktivních dotcí polovodičových mteriálů zejmén G uhlíku [A37], [A38]. Pro nše výchozí výzkumné práce byl zvolen PMMA [A39], se kterým byly n nšich prcovištích největší zkušenosti ER jko perspektivní polymer s nízkým útlumem v telekomunikčních útlumových oknech, vysokou stbilitou prmetrů vyšší hodnotou indexu lomu [A30]. Vzorky vrstev polymerů, byly připrveny metodou spin-countin n Si, Si/SiO, nebo skelných podloţkách. Výchozím mteriálem pro dotce ktivátory byly chloridy fluoridy některých vzácných zemin, které byly rozpuštěné ve vhodném roztoku, přidné do polymeru s objemovými koncentrcemi mezi ţ 0%. Tenké vrstvy polymeru PMMA ER byly dotovány vzácnými zeminmi - Er 3+ [A9], Er 3+ /Y b 3+ [A30], Dy 3+ [A3], Tm 3+ [A3], Ho 3+, Eu 3+, d 3+ [A33]. áš výzkum byl změřen n experimenttální určení optimálního mnoţství dotce pro mximální luminiscenci s ohledem n typ dotce typ zákldního polymeru. Při vyšších mnoţstvích dotujícího ktivátoru docházelo totiţ ke zhášení luminiscence vzájemným ovlivňováním tomů ktivátorů klstrováním [9], viz 4... Byl sledován infrčervená bsorpční spektr FT-IR n přítomnost C-H O-H sloţek s vyuţitím Bruker IFS 66/v FTIR spektrometru, trnsmisní spektr n UV-VIS- IR spektrofotometru Shimdzu UV-3600 luminiscenční spektr, měřená při pokojové teplotě i při podchlzení 4K (He), Z měření v infrčervené oblsti vyplývá přítomnost uhlíko-vodíkových (C-H) vodíko-kyslíkových (O-H) sloţek spojených s hydroskopickými vlstnostmi, jk vlstních polymerových mteriálů, tk ve větší míře s fluoridy chloridy výše uvedených vzácných zemin, které jsou silně hydroskopické [A3] přítomnost těchto iontů výrzně ovlivňovl bsorpci vzorků v rozshu 800 ţ 3600 cm -, viz obr Z obrázku, uvedeného jko příkld bsorpční spektrální odezvy, jsou ptrná spektrální mxim O-H vzeb n 3349 resp cm - C-H vzeb polymerové mtrice n 953 resp. 965 cm - [A48]. Dlší bsorpční mxim 953 resp. 965 cm - vznikjí od C-H vzeb polymerové mtrice. 53

59 Obr. 4.3 Infrčervená bsorpční spektr ) PMMA vzorků dotovná Er 3+ s vyuţitím ErCl, b) ER vzorky dotovné d 3+ s vyuţitím dcl [A33]. Pokud všk tyto spektrální bsorpční chrkteristiky nezshují do IR, tedy nd 5000 cm -, nedojde k ovlivnění fotoluminiscenčních spekter iontů vzácných zemin pro námi sledovná optická pásm, nvíc tto bsorpce byl velmi slbá. Z nměřených trnsmisních spekter je dobře ptrná přítomnost některých bsorpčních pásů odpovídjících termům v tomech dného ktivátoru. Tyto úrovně jsou chrkteristické poklesy trnsmise. V [A9] byly uvedeny trnsmisní spektr závislosti velikosti bsorpce n koncentrci vzácné zeminy v polymeru PMMA dotovného Er Y b tké polymeru ER s dotcí d 3+ Dy 3+. Vybrná odměřená trnsmisní spektr ktivátorů, která odpovídjí vzácným zeminám u nichţ byl následně pozorován tké fotoluminiscence jsou dále hodnocen vybrná uveden n obr obr Obr. 4.4 Trnsmisní spektr PMMA dotovné ) Er 3+ ionty, b) Er 3+ + Y b 3+ ionty (Er 3+ je %) [A9]. 54

60 V první řdě jde o pět úrovní Er 3+ s výrzným bsorpčním pásem H / pro vlnovou délku 50 nm, ve druhém Er 3+ /Y 3 b jde o pás F 5/ od tomů Y 3+ b pro vlnovou délku 980 nm, která se vyuţívá pro čerpání Er-optických zesilovčů. Ke enerci záření 550nm dochází pk u obou typů dotce přechodem 4 I 3/ - 4 I 5/, který všk nebyl dnou metodou měření zznmenán. Obr. 4.5 Trnsmisní spektr polymeru ER dotovné ) d 3+ ionty, b) Dy 3+ (Er 3+ je %) [A33]. Trnsmisní spektrum Dy 3+,viz. obr. 4.5, je chrkterizováno bsorpční pásy 6 F 7/ pro vlnovou délku 906 nm 6 F 3/ pro 807 nm. Z hledisk plikce pro optické zesilovče je pk význmný přechod 6 H 9/ / 6 F / - 6 F 5/ pro enerci záření 300 nm. Studovná luminiscenční spektr byl měřen jk při podchlzení n 4K, tk při pokojové teplotě. U vzorků s ktivátory Eu 3+ d 3+ nebyl ni při podchlzení pozorován fotoluminiscence, u vzorků Tm 3+ v ER mtrici byl při podchlzení n 4K sledován velmi slbá odezv při čerpání 63,8 nm (He-e lser) n vlnových délkách nm. Měřená luminiscenční spektr ukázl n nejvyšší účinnosti luminiscence pro oblst třetího optického okn u PMMA ER mtrice s ktivátorem Er 3+ s ko-dopntem Y 3+ b. Zvyšováním koncentrce Er 3+ v dotčním disolventním roztoku n 0% nebo kombincí % opticky ktivního Er 3+ s 0% ko-dopntu Y 3+ b, bylo dosţeno podsttného zvyšení luminiscence v oblsti 550 nm. Pro ob polymery mělo zvýšení dotce nd 0% z následek pohsínání luminiscence, vznikjící klstrováním tomů ktivátorů. Odměřená fotoluminiscenční spektr jsou n obr. 4.6, 4.7. Čerpání pouţívá polovodičový lser 980 nm zářivá odezv přechodu 4 I 3/ - 4 I 5/ je n 540 nm přípdně 538 nm. Obr. 4.6 Fotoluminiscenční spektr PMMA s dotcí ) Er 3+ ionty, b) Er 3+ + Y b 3+ ionty (Er 3+ je %) [A33]. 55

61 3 Pro ER všk zvyšování ko-dotce Y b nd 5% jiţ nemá vliv n intenzitu fotoluminiscence, viz obr Ovlivňování vlnové délky typem mtrice lze tké dokumentovt n posuvu spektrálního mxim n 538 nm. Obr. 4.7 Fotoluminiscenční spektr ER s dotcí ) Er 3+ ionty, b) Er 3+ + Y b 3+ ionty [A33]. Pro oblst druhého optického okn byl fotoluminiscence sledován u polymeru ER s dotcí ionty Dy 3+ přechod 6 H 9/ / 6 F / - 6 F 5/ pro podchlzení 4K [A3], [A33]. Excitce byl zjišťován polovodičovým lserem 87 nm He-e lserem 63,8 nm. Při podchlzení n 4K byl fotoluminiscence pozorován pro čerpání oběm vlnovými délkmi to silnější pro 340 nm při čerpání 63,8 nm, kde optimální mnoţství Dy 3+ bylo 0% slbší tké n 309 nm při buzení 87 nm. Zde optimální koncentrce ktivátoru byl 5%. Fotoluminiscenční spektrální průběhy jsou uvedeny n obr průběhu je ptrný vliv zhášení fotoluminiscence pro dotci 5% Dy 3+ vlivem předotování polymeru ER tomy ktivátoru. Obr Fotoluminiscenční spektr polymeru ER s dotcí Dy 3+ při podchlzení n 4K ) excitční vlnová délk 63 nm, b) excitční vlnová délk 87 nm [A33]. 56

62 Dlší výzkumné práce byly změřeny n oblst fotoluminiscence v polymerech typu ER dotovných Bi, viz obr 4.0 [A40]. tyto úvhy nás přivedl rozsáhlá řd publikovných prcí, věnovných fotoluminiscenci n křemenných sklech dotovných Bi [83]. Velmi zjímvou vlstností je vlnová širokopásmovost fotoluminiscence, která překrývá téměř celou oblst vlnových délek druhého třetího optického okn. Při dotování polymerového mteriálu ER prvkem Bi 3+ nebylo této širokopásmovosti dosţeno. Tto fotoluminiscence probíhl v okolí oblsti vlnových délek 80 nm ţ 300 nm. Oproti dotcím s Dy 3+ všk nebylo třeb měřené vzorky podchlzovt měření probíhl při pokojové teplotě. Zvýšení optického výkonu fotoluminiscence jk uváděl práce [84] dlší, lze dosáhnout vyuţitím kodopntů (Dy 3+, Yb 3+ ). Měřením fotoluminiscenčních spektrech ER dotovného Bi bylo moţno tyto závěry potvrdit. Jko kodopnt bylo vyuţito Dy 3+, Ce 3+, Y 3+, které dle uvedených prcí mohou mít velký koktivční účinek. Jko u předchozích měření byl nejdříve změřen trnsmisní spektr ER dotovného % koncentrcí Bi. Příkld trnsmisních spekter s kodopnty je uveden n obr Z měření při vyšších koncentrcích Dy 3+ jsou dobře ptrné polohy jednotlivých bsorpčních pásů při nižších koncentrcích všk pásy mizí. Trnsmisní spektrum dobře ukzuje polohy pěti bsorpčních pásů, z nichž výrzné jsou pásy F 5/ odpovídjící 804 nm F 7/ odpovídjící 906 nm. Měření neprokázlo existenci bsorpčního pásu 6 H 5/ odpovídjící vlnové délce 973 nm. Měření ukzuje i přítomnost spektrálního pásu X odpovídjícího vlnové délce 436 nm. Tento pík je spojen s existencí disprosi mohl by odpovídt pásu 6 H /. měření trnsmise pro kodopnty Ce 3+, Y 3+ nejsou ptrné žádné bsorpční píky, což bylo očekáváno, protože tyto prvky nemjí pro měřené vlnové délky žádné bsorpční pásy. Měření fotoluminiscenčních spekter při pokojové teplotě jsou uveden n obr. 4.0 ž obr. 4.. Obr. 4.9 Trnsmisní spektr polymeru ER dotovného Bi (Bi je %) při různých koncentrcích kodopntů ) Dy 3+ ionty, b) Ce 3+ Y 3+ ionty [A40]. 57

63 Obr Fotoluminiscenční spektr pro ER dotovný Bi při pokojové teplotě. ) excitční vlnová délk 980 nm, b) excitční vlnová délk 808 nm [A40]. Obr. 4. Fotoluminiscenční spektr pro ER dotovný Bi (Bi dotce je %) při pokojové teplotě. Jko kodopnt je Ce 3+, ) excitční vlnová délk 980 nm, b) excitční vlnová délk 808 nm [A40]. 58

64 Obr. 4. Fotoluminiscenční spektr pro ER dotovný Bi (dotce %) při pokojové teplotě čerpcí vlnové délce 808 nm, ) jko kodopnt je Di 3+, b) jko kodopnt je Y 3+ [A40]. Z nměřených výsledků je ptrné, ţe fotoluminiscenci v ER výrzně ovlivňuje přítomnost Bi při měření bez kodopntů projevuje se pohsínání fotoluminiscence podobně jko v osttních přípdech dotcí při koncentrci nd 5%. Při přítomnosti kodopntů jko jsou lnthnoidy Ce 3+, Di 3+, le tké Y 3+ dochází nezávisle n procentním obshu Bi v polymeru ER k ktivci fotoluminiscence při pokojové teplotě. Mximální procentní obsh kodopntu, kdy docházelo k zhášení fotoluminiscence je opět 5 ţ 0%. Dotce ER polymeru Bi s fotoluminiscencí v oblsti 80 ž 300 nm může být využitelné především u plnárních polymerových optických zesilovčů vlnovodových lserů prcujících v oblsti druhého optického okn ávrh relizce vybrných typů optických polymerových plnárních vlnovodů U optických plnárních vlnovodů bez ktivátorů pro propojování dlších optických členů v optických optoelektronických interovných obvodech byl výzkum změřen n návrh relizci optických polymerových vlnovodů s útlumem srovntelným s plnárními vlnovody n dielektrických mteriálech jko je SiO, SI 3 4, optická skl nebo LibO 3, s kvlitní fsetou, stbilními optickými vlstnostmi sndnou relizcí ve výrobě [A4]. K finncování těchto prcí bylo vyuţito prostředků z rntů [G] výkumného záměru [G]. Geometrické rozměry byly určeny primárně návrhem s vyuţitím modifikovné dispersní rovnice [95], ze které lze stnovit příčné rozměry plnárního vlnovodu, počet vedených vidů kritickou tloušťku. vrţené rozměry pk byly ověřeny dolděny simulcí v prormu BMP od firmy R Soft. V rámci výpočtů následných simulcí, které byly podkldem pro technoloický návrh byly neustále zpřesňovány se ukázlo, ţe ob příčné rozměry vlnovodů tedy tloušťk h šířk w vycházel pro vyuţité typy polymerů jednovidový (SM) reţim v okolí, nebo dokonce pod m viz tb. 4. ţ 4.4. Tto skutečnost je následkem reltivně velkého kontrstu indexu lomu n rozhrních jádr pláště polymerových vlnovodů n~3 59

65 5 % ukzovl n problémy s litorfickou fází relizce optických SM plnárních vlnovodů tké s optickou vzbou do těchto vlnovodů při nvázování záření z vláknových optických vlnovodů nebo optoelektronických polovodičových zářičů. Vlstní vlnovodné struktury byly následně relizovány ve dvou topoloických vrintách - jko hřebenové plnární vlnovody, obr. 4.3,c nebo knálkové vlnovody, obr. 4.3 b. Výchozím mteriálem jádr vlnovodu byl vzhledem k výborné dlouhodobé stbilitě prmetrů fotorezistivní, vlstnostem vybrán v prvé řdě polymer Epoxy novolk resin (ER) AO TM SU-8 SU-0 (Micro Resist Technoloy GmbH), vrintně byl vyuţit polymethylmethkrylimid (PMMI) Pleximid, který má výhodnější prmetry z hledisk optického útlumu v IR oblsti, neţ kupř. PMMA. Pro SU8 hřebenové i knálkové polymerové vlnovody byl vyuţit UV litorfie, motivy byly relizovány n podloţkách Si s odělovcí mezivrstvou SiO [A4], vrintně n GAs s odělovcí mezivrstvou SiO nebo z vyuţitím polymerového mteriálu CYTOP [A4], pouze hřebenová vrint. Při relizci knálkových vlnovodů byl upltněn technoloický postup Fischbeckův [96], který předpokládá leptání motivu v oddělovcí vrstvě, která se následně vyplní polymerem, který tvoří jádro vlnovodu. Tto vrstv musí být nnesen ve větší tloušťce, dle hloubky knálku, přesný technoloický postup relizce vlnovodů, viz. [A43]. Vyuţitím polymeru CYTOP v oddělovcí vrstvě jsme sledovli především zjednodušení technoloie relizce optických plnárních vlnovodů o proces termické oxidce křemíku, nebo chemického npřování oddělovcí vtstvy SiO n GAs (PECVD). Jko krycí vrstvy bylo uţito polymeru PMMA. Oddělovcí mezivrstv slouţí k nstvení podmínek totálního odrzu, tedy sníţení indexu lomu, mezi substrátem jádrem plnárního vlnovodu. Tloušťk oddělovcí vrstvy musí zručit, by enerie evnescentní vlny vyvázřená do substrátu byl dosttečně mlá (< 0,%). Monokrystlická podloţk GAs (00) umoţňuje reltivně sndno vyrobit štípáním kolmou opticky kvlitní hrnu knálkového vlnovodu pro vstupní výstupní fsetu vlnovodu. Vlnovody z polymeru PMMI byly provedeny pouze v knálkové vrintě, která předpokládá mskování leptní oddělovcí vrstvy ne ktivního jádr vlnovodu. Toto je tké výhod trohoto postupu, který do ktivní vrstvy jádr neznáší ţádné povrchové poruchy, vzniklé jeho odleptáváním. Výsledky návrhu, relizce měření jsou uvedeny v [A44]. 60

66 Obr Polymerové optické plnární vlnovody ) Hřebenový vlnovod ER n Si podloţce s oddělovcí vrstvou SiO b) Knálkový vlnovod ER n Si podloţce s oddělovcí vrstvou SiO c) Knálkový vlnovod ER relizovný n polymerní podloţce Cytop K návrhu eometrických rozměrů polymerových optických vlnovodů pro dný počet vidů lze pouţít D nebo 3D model [95], který je všk nepoměrně sloţitější předpokládá šíření tzv. hybridních vidů HE mp, EH mp. V nšem přípdě, kdy je vrstv jádr většinou velmi tenká, ve směru kolmém n lterární můţeme šíření elektromnetivké vlny vyjádřit D proximcí. Pro určení kritických rozměrů vlnovodu pro šíření jediného vidu v jádře optického vlnovodu byly vyuţity pro TE vlnu vzthy (4.3), (4.4) pro TM vlnu (4.5), (4.6), které lze odvodit z dispersní rovnice (4.). Tto rovnice je odvozen z podmínky příčné fázové rozonnce formulovné rovnicí (4.) []. k h m (4.) fx fs fc kde k fx je průmět modulu vlnového vektoru optické vlny do příčného směru vlnovodu stotoţněného s osou x, fs fc jsou fázové posuvy při totálním odrzu n dielektrických rozhrních mezi jádrem, pláštěm substrátem, m je celé číslo m = 0,,,3 6

67 n f neff ns n f neff nc k0 h n f neff rct rct m (4.) n n n n n n S f eff kde n eff je efektivní index lomu, je koeficient závislý n polrizci. Pro TE je =0, pro TM je =. Grfickým nebo numerickým řešením dispezní rovnice (4.) pk lze určit závislost efektivního indexu lomu n eff n normovné vlnové délce, která váţe pro dné eometrické rozměry vlnovodu počet šířených vidů. Pokud předpokládáme, ţe n s > n c pk pro mezní podmínku vedení vidu pltí n s = n f. Z toho jednoduchou mtemtickou úprvou dispersní rovnice (4.), lze odvodit vzthy pro určení kritické tloušťky jádr vlnovodu h cm počtu vedených vidů m pro vlnu TE (4.3), (4.4) kritické šířky vlnovodu w cm počtu vedených vidů p pro vlnu TM (4.5), (4.6). Pro kritickou vlnovou délku c pltí vzthy (4.7), (4.8). Těchto závislostí bylo vyuţito k určení kritických rozměrů h cm w cm pro TE TM vlnu polymerových hřebenových i knálkových vlnovodů, viz obr. 4. pro jednovidové šíření optické vlny [A43]. Odvozené vzthy pro tloušťku substrátové plášťové vrstvy h cld,m h sub,m jejich odvození je uvedeno v dodtku B. Pro TE vlnu pltí n n m Int h n f ns rct (4.3) n n 0 C S f f C S eff Pro TM vlnu pltí cm 0 ns nc m rct n n f ns f ns h (4.4) n f n n p Int h n f ns rct (4.5) n n n 0 C S f C S cm n 0 f ns nc p rct n f n n S C n f ns w (4.6) Mezni vlnovou délku 0c pro TE vlnu lze vyjádřit jednoduchou úprvou z výše uvedených rovnic (4.7) 0c S f n n h n f ns m rct (4.7) n n C S Pro TM vlnu pltí 6

68 0c C n f n n h n f ns m rct (4.8) n n n S f C S kde h cm resp. w cm je mnimální tloušťk respektive šířk vlnovodné vrstvy pro m tý resp. p-tý vid, m resp. p je počet vidů, n p resp. n s jsou index lomu pláště substrátu, n f je index lomu jádr vlnovodu, je vlnová délk záření ve vkuu vedeného optickým vlnovodem. Při návrhu byly vyuţity indexy lomu pro jednotlivé polymerové mteriály, které uvádí tb Pro jednovidový ţebrový vlnovod, kde m= vybrné vlnové délky jsou vyčíslené hodnoty tlouštěk uvedeny v tb Tb. 4.3 Tbulk měřených indexů lomu v závislosti n vlnové délce pro vyuţité mteriály optických plnárních vlnovodů [97]. Wvelenth (nm) Cytop SiO PMMA PMMI (8805) SU8(ER) 650,339,465,486.59, ,339,460,48,53,589 30,338,456,478,59,58 550,337,456,477.58,58, Tb. 4.4 Geometrické rozměry SM ţebrového vlnovodu ER s pláštěm PMMA SiO dielektrickou oddělovcí vrstvou pro TE 0, TM 0 vlnu [A3]. Wvelenth (nm) h c0 ( m) h Sub,0 ( m) h Cld,0 ( m) w c,0 ( m) 650 0,7 0,78 0,90 0, ,74,03, 0,68 30,5,6,89,06 550,36,9,3,5 63

69 Tb. 4.5 Geometrické rozměry SM ţebrového vlnovodu ER s pláštěm PMMA Cytop polymerovou oddělovcí vrstvou pro TE 0, TM 0 vlnu [93]. Wvelenth (nm) h c0 ( m) h Sub,0 ( m) h Cld,0 ( m) w c,0 ( m) 650 0,45 0,53,09 0, ,60 0,70,45 0, ,93,09,9 0,78 550,0,30,7 0,9 Z výsledků návrhu je ptrné, ţe rozměry vlnovodů jsou mimo moţnosti relizce běţnou UV litorfií bylo by je moţno relizovt pouze elektronovou litorfií se suchým leptáním, která má ovšem jistá rozměrová omezení, co se týče velikosti motivů. Poněkud lépe vychází hřebenový vlnovod s SiO, protoţe kontrst indexu lomu oddělovcí vlnovodné vrstvy je menší. Jde o důsledek reltivně velkého kontrstu indexů lomu =0,04 u rozhrní ER/PMMA ţ 0,44 u ER/Cytop pro 30 nm. Dlším problémem u tkto konstruovných vlnovodů je přímé nvázání optického záření do plnárního vlnovodu z vlákn, nebo z ktivní vrstvy polovodičové LD přes fsetu optického vlnovodu. Tuto vzbu je moţné relizovt prostřednictvím Brovské mříţky, nebo vlnovodného plnárního klínu [3]. Srovntelné prmetry jednodušší relizci lze dosáhnout vyuţitím jednovidových knálkových vlnovodů viz obr. 4.b. Metodou návrhu těchto vlnovodů jsme se tké zbývli v [A44]. Zákldem je známý Fischbeckův návrh [93], vyuţívjící knálek v oddělovcí vrstvě t, který je následně zlit polymerovou vrstvičkou definovné tloušťky h. Vzth odvozený Fischbeckem určující poměr šířky knálku w tloušťky vlnovodné vrstvy h pro jednovidový reţim je uveden v (4.9). w h 0,3 Rovnice pltí z podmínky (4.0), která zručuje dosttečné vlnovodné vlstnosti knálku, vzhledem k tloušťce vlnovodné vrstvy. t h t h (4.9) h t (4.0) Šířku knálku w pk lze určit ze vzthu (4.) modifikcí vzthu pro krytickou tlošťku vlnovodné vrstvy (4.4) 0 w (4.) n f ns Sníţení velkého kontrstu indexu lomu u vlnovodů s ER jádrem bylo relizováno návrhem jednovidových knálkových vlnovodů s PMMI jádrem. Výsledky výpočtů pro 64

70 3D model PMMI 883 knálkový vlnovod uvádí tb Výsledky návrhu klíčových prmetrů h cm w cm jádr vlnovodu vycházely větší o 0 ţ 5%. Tb. 4.6 Geometrické rozměry SM knálkového vlnovodu PMMI 883 s pláštěm PMMA SiO dielektrickou oddělovcí vrstvou pro HE 0 vlnu [A44]. Wvelenth (nm) t ( m) h ( m) h Sub ( m) h Cld ( m) w ( m) 650 0,74,35 0,97,3 0, ,97,76,7,6 0,85 30,50,73,95,5,3 550,78 3,4,3,98,55 Z toho vyplývá, ţe čkoli hodnoty klíčových prmetrů knálkového vlnovodu vychází příznivěji neţ u hřebenových vlnovodů, stále trvá nutnost vyuţití elektronové litorfie se suchým leptáním. Dále výpočty ukzují n nutnost relizce oddělovcí vrstvy v tloušťce ţ 6 m, by se do ní vešel i vlnovodný knálek vrstv součsně plnil i oddělovcí funkci [A45]. Technoloické postupy relizce obou typů optických plnárních vlnovodů se dosti zásdně liší, jk jiţ bylo nznčeno [A4]. U hřebenového vlnovodu byl polymer ER n substrátu Si/SiO respektive Si/Cytop plošně odstředěn metodou spin-countin následně vytvořen motiv interovné struktury běţným UV litorfickým procesem s následným odleptáním, kterým byly vytvořeny vlnovody s šířkou hřebene 5 m ţ 00 m s tloušťkou m. Vlnovod byl překryt polymetylmetkrylátem (PMMA), který tvořil plášť. U knálkových vlnovodů je nejdříve vytvořen ve vrstvě SiO knálek mskováním leptáním, n který je opět metodou spin-countin nnesen vrstv polymeru ER resp. PMMI následně ochrnná krycí vrstv PMMA. Výpočtem bylo určeno, ţe v rozshu vlnových délek 650 ţ 550 nm se pro námi relizovný nejuţší vlnovod 5 m vidové sloţení mění v rozshu 9 ţ 3 vidy TE,TM [97]. Pro stnovení útlumu optických vlnovodů se nejčstěji pouţívá rozptylová metod, nebo metod dvou délek. Obě metody byly vyuţity pro stnovení průměrného měrného útlumu vyrobených vzorků. Výsledky měření ukzují, ţe průměrné hodnoty měrných útlumů hřebenových knálkových vlnovodů Si/SiO /ER/PMMA GAs/SiO /ER/PMMA se pohybují v rozshu 3, db/cm ţ db/cm pro vlnové délky 650 nm ţ 550 nm [A4], [A4], [A43]. ejlepší vzorky doshovly hodnot kolem 0,5 db/cm. V přípdě vlnovodů n substrátech Si/Cytop GAs/Cytop se optický útlum pohybovl kolem 5 db/cm. Vyšší optický útlum v tomto přípdě je způsoben větší drsností povrhu n rozhrní CYTOP - vlnovod. Výsledky ukzují, ţe ER polymer je útlumově optimlizován pro vyuţití v informtice ve vlnových pásmech VIS IR. Ukázky vyrobených MM polymerových hřebenových vlnovodů n Si GAs substrátu jsou n obr Z obrázku je ptrno, ţe vlnovody jsou kvlitní bez viditelných poruch. 65

71 Obr. 4.4 Fotorfie relizovných ER hřebenových vlnovodů [A4] ) 0 x 0 m n křemíku, oddělovcí vrstv SiO, bez krycí vrstvy b) 5 x 5 m n GAs, oddělovcí vrstv Cytop, krycí vrstv PMMA Záznm příčného profilu relizovných ER hřebenových vlnovodů z Tlystepu ukzuje moţnosti UV litorfie. Jsou ptrné zešikmení bočních hrn 5 m vlnovodů, obr Obr. 4.5 Příčný profil relizovných ER hřebenových vlnovodů z Tlystepu [99] V práci [00] byly provedeny výpočty týkjící se moţnosti relizce jednovidových polymerových vlnovodů s čtvercovými průřezy, které rozměrově odpovídjí běţným rozměrům telekomunikčních optických vláken 4x4 9x9 m, coţ by sníţilo vzební ztráty zjednodušilo technoloii výroby tkových optických plnárních vlnovodů. Pro relizci by u těchto vlnovodů bylo uvţováno s novými polymerovými mteriály OrmoCld OrmoCor, které umoţňují vyuţitím ředidel (kupř. Ormothin 08) modifikovt index lomu OrmoCldu n hodnoty velmi blízké OrmoCoru tím zvětšit příčné rozměry vlnovodu pro dosţení jednovidového reţimu. Bylo vypočítáno, ţe pro rozshy vlnových délek,3 ţ,55 m musí být rozdíly indexu lomu n = 0,009 ţ 0,0 pro první příčný rozměr n = 0,00 pro druhý větší příčný rozměr. Po přikročení k relizci těchto vlnovodů depozičními testy vrstev se všk objevily technoloické problémy, především pokud jde o homoenitu polymerových vrstev, n jejichţ odstrnění se v součsné době prcuje. 66

72 Výzkumné práce, týkjící se polymerových plnárních vlnovodů byly změřeny rovněţ n návrh, relizci měření multividových vlnovodů. Důvody byly technoloické tké konstrukční. Větší rozměry vlnovodu umoţňovly vyuţít optickou UV litorfii, která byl k dispozici n spoluprcujícím prcovišti VŠCHT. Větší rozměry pk umoţňují plnární vlnovod nvázt s vysokou účinností optické vzby n stndrtizovné typy optických vláken. ávrhem relizcí multividových hřebenových vlnovodů, relizovných n polymeru ER se substrátem Si/SiO resp. Si/Cytop se zbývl práce [97]. Pro optimlizci topoloie jsme vybveni simulčním prormem OptiCAD, který řeší optické objekty pprskovou metodou. V optickém multividovém vlnovodu se vedle sloţek vidů TE TM objeví rovněţ tzv. hybridní vidy EH mp HE mp, které obshují všech šest sloţek elektromnetického pole liší se polrizcí. Pro návrh vlnovdů byly stnoveny rozměry vlnovodu t = w = 5 m t = w = 50 m. Z výpočtů vyplývá, ţe pro vlnové délky 650 ţ 550 nm lze očekávt šíření 9 3 vidů resp pro TE TM vidy. Tloušťky oddělovcí vrstvy substrátu pláště byly pro výše uvedené vlnové délky vypočteny v rozshu h Sub =.35.4 m resp. h Cld =,0.56 m pro uţší vlnovod h Sub = m resp. h Cld = m pro % vyzřování z vlnovodu. Optický útlum plnárních vlnovodů byl zjišťován měřením rozptylu záření monitorovného vláknovou sondou lterntivně metodou dvou délek pro MM vlnovody t = w = 50 m t = w = 00 m. Průměrné hodnoty v db/cm uvádí tb Tb. 4.7 Průměrné hodnoty měřeného optického útlumu u MM vlnovodů 50 x 50 m 00 x 00 m pro metodu měření rozptylu metodu dvou délek [97]. Wvelenth (nm) 50 x 50 ( m) 00 x 00 ( m) 50 x 50 ( m) 00 x 00 ( m) 650-3, ,54 4, ,97,83 0,7 0, ,74,45,3,0 rozptylová metod metod dvou délek V hodnotách je ptrný velký rozptyl vzniklý technoloií relizovných vzorků, metodikou měření tké kvlitou fset optických MM vlnovodů. Vlivem rozptylu enerie do velkého počtu vidů jsou měrné útlumy větší neţ u vlnovodů s výrzně menšími příčnými rozměry. obr. 4.6 je fotorfie relizovných ER hřebenových MM vlnovodů bez krycí vrstvy [97]. Fotorfie jejich fset jsou n obr Je zde dobře ptrné menší podleptání strukur. 67

73 Obr. 4.6 Fotorfie MM vlnovodů z ER n podloţce Si/SiO, 5x zvětšení, rozměrů ) 5 x 5 m, b) 50 x 50 m, c) 00 x 00 m [97]. Obr. 4.7 Fotorfie fset MM vlnovodů z ER n podloţce Si/SiO, 0x zvětšení, rozměrů ) 00 x 00 m, c) 50 x 50 m [97] ávrh vybrné polymerní plnárních triplexní struktury V souvislosti s řešením rntového projektu [G] se náš výzkum vedle plnárních optických vlnovodů, relizovných n polymerových mteriálech, zbývl tké návrhem vybrných struktur interovné optiky pro plnární triplexer. Důvodem byl myšlenk převedení mikroopticky řešené části hybridního WDM trnsceiveru viz 3.. n plnární formu, vyuţitím triplexního plnárního optického členu, který náhrdí objemovou VHG mříţku. ově nvrţené SM řešení plnárního WDM triplexního členu kombinuje vlnově selektivní multimódový interferenční filtr (MMI filtr), nvrţený pro příchozí vlnové délky nm [A8] tké nm [A33] se směrovým vzebním členem (DC členem), který zjišťuje zvedení vlnové délky 30 nm nebo 490 nm ve zpětném směru [A9]. Toto řešení vyuţívá vysokou směrovost vlnovou selektivitu, kterou směrový vzební prvek vykzuje. Dlší nové řešení, n kterém v součsnosti prcujeme kombinuje plnární optický výkonovým děliče 68

74 s vlnovodnými filtry s Brovskou mříţkou, viz. kp umístěnými n jeho rmenech. Multimódový interferenční člen můţe prcovt jko optický výkonový dělič [0], nebo vlnově selektivní MMI filtr [03]. Princip činosti multimódového interferenčního výkonového děliče nebo MMI filtru je zloţen n principu zrcdlení vstupního optického pole, které se opkuje v periodických záznějových vzdálenostech L od vstupu do interferenční oblsti to v jednom nebo vícenásobných mnohčetných zrcdleních ţ k jejímu konci. Předpokládejme D zobrzení v příčné ose x. Pk podmínku fázové rezonnce v interferenční oblsti lze vyjádřit fázovou dispersní rovnici (4.) k xm m k 0 n eff (4.) kde k xm je průmět modulu vlnového vektoru m-tého vidu optické vlny do příčného směru vlnovodu stotoţněného s osou x m fázová konstnt šíření m-tého vidu, n eff je efektivní index lomu. Fázovou konstntu šíření m pk můţeme vyjádřit dle (4.3) m ( m ) k 0 neff (4.3) W e kde W e je efektivní šířk interferenční oblsti pro zákldní vid Rovnici (4.3) lze uprvit z podmínky (4.4) s vyuţitím Tylorov rovoje binomického členu pod odmocninou znedbání členů druhého vyššího řádu do proximtivního tvru (4.5) k n ( m ) 0 eff (4.4) We m ( m ) k 0neff (4.5) 4n W 0 eff e Vyjádřeme záznějovou vzdálenost L která odpovídá vzdálenosti, n které dv nejniţší vidy, šířící se v interferenční oblsti s fázovými konstntmi, tvoří zázněj s fázovým rozdílem Tuto vzdálenost pk můţeme vyjádřit vyuţitím vzthu (4.5). Po jednoduché úprvě dostneme vzth (4.6), který nám váţe délku šířku interferenční oblsti [0] n W eff e L (4.6) Pokud vyjádříme záznějovou vzdálenost m-tého vidu m - lze usoudit, viz příloh C, ţe zobrzovcí vzdálenost zrcdlení L I pro konstruktivní interferenci je trojnásob- 69

75 kem záznějové vzdálenosti L, pk délk interferenční oblsti L I pro dvě vlnové délky musí vyhovovt (4.7) L I p 3L ) q(3 ) (4.7) (, L, kde p q jsou celá nezáporná čísl. Pokud chceme, by filtr byl co nejkrtší, coţ se projevuje příznivě n velikosti přeslechů vlnových délek, musí být prmetry p q co nejmenší. Při restriktivní interferenci, kdy některé vidy nejsou vybuzeny, lze dle [03] vyjádřit délku interferenčního děliče L I, konstruovného pro dvě vlnové délky, dle rovnice (4.8). L I pl ( L (4.8), p q), kde p je sudé přirozené číslo q je liché přirozené číslo. Tto vrint návrhu všk vede n větší délky MMI filtru, který má horší prmetry, vloţného útlumu přeslechů [03], proto se jí nebudeme zbývt. Pomocí koeficientů p q lze vyjádřit prmetr zkrácení k MMI, který udává nejmenší násobek, kterým lze vynásobit záznějové vzdálenosti L tk, by interferenční délk byl společná pro obě vlnové délky (4.9). k MMI 9L, L L L, 3, 3, L q p I (4.9) Výpočty simulce byly provedeny pro technoloické řešení MMI filtru viz. obr. 4.8 se substrátem Si/SiO, s jádrem ER pláštěm PMMA [A47]. V simulovných rozměrových tbulkách je efektivní šířk interferenční oblsti W e, která pltí pouze pro vid 0, nhrzen symbolem W I. Obr. 4.8 Topoloické návrhové schém MMI filtru x [A0] 70

76 Výsledky optimlizovných simulcí rozměrů MMI filtrů x viz. obr. 4.8 pro vlnové délky 30, nm prmetrů vloţného útlumu A V,k (db) přeslechů A P,k (db) v prormu BMP R Soft, kde k =, oznčuje číslo výstupu n MMI filtru, jsou uvedeny v tb Struktur MMI filtru 490 nm 550 nm relizovná elektronovou litorfií je n obr Optické vlnovody jsou široké, m. Jde o první testovcí vzorek. Fotorfie je zkrácen. Tb. 4.8 Výsledky simulcí rozměrů, prmetrů vloţného útlumu A V,k přeslechů A P,k MMI filtru x pro vlnové délky 30, nm [04]. (nm) h c ( m) w c ( m) W i ( m) L i ( m) 490 nm A V, (db) 490 nm A P, (db) 550 nm A V (db) 490x550,, 8,5 696,9 0, nm A P, (db) 30x550,3,3 8,4 900,36 0,5 3,8 30x490,9,06 8, ,87 >0 >0,08 Obr. 4.9 Fotorfie MMI filtru nm relizovného n substrátu Si/SiO, s jádrem ER pláštěm PMMA elektronovou litorfií. Optické vlnovody jsou široké, m. Fotorfie je zkrácen. Výsledky optimlizovných simulcí rozměrů DC členu viz obr. 4.9 pro vlnové délky 30, nm prmetrů vloţného útlumu A V,k (db) přeslechů A P,k (db) v prormu BMP R Soft, kde k =, oznčuje číslo výstupu n DC členu, jsou uvedeny v tb. 4.9 tb Obr. 4.9 Topoloické návrhové schem DC členu [04]. 7

77 Tb. 4.9 Výsledky simulcí rozměrů, DC členu pro vlnové délky 30, nm [04]. L d ( m) L S ( m) L 0 ( m) w C ( m) h C ( m) ,08,,,4 L C ( m) Tb. 4.0 Výsledky simulcí prmetrů vloţného útlumu A V,k přeslechů A P,k DC členu pro vlnové délky 30, nm [04]. 490 nm A V, (db) 490 nm A P, (db) 550 nm A V, (db) 550 nm A P, (db),9 0,80 7 Tb. 4.0 Výsledek součtu prmetrů MMI filtru DC členu pro vlnové délky 30, nm. 30 nm A V, (db) 30 nm A P, (db) 30 nm A P,3 (db) 490 nm A V, (db) 490 nm A P,3 (db) 490 nm A P, (db) 550 nm A V,3 (db) 550 nm A P,L (db) 550 nm A P,P (db) 0,46 9, 9,,6 4,8 8 4 Jko hlvní úkol v oblsti návrhu bylo, vytvořit topoloický technoloický návrh WDM triplexeru. Simulcí v prormu BMP R Soft, byly optimlizovány rozměry triplexního plnárního členu s MMI filtrem x směrovým vzebním členem vzhledem k mnimálním hodnotám vloţnému útlumu A Vi,k (db), přeslechů A Pi,k (db) optimální vzdálenosti offsetu L o, kde index i=, k=l,p,,3 (L je levá strn, P je prvá strn). Plnární WDM triplexer pro vlnové délky 30, nm se substrátem Si/SiO, s polymerovým jádrem SU8 pláštěm PMMA je n obr

78 Obr Topoloické návrhové schém WDM triplexeru pro vlnové délky 30, nm [A0]. obr. 4.3, obr 4.3 jsou zobrzeny příkldy rozloţení zákldního vidu optického pole přeslechu ve WDM triplexeru pro = 490 nm = 550 nm. Obr. 4.3 Simulce prostorového rozloţení optického pole v rovině XZ mplitudy v optické cestě WDM triplexeru pro vlnovou délku 490 nm [A0]. 73

79 Obr. 4.3 Simulce prostorového rozloţení optického pole v rovině XZ mplitudy v optické cestě WDM triplexeru pro vlnovou délku 550 nm [A0]. Hodnoty mplitudy optického pole byly vyuţity pro stnovení vloţného útlumu A Vi,k přeslechů A Pi,k. Šířk w =, m výšk h =, m vlnovodů jsou voleny tk, by se optickými vlnovody šířil pouze zákldní vid pro vlnové délky 30 nm, = 490 nm = 550 nm. Část oznčená jko couplin prt byl 5 mm. Dlší rozměry jsou výsledkem optimlizovných simulcí rozměrů plnárního WDM triplexeru vzhledem k minimálním hodnotám vloţného ůtlumu přeslechů A V,k A P,k. Vzhledem k prmetrům optických vlnovodů bylo předpokládáno, ţe WDM triplexer bude relizován elektronovou litorfií. Prmetry jsou uvedeny v tb. 4., 4.. Tb. 4. Výsledky simulcí rozměrů WDM triplexeru pro vlnové délky 30, nm v prormu R Soft BMP [A0]. w ( m) h ( m) L I ( m) W e ( m) L D ( m) L C ( m) L 0 ( m),, 9 8,4 804, 5-7,5 Tb. 4. Výsledky simulcí prmetrů vloţného útlumu A Vi,k přeslechů A Pi,k WDM triplexeru pro vlnové délky 30, nm ofset L 0 = 6 m v prormu R Soft BMP [A0]. 30 nm A V, (db) 30 nm A P, (db) 30 nm A P,3 (db) 490 nm A V, (db) 490 nm A P,3 (db) 490 nm A P, (db) 550 nm A V,3 (db) 550 nm A P,L (db) 550 nm A P,P (db),8 36,4 36,4,63 4,8 3,05 3,3 4,35 3,38 74

80 Hodnoty v tb. 4.0 vznikly pouze sečtením hodnot tb Je zjímvé porovnt tyto hodnoty individuálně optimlizovných prvků MMI filtru DC členu s optimlizovnou simulcí WDM triplexem jko celku, viz tb. 4.. Je ptrné, ţe celkově optimlizovný triplexer má niţší hodnoty přeslechů srovntelné hodnoty vloţných útlumů v příchozím směru, coţ je důleţité z hledisk citlivosti celého WDM trnsceiveru. Pouze vloţný útlum v odchozím směru je o 0,7 db vyšší. Jelikoš jsme n strně OE vysílče není hodnot tohoto útlumu kritická. Pokud zvyšujeme ofset v rozshu L 0 = 6 7,5 m mění se hodnoty vloţného útlumu v rozshu,9 ţ, db. Dochází zde k rychlému nvýšení vloţného útlumu v důsledku optických ztrát vyzřováním optickým útlumem n propojovcích vlnovodech obou prvků WDM triplexeru, pokud nopk sniţujeme ofset pod hodnotu 6 m, zvyšují se hodnoty přeslechů mezi MMI filtrem směrovým vzebním členem, tedy výše uvedená hodnot ofsetu je hodnotou optimální. Z výsledků simulcí dále vyplývá, porovnáme-li tbulky , ţe rozměry MMI filtru nvázného optickým vlnovodem n směrový vzební člen jsou tímto propojením ovlivněny to především pokud jde o záznějovou délku L. Dále simulce ukzují, ţe koeficienty p q nevycházejí přesně jko celá čísl, coţ je způsobeno především zjednodušujícími předpokldy, které jsme pouţili při odvození vzthu (4.6). Vzth obshuje efektivní šířku interferenční oblsti W e, která je polrizčně vidově závislá v důsledku různé hloubky vniku vidů n rozhrních interferenční oblsti, jk popisuje Goos- Hhnchenův posuv. Dlší zjednodušení vyplývá z toho, ţe efektivní šířk pltí pouze pro zákldní vid s konstntou šíření. Ze simulcí vyplynuly tyto proximovné hodnoty prmetrů p q koeficientu zkrácení interferenční oblsti k MMI (4.9), viz příloh C, pro vlnové délky délky 490 = 550 nm u smosttného MMI filtru MMI filtru vřzeného do WDM triplexního členu, relizovné n polymeru ER viz. tb Tb. 4.3 Hodnoty délky interferenční oblsti L I, koeficientů p q koeficientu zkrácení k MMI pro vypočtené záznějové délky L u smosttného MMI filtru. L I ( m) 3L ( m) 3L ( m) p q k MMI ,4 96,5 8,74 9,09 33,9 Tb. 4.4 Hodnoty délky interferenční oblsti L I, koeficientů p q koeficientu zkrácení k MMI pro vypočtené záznějové délky L MMI filtru ve WDM triplexeru. L I ( m) 3L ( m) 3L ( m) p q k MMI 9 308,4 96,5 6, 6,45 47,8 75

81 Z výsledků je ptrné, ţe dochází k význmnému zkrácení délky MMI filtru, které se zvyšuje vřzením filtru do WDM triplexeru,4 krát. Vrintně v nšem výzkumu předpokládáme uţití dielektrických mteriálů jko je sklo pro konstrukci WDM triplexem to hlvně z důvodu řešení, relizovtelného běţnou UV litorfií. Publikován jiţ byl návrh simulce vlnovodné struktury [05] MMI děliče [A46] v prormu BMP s knálkovými difuzními vlnovody n skle s výměnou iontů A + +, kde lze dosáhnout SM reţimu pro rozměry w = h = 4 m při kontrstu indexu lomu n = 3%. Rovněţ fsety vlnovodů lze relizovt v optické kvlitě pouhým leštěním při znoření knálku n cc 30 m lze provést i efektivní vzbu n optické vlákno. Tyto práce byly publikovány ve spolupráci s SQS Vláknová technik.s ávrh relizce vybrných typů polymerových plnárních Brovských mříţek vlnovodných filtrů Rozprcován optické plnární části WDM trnsceiveru v rámci výzkumných prcí n rntu [G3] vedlo n dvě řešení. První vrint řeší optickou část jko SM vlnově selektivní interovný polymerový obvod, viz kp Ve druhé vrintě je optická plnární část nvrţen jko MM interovný obvod s plnárními optickými výkonovými děliči optickými vlnovodnými filtry s Brovskými polymerovými mříţkmi. Tto druhá vrint vznikl ve spolupráci s VŠCHT. Pro relizci vlstních optických vlnovodných filtrů, byly zvoleny dvě technoloické formy, z nichţ první vyuţívl knálkového optického vlnovodu n křemičitém skle s výměnnou iontů, jejichţ technoloie byl rozprcován jiţ v prácích [05], n kterém byl z lícové strny vytvořen PMMA mříţk metodou tepelného tváření [89]. Druhá vrint vyuţívá polymerní hřebenový optický vlnovod n substrátu Si/SiO, jádrem ER pláštěm PMMA, kde optická mříţk je vytvořen prostorovou profilcí hřebene vlnovodu. Zákld vlnovodného filtru podle první vrinty tvoří optický difuzní knálkový vlnovod n skleněném substrátu IT (sodnovápenté křemičité sklo). Tento vlnovod byl připrven v SQS Vláknová optik.s. technoloií výměny iontů, viz obr Obr Optická mříţk PMMA n skle s knálkovým vlnovodem připrveným výměny iontů A (n f je index lomu jádr vlnovodu, n s je index lomu substrátu) [06]. tuto skleněnou podloţku s vytvořeným knálkovým vlnovodem byl metodou spin-cotin deponován vrstv PMMA objemově dotovná vhodnou koncentrcí meso-tetrphenylporfirynu. Připrvená polymerní vrstv tloušťky cc 5 µm byl 76

82 podroben periodickému tepelnému tváření pomocí zostřeného lserového svzku konfokálního lserového rstrovcího mikroskopu Olympus LEXT s prcovní vlnovou délkou odpovídjící bsorpčnímu pásu dotujícího brviv (40nm). Polymerní vrstv byl tkto periodicky tepelně lokálně ohříván (dáno rychlostí skenování lserového svzku) n teplotu větší neţ teplot měknutí T f. Při součsném mechnickém pohybu podlošky došlo i k periodickému tlkovému působení tím i k periodické změně tloušťky vrstvy vzniku optické mříţky. Tto PMMA optická difrkční mříţk, která je součástí lícového pláště vlnovodu, ovlivňuje šíření záření v difuzním vlnovodu vzbou n optickou evnescentni vlnu, která z jádr vlnovodu v tenké vrstvě cc -3 µm vystupuje interuje s optickou mříţkou. Snímek dielektrického knálkového vlnovodu s relizovnou PMMA opticko mříţkou je n obr Obr Fotorfie difuzního knálkového vlnovodu n skleněné podloţce s PMMA optickou Brovskou mříţkou [A35]. Druhá technoloická vrint vlnovodného filtru vyuţívá prostorově profilovnou optickou difrkční mříţku relizovnou n hřebenovém polymerovém vlnovodu ER relizovném n substrát Si/SiO. Polymerová vrstv je nnesen opět pomocí spincoutinu n substrát. Fotolitorficky je potom ve vrstvě ER vymskován hřebenový vlnovod, n které je vytvořen optická mříţk tepelným profilováním lserovým pprskem n konfokálním mikroskopu obr Obr Optická mříţk n hřebenovém polymerovém vlnovodu ER n Si/SiO (n f je index lomu jádr vlnovodu, n s je index lomu substrátu) [06]. 77

83 Detil hřebenu ER optického vlnovodu s mříţkou je zobrzen n obr Ze snímku lze vypozorovt dobře litorficky seszenou mříţku s hřebenem optického vlnovodu uprostřed snímku. Obr Snímek detilu hřebenu s mříţkou n vlnovodu ER [A35]. Pro nstvení mříţkové konstnty vlnovodových filtrů byly provedeny výpočty mříţkové konstnty ze vzthů pro. ţ 6. difrkční řád Brovy reflexe odvozené z Brových difrkčních rovnic, dodtek D. Účinné vyvázání optické vlny z plnárního optického vlnovodu, šířící se podle osy z, je určeno podmínkou fázové rezonnce mezi fázovou konstntou vedené optické vlny, fázovou konstntou difrktovné optické vlny d fázovou konstntou mříţky K = / kde je mříţková konstnt. Rovnice fázové rezonnce (4.0) pk váţe konstnty šíření vedené prostorové vlny d i qk (4.0) kde q je řád vyzřování optické mříţky, pro který pltí q,, 3... Pro výpočet vlnové délky pro Brovu reflexi vyjdeme ze vzthu (4.0), kde předpokládáme, ţe d úhel vyzřování zpětné reflexe = Pk pltí (4.) n n eff eff B B q kde q,, 3... (4.) Po zjednodušení lze psát jednoduchý vzth (4.) pro mříţkovou konstntu B n eff q (4.) 78

84 Pro reflexi. řádu q = pltí n mříţce fázový dirm, viz obr Obr Fázový dirm Brovy reflexe v. řádu Pro reflexi. řádu nstne v. řádu vyzářování pod úhlem 0 0 k Brově reflexi ve. řádu, viz fázový dirm obr součsně dochází Obr Fázový dirm Brovy reflexe ve. řádu s vyzřováním v. řádu Pro výpočet mříţkové konstnty pro 6. řád Brovy reflexe, n který je nstven vyrobený vlnovodný filtr vyjdeme z (4.) dostáváme (4.3) 3 n eff B (4.3) U 6. řádu Brovy reflexe dochází oproti. řádu k šestinásobnému nvýšení velikosti konstnty mříţky vzhledem k dné vlnové délce difrktovného záření. Toho můţeme vzuţít u námi nvrhovných filtrů, kde mříţková konstnt pro vlnové délky 30 ţ 550 nm vychází pro polymerové mteriály u. difrkčního řádu

85 nm. evýhodou vyuţití reflexí vyšších řádů je zvýšení vloţného útlumu filtru sníţením trnsmise enerie přes filtr o vyzřování niţších difrktovných řádů z mříţky jk ukzuje obr Pro mříţku vyuţívnou ve. řádu reflexe je vyzřování enerie z. řádu do db [06]. Vypočtené mříţkové konstnty pro první i druhý difrkční řád ukzuje tb Tb. 4.5 Vypočítné hodnoty mříţkových konstnt pro. ţ 6. difrkční řád, PMMA mříky n difuzním vlnovodu ze skl s výměnou iontů A + - +, n eff =,5 [nm] řád [nm].řád [nm] 3.řád [nm] 4.řád [nm] 5.řád [nm] řád [nm] V dodtku D jsou s vyuţitím Brových difrkčních rovnic podrobně rozebrány vypočítány mříţkové konstnty difrkční úhly pro různé přípdy difrkčního vyzřování n polymerových mříţkách PMMA ER vytvořených n Si/SiO. Z výpočtů vyplývá měřeními, viz dále to bylo povrzeno tb. 4.5, ţe vzhledem k technoloickým moţnostem metody tepelného mechnického tváření polymerů, viz. kp. 4.., která umoţňuje relizovt mříţkovou konstntu hodnoty >0,7 m (odpovídá vlnovým délkám nd,68 m) je moţno pro relizci vlnovodných filtrů pro telekomunikční pásmo vyuţít pouze. vyšší řády Brovské reflexe. První řád pdá pro námi zvolené mteriály do oblsti vlnových délek středního infrčerveného pásm nemůţe proto být vyuţit. S vyuţitím. vyšších řádů je spojeno vyzřování, které zvyšuje vloţný útlum vlnovodných filtrů. Dle vypočtů všk tento útlum předstvuje hodnotu do - 4 db [06]. Dále byly provedeny simulce závislosti difrkční spektrální účinnosti spektrální pološířky FWHM periodické Brovské trnsmisní vlnovodné mříţky n eometrických konstntách vlnovodného filtru v prormu Grti MODE od fy.rsoft. Tento prorm slouţí primárně pro simulci mříţek reflexního typu s reflexí. řádu, 80

86 bez vyzřování ve vyšších řádech. V přípdě optických mříţek s primární funkcí jko vlnovodný filtr, kde je vyuţit Brov reflexe v. řádu lze výsledky, co do závislosti mxim pološířky FHWM pásm difrkční účinnosti n změny délky mříţky L procentního poměru hloubky modulce h/t, vztáhnout i n mříţky vlnovodné. Konstnt T je tloušťk vlnovodné vrstvy jádr. Výsledky převzté z diplomové práce [88] jsou uvedeny n obr obr. 4.38, u které byl utor vedoucím. Obr Spektrální závislost reltivní difrkční účinnosti v závislosti n vlnové délce, kde prmetrem je poměr h/t (kde h je prostorové promodulování mříţky, T je výšk hřebenového optického vlnovodu L je délk mříţky). Vyuţitím simulce prormu Grtin MODE byl sledován vliv velikosti vybrných mříţkových konstnt vybrných hodnot mplitudy promodulování mříţky n polohu vlnové délky trnsmisního pólu B pološířku trnsmisního pólu FWHM u mříţky PMMA, tb Tb. 4.6 Vypočítné hodnoty Brovské vlnové délky spektrální pološířky BW v závislosti n vybrných hodnotách mříţkové konstnty konkrétních hodnot promodulování h/t. [ m] 0,53 0,53 0,8, h/t[ ] 0,8/3,/3 0,/3 0,/3 0,/3 B [ m],55,55,3,87 3,45 FWHM [nm] 8 3,

87 [ m],,4,4,4 h/t [ ] 0,8/3 0,/3 0,8/3,/3 0,8/3 B [ m] 3,408 3,938 3,936 3,408 6,44 FWHM [nm] [ m] 8 3,5 5 6 Obr 4.38 Spektrální závislost reltivní difrkční účinnosti v závislosti n vlnové délce, kde prmetrem je délk mříţky L vlnovodné vrstvy. Tloušťk vlnovodné vrstvy je T = 3 µm, hloubk modulce je h = 0,4 µm. Ze simulcí vyplývá, ţe velikost promodelování pro dosţení dosttečné difrkční účinnosti musí být minimálně 30% délk mříţky 300 m. Pro ověření vlstností vlnovodných filtrů byl měřen trnsmisní chrkteristik jednoho z prvních vzorků filtru s PMMA mříţkou n difuzním vlnovodu ze skl s výměnou iontů A v závislosti n vlnové délce. Průběh simulovných hodnot difrkční účinnosti vlnovodných mříţek ukzuje, ţe existuje poměrně úzké reflexní pásmo vlnových délek, kde difrkce nstává. Pro zjištění polohy difrkčního mxim resp. pólu trnsmisní chrkteristiky bylo provedeno pnormtické spektrální měření se širokospektrálním optickým zdrojem HL-000-HP-3 optickým spektrálním nlyzátorem Yokow AQ6370C v pásmu vlnových délek 900 nm 600 nm, viz. obr

88 Obr 4.39 Trnsmisní spektrální chrkteristik optické PMMA vlnovodné mříţky relizovné n difuzním vlnovodu n skle, průběhy MER,MER reference. obr je ptrný útlumový pól pro vlnovou délku λ = 87 nm, při které dochází k Brově difrkci s reflexí 6. řádu n PMMA optické vlnovodové mříţce. Poloh tohoto pólu odpovídá mříţkové konstntě, která byl,35 m. V tomto přípdě dochází k přenosu enerie z knálku do pláště PMMA optické mříţky evnescentním polem tk, ţe dochází k viditelnému poklesu v trnsmisní chrkteristice. Mximální útlum přenosového pólu je 0dB pro vlnovou délku 87 nm, coţ odpovídá difrkční účinnost PMMA optické mříţky > 90 %. Spektrální pološířk FHWM byl 5 nm. Střední hodnot vloţného útlum vzorku v pásmu nm byl 6 db, v pásmu nm pk 4 db. Tento útlum je vlnově málo závislý skládá se z vloţného útlumu optické vzby n fsety optického vlnovodu, z útlumu optického vlnovodu z vyzářeného difrkčního optického výkonu. ţ 5. řádu z optické PMMA mříţky. 83

89 5. ZÁVĚRY A MOŢOSTI VYUŢITÍ VÝSLEDKŮ V oblsti výzkumu hybridních interovných optoelektronických struktur přenosového typu HIOS byl nvrţen ptentován nová topoloie uspořádání optické optoelektronické části WDM trnsceiveru resp. WDM přijímče, viz. kp Tto topoloie vychází z koncepce kruhového uspořádání optoelektronických částí s jedním MUX/DEMUX optickým prvkem, který je umístěn ve středu hybridní HIOS. WDM trnsceiveru je řešen ve dvou technoloických vrintách, to jko mikrooptický interovný obvod plnární interovný obvod. Mikrooptické řešení vyuţívá triplexní člen ve formě objemové holorfické dvousystémové Brovy mříţky (VHG), s mikrooptickým kolimovným zobrzovcím systémem, který trnsformuje optický svzek mezi optickým vláknem optoelektronickou částí WDM trnsceiveru. Brov VHG mříţk byl zvolen pro svou vysokou difrkční účinnost cc 73-75%, která sniţuje vloţný útlum optické části n řádově desetiny db velký difrkční úhel 8,4 ţ 9,, který se přízmivě projeví m zkrácení optické části mikrooptického WDM trnsceiveru. V oblsti návrhu byly z mticové zobrzovcí rovnice vypočítány optimální ohniskové vzdálenosti zobrzovcí soustvy její celkový vloţný optický útlum, který vyšel si o % větší, neţ při měření, kde pro vlnové délky 30, nm byly nměřeny hodnoty 0,9 -,83 db. Měřené hodnoty optických knálových přeslechů,4 8,3 db jsou n úrovni vyhovující z hledisk přenosu informce s chybovostí 0-9. vrţený WDM trnsceiver byl relizován n úrovni přijímcí části pro vlnové délky nm. Celková citlivost přijímcí části je dle nšich měření je SR = -4 db pro šířku pásm,5 ţ,5 GHz s minimální optickou útlumovou rezervou -5 db. V pokrčování těchto prcí bude WDM trnsceiver doplněn mikromodulem, OE vysílče zjišťujícího vysílání vlnové délky 30 nm ve zpětném směru. Zde bude nším úkolem nstvit kolimční soustvu vysílče tk, bychom zvedli kolimovný lserový prsek přes dekolimční čočku do MM vlákn. Mikrooptické řešení pk bude nhrzeno řešením optické části jko plnární optický interovný člen. Bylo nvrţeno nové jednovidové (SM) plnární řešení, které kombinuje MMI filtr směrový vzební člen toto řešení bylo optimlizováno z hledisk vloţného útlumu přeslechů prormem BMP R Soft. Prmetry vloţného útlumu přeslechů se pohybovly pro vlnové délky 30, nm v hodnotách, ţ 3, db 3, ţ 36,4dB, coţ jsou hodnoty srovntelné s jinými řešeními pokud jde o vloţný útlum v hodnotě přeslechů překonávjící mnohá jiná řešení triplexních členů pro WDM trnsceiveru. Technoloie plnárního triplexeru byl nvrţen pro polymerovou strukturu optických jednovidových hřebenových resp. knálkových vlnovodů s jádrem z epoxypolymeru SU-8 (ER), pláštěm s polymetylmetkrlátu (PMMA) substrátem Si/SiO. V důsledku velkého kontrstu indexu lomu n = 0,08 bude třeb vyuţít pro relizci plnárního triplexního členu elektronové litorfie s klínovými nebo mříţkovými vzebními členy, by bylo moţno uskutečnit optickou vzbu n vlákno n optoelektronickou část WDM trnsceiveru. Dlším řešením je změnit typ polymeru n polymer s menším nstvitelným kontrstem indexu lomu kupř. Ormocld/Ormocore, který umoţňuje nstvení konterstu n hodnoty n = 0,00-0,0, nebo pouţít pro relizci optické části dielektrický mteriál. Vrintně v součsné době prcujeme ve spolupráci s SQS Vláknová technik.s. n SM řešení prvků plnární interovné optiky vyuţívjící knálkové difuzní vlnovody n skle s výměnou iontů A + +, kde lze dosáhnout jednovidového 84

90 reţimu pro rozměry w = h = 4 m při kontrstu indexu lomu n = 0,03. Pro relizci tkových vlnovodů lze jiţ upltnit optickou litorfii. Rovněţ fsety vlnovodů lze relizovt v optické kvlitě pouhým leštěním při znoření knálku n cc 30 m lze provést i efektivní vzbu n optické vlákno. První práce v této oblsti, jiţ byly publikovány, viz kp. 4..5, Řešení optického triplexeru je tké moţné řešit multimódově (MM). Zde chceme vyuţít při řešení triplexní části plnární výkonový dělič s polymerovámi vlnovodnýmí filtry, relizovnými Brovskými mříţkmi, viz. kpitol Jde o mříţky vzniklé novou technoloií vyvinutou n VŠCHT. Reflexní účinnosti n těchto jiţ relizovných mříţkách jsou vyšší neţ 90%, coţ odpovídá optickému útlumu v pólu >0 db. Práce se tké věnuje výzkumu nových fyzikálních metod ovlivňování indexu lomu povrchové morfoloie polymerů působením teploty elektrického pole. této problemtice stejně jko n Brovských mříţkách spoluprcujeme s VŠCHT, ústvem inţenýrství pevných látek, prcovištěm Doc. Huttel, kde byl vyvinut metod prostorového tvrování PMMA ER elektrickým polem z součsného působení teploty. Bylo odzkoušeno ovlivňování indexu lomu elektrickým polem do kv/cm v rozshu,4 ţ,475, coţ je n = 0,065. Tyto změny jsou dosttečné pro konstrukci optických vlnovodů. Problémem zůstává dlouhodobá stbilit změny indexu lomu PMMA, kterou lze zvětšit přidáním polystyrénu. nšem prcovišti proběhl měření tkto experimentálně tvrovných optických struktur, viz. kp ěkterá optická měření, prokzující vlnovodné vlstnosti relizovných optických strukur. Teoretické zdůvodnění elektrického prostorového tvrování polymerů elektrickým polem vychází z Tylorovy teorie. Vyuţitím této technoloie by bylo moţno relizovt hřebenové nnovlnovody o submikronových rozměrech. Pro ověření vlnovodných vlstností byly vytvořeny vzorky obloukových vlnovodů vlnovodů tvru Y, do kterých bylo zvedeno záření 633 nm, prokzující ohyb rozdělení záření v důsledku vlnovodných vlstností hřebenového polymerového vlnovodu. Tyto experimenty proběhly v optické lbortoři n prcovišti ktedry mikroelektroniky. VŠCHT byl tké nově vytvořen metod n relizci plnárních optických polymerových mříţek Brovského typu. Bylo prokázáno prostorové tvrování polymerových vrstev pokrytých porfirínem to tepelným působením lserového svzku 403 nm z konfokálního mikroskopu. Porfirín v této spektrální oblsti silně bsorbuje záření této vlnové délky. Pokud docházelo k vzájemnému pohybu svzku i podloţky bylo moţno vytvořit optickou Brovskou mříţku o periodě 0,7 ţ 3 m promodulování do 00 nm. Vlstnosti těchto mříţek byly rovněţ proměřeny n nšem prcovišti. Relizcí této polymerové mříţky n jádru přípdně plášti plnárního optického vlnovodu viz. kp lze vytvořit optický vlnovodný filtr nebo teplotní přípdně tlkový senzor. Výzkum spektrálních vlstností vybrných polymerových opticky ktivních mteriálů pro optické zesilovče viz. kp jsme orientovli n mteriály ER PMMA dotovné prvky vzácných zemin Er 3+, Er 3+ /Y 3 b, Dy 3+ tké Bi s kodotcí Dy 3+, Ce 3+, nebo Y 3+. Tento výzkum byl veden snhou o ověření vlstností polymerové mtrice dotovné vybrnými typy ktivátorů její schopností podporovt fotoluminiscenci při optickém čerpání. Byl měřen emisní bsorpční spektr dotovných polymerových mteriálů stnoveny dotční limity koncentrce jednotlivých dopntů, vzhledem k velikosti fotoluminiscenční odezvy v pásmu blízkého infrčerveného pásm (IR) zhášení fotoluminiscence. 85

91 Z teoretických výpočtů, opírjících se o Judd-Ofeltovu teorii vyplývá, ţe pokud jde o klsické dielektrické mteriály (sodná fluoridová skl, lithium niobt) vyuţívné jko mtrice polymerového mteriály ER dotovné Er 3+ /Y 3+ b, pk hodnoty Judd- Ofeltových koeficientů t (t=,4,6), odráţejících vlsnosti mtrice, tk bsorpčních emisních průřezů dopntů, umístěných v příslušných mtricích bs, emit, jsou řádové hodnoty těchto koeficientů velmi blízké. Vliv mtrice n chování polymerů dotovných ktivátory je menší neţ u dielektrických mteriálů závisi n obshu dopntu kodopntu. S obshem kodopntu klesá, viz. příloh A. Z toho vyplývá, ţe polymerová mtrice ER nebo PMMA dotovná prvky vzácných zemin je vhodným prostředím pro enerci IR záření při vhodném optickém čerpání. Tento teoretický závěr byl tké prokázán výsledky měření trnsmisních spekter, viz. kp Z nejnovějších výsledů měření vyplývá, ţe fotoluminiscenci dotovného polymeru lze měřit jk při podchlzení, tk pro pokojovou teplotu u klsických dopntů iontů Er 3+ Er 3+ /Y 3 b, v oblsti 538 ţ 540 nm při čerpání 980 nm to pro mtrice jk ER, tk PMMA. Ionty Dy 3 + v polymerové mtrici ER vykzovlo slbou fotoluminiscenci při podchlzení n 4K n 35 nm při čerpání 63 nm. U všech těchto mteriálů se projevovl proresivní chrkter fotoluminiscence v závislosti n koncentrci dotce do 0%. Při vyšších hodnotách dotce ktivátoru se projevovlo zhášení fotoluminiscence vlivem klustrování. ovým ktivátorem polymerové ER mtrice, jehoţ pouţití ještě nebylo publikováno je Bi s kodopnty Dy 3+, Ce 3+, Y 3+. Měřením fotoluminiscenčních spekter při pokojové teplotě byl prokázán výrzná fotoluminiscence smotného Bi n vlnové délce nm při čerpcích vlnových délkách nm. Zhášení se projevovlo při koncentrcích dotce nd 5% záviselo tké n typu kodopntu. Podobně se chovl ER. Pouze při čerpání vlnovou délkou 808 nm docházelo ke zhášení luminiscence ţ pro koncentrce kodopntu Ce 3+ nd 0%. Koncentrce Bi byl %. Pro kodopnty Dy 3+ Y 3+ byl enerován spektrální odezv fotoluminiscence pouze pro čerpání 808 nm v oblsti 80 nm. zákldě trnsmisních bsorpčních spekter byl určen typ přechodů pro kodopnt Dy 3+ v Bi, u kterého docházelo při čerpání k bsorpčnímu přechodu 6 H 5/ n 6 F 5/ odpovídjící 808 nm při přechodu 6 H 9/ / 6 F / n zákldní hldinu 6 H 5/ bylo enerováno záření 80 nm. Jko perspektivní dopnty ER PMMA pro konstrukci optických zesilovčů je moţno oznčit Er 3+ 3 /Y b pro pásmo 550 nm tké Bi se svými kodopnty pro pásmo 300 nm. 86

92 Práce utor s bezprostředním vzthem k řešené problemtice [A] [A] [A3] [A4] [A5] [A6] [A7] [A8] [A9] V. Jeřábek, J. A. Arms, V. Prjzler: Hybrid Microopticl WDM Receiver for PO Communiction, Advnces in Electricl nd Electronic Enineerin, Vol. 0, o., 0, s V. Jeřábek, I. Hüttel: Theoreticl Model of the Bistble Semiconductor Lser Diode Bsed on the Rte Equtions, Rdioenineerin, Vol. 0, o., 0, pp V. Jeřábek, I. Huttel, V. Prjzler, K. Bušek, J. Arms Arcinie: Desin nd construction of WDM trnsceiver with VHGT usin hybrid intertion technoloy, Physic Sttus Solidi(C), WILEY - VCH Verl Gmb, Vol. 8, o. 9, 0, pp V. Jeřábek, Ivn Hüttel, Václv Prjzler, V. Krel Bušek: Desin nd Construction Trnsceiver Module Usin Polymer PLC Hybrid Intertion Technoloy. ew, Advnced Technoloies, Edited by A. Lzinic, Vukovr: In-Tech, 00, pp V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prjzler, K. Bušek, P. Selier, Desin nd Construction of VHGT-Attched WDM Type Triplex Trnsceiver Module Usin Polymer PLC Hybrid Intertion Technoloy. Proceedins of SPIE Photonics, Devices, nd Systems IV 7-9 Auust 008, Prue, Volume 738 pp J.Arms, V.Jerbek: Microwve Optoelectronic Receiver with MMIC HBT Amplifier, WSEAS Trnsctions on Electronics, vol. 3, o. 3, 006, pp Ptent V. Jeřábek, V. Prjzler, K. Bušek, J. Arms Arcinie, Interovný optoelektronický trnsceiver pro účstnickou strnu sítě typu PO-FTTH, České vysoké učení v Prze Fkult electrotechnická, Úřd průmyslového vlstnictví, Prh, ČR. Číslo ptentu 30 46, 00. Uţitný vzor - V. Jeřábek, V. Prjzler, K. Bušek, J. Arms Arcinie, Interovný optoelektronický trnsceiver pro účstnickou strnu sítě typu PO-FTTH, České vysoké učení technické v Prze, Fkult elektrotechnická, Úřd prům. vlstnictví, Prh, ČR, číslo dokumentu 079, 00. J. A. Arms, V. Jeřábek, D. Mreš: Mikrooptický systém s vysokou účinností pro WDM hybridní optoelektronické přijímče, Slboproudý obzor, Volume 64, o., s. 6-8,

93 [A0] V. Jeřábek, V. Prjzler, J. Arms Arcinie, D. Mreš: The Microopticl nd Microwve Desin nd Construction of WDM Receiver with Br Volume Grtin Usin Hybrid Intertion Technoloy. Proceedins of 3th Interntionl Symposium on Microwve nd Opticl Technoloy - ISMOT 0], Prue, 0, p [A] J.Arms, V.Jeřábek: Microwve Optoelectronic Receiver with MMIC HBT Amplifier, WSEAS Trnsctions on Electronics, vol. 3, o. 3, 006, pp [A] V. Jeřábek, J. Arms Arcinie: Hybridní optoelektronický přijímč s ihertzovou šířkou pásm. Slboproudý obzor. 009, roč. 65, č. 3, s. -5. [A3] P. Selier Optická přenosová link pro Gb ethernet, Diplomová práce, Prh 006. [A4] L. Vnčur - Optická stbilizce reţimu interovného lserového vysílče, Bklářská práce, Prh, 00. [A5] V. Jeřábek, I. Hüttel: Theoreticl Model of the Bistble Semiconductor Lser Diode Bsed on the Rte Equtions, Rdioenineerin, Vol. 0, o., 0, pp [A6] V. Jeřábek, V. Prjzler, Z. Burin, I. Huttel: Experimentl Method for Verifyin the Bistbility nd Theoreticl Model of the Semiconductor Lser Diode use the Rte Equtions, Interntionl J.of Microwve nd Opticl Technoloy, vol., o., pp , 008. [A7] V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prjzler, K. Bušek,: Desin nd construction WDM type triplex opticl receiver module usin system multimode polymeric PLC hybrid intertion technoloy. Proceedins of the 9th WSEAS Interntionl Conference on Applied informtics nd communictions, Auust 009, Moskv, pp [A8] V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prjzler, K. Bušek, P. Selier: Desin nd Construction of VHGT-Attched WDM Type Triplex Trnsceiver Module Usin Polymer PLC Hybrid Intertion Technoloy. Optics nd Photonics 008, Proceedins of SPIE, Auust 008, Prue, vol. 738, p [A9] O.Brkmn, V.Jeřábek, V.Prjzler: Desin nd Modelin of Multimode Interference Power Splitters Mde By Ion Exchne in Glss, 4th Conference on Opticl Communictions 0, Conference Proceedins, Prue, 0, p , ISB [A0] Krel Bušek, Vítězslv Jeřábek, Václv Prjzler: Desin of the Plnr Opticl MMI Filter, Electronic Devices nd Systems EDS 0, Proceedins Interntionl Conference 0, 0, Brno, pp. 5-54, ISB

94 [A] K. Bušek, V.Jeřábek, V.Prjzler: The Plnr Opticl Wvelenth Selective System wth The MMI Filter nd The Directionl Coupler, 4th Conference on Opticl Communictions 0, Conference Proceedins, Prue, 0, p [A] V. Prjzler, H. Tům, J. Špirková, V. Jeřábek, Desin nd Modelin of The Symetric X 3 Opticl Polymer Plnr Power Divider, Electronic Devices nd Systems, Brno, 00, p. -4. [A3] D. Mreš, V.Jeřábek, V.Prjzler: Desin nd Properties of Plnr Polymer Wveuide Br Grtin Filter, 4th Conference on Opticl Communictions 0, Conference Proceedins, Prue, 0, p [A4] V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prjzler, K. Bušek, J. Selier: WDM plnární optoelektronický polymerový přijímč, Sborník konference OK 009, s. 55-6, 009. [A5] V.Prjzler, O. Lyutkov, O. Tům, I. Hüttel, J. Špirková, V. Jeřábek: Desin, Fbriction nd Mesurement Polymethylmethcrylte Opticl Wveuides Prepred by Modifiction of Surfce Profile by Applyin Electric Field, ElectroScope, vol. 5, o. 3, 00, pp. -5. [A6] L. Vnčur - Optická stbilizce reţimu interovného lserového vysílče, Bklářská práce, Prh, 00. [A7] V. Jeřábek, I. Hüttel: ové součástky hybridní interovné optiky zhotovené plnární hybridní technoloií, závěrečná zpráv rntu GAČR 0/06/044, Prh, únor 009. [A8] O. Lyutkov, I. Hüttel, V. Prjzler, V. Jeřábek, A. Jnčárek, V. Hntowitz, V.Švorčík: Pttern Formtion in PMMA Film Induced by Electric Field, Journl of Polymer Science-Prt B: Polymer Physics, Vol. 47, o., 009, pp [A9] V. Prjzler, I. Hüttel, O. Lyutkov, J. Spirkov, J. Oswld, V. Jerbek: Opticl Properties of PMMA Polymer Doped with Er 3+ nd Er 3+ /Yb 3+ Ions, Journl of Physics, Conference Series 00, 008, p.-4. [A30] V. Prjzler, I. Hüttel, O. Lutkov, J. Spirkov, J. Oswld, V. Jerbek: Infrred Photoluminescence of Er3+ nd Er3+/Yb3+ Doped Epoxy ovolk Resin, Interntionl Journl of Microwve nd Opticl Technoloy, July 007, Vol., o., p: [A3] V. Prjzler, V. Jerbek, I. Hüttel, O. Lyutkov, J. Spirkov, V. Mchovic, J. Oswld, J. Zvdil: Opticl Properties of Dy 3+ Doped Epoxy ovolk Resin Proceedins Pper, DOI: 0.7/ , vol: 706, Optics nd Photonics 008, 0-4 Auust 008, Sn Dieo, Cliforni. 89

95 [A3] V. Prjzler, I. Hüttel, J. Spirkov, O. Lyutkov, J. Oswld, V. Jerbek: Spectroscopic nd Photoluminescence Study of Epoxy ovolk Resin Polymer Doped with Er 3+, Tm 3+ nd Er 3+ /Yb 3+ ions, MACRO 008, The 4d IUPAC World Polymer Conress, Polymers t Frontiers of Science nd Technoloy, June 9 - July 4, Tipei Interntionl Convention Center, South Kore. [A33] V. Prjzler, O. Lyutkov, I. Hüttel, J. Oswld, V. Jerbek: Opticl nd Spectroscopic Properties of Polymer Lyers Doped with Rre Erth Ions, Advnce in Lsers nd Electrooptics, Vukovr: In-Tech, 00, s [A34] D. Mreš, V.Jeřábek, V.Prjzler: Desin nd Properties of Plnr Polymer Wveuide Br Grtin Filter, 4th Conference on Opticl Communictions 0, Conference Proceedins, Prue, 0, p [A35] In. Michl Písřík, V. Jeřábek, I. Huttel: Výzkum vývoj technoloie polymerních optických vlnově selektivních prvků pro informtiku senzoriku, dílčí výzkumná zpráv rntu MPO-TIP FR-TI3/797, Prh, 0. [A36] Z.Švitork, V. Jeřábek, I. Hüttel Výzkum vývoj technoloie polymerních optických vlnově selektivních prvků pro informtiku senzoriku, přihlášk rntu MPO-TIP, Prh, červenec 00. [A37] V. Prjzler, V. Jeřábek, I. Hüttel, E. Alves, Ch. Buchl, J. Špirková, J. Oswld, V. Peřin, H. Boldyryev, J. Zvdil: Implnttion of Er3+/Yb3+ Ions into G, WSEAS TRASACTIOS on ELECTOICS, Issue 4, Volume 3, April 006, s [A38] V. Prjzler, I. Hüttel, J. Špirková, J. Oswld, V. Peřin, V. Mchovič, V. Jeřábek: Properties of Sputtered Crbon Lyers Continin Erbium nd Ytterbium Ions, Electronic Devices nd Systems EDS006, Proceedins Interntionl Conference 006, September , Brno, s [A39] V. Prjzler, V. Jerbek, O. Lyutkov, I. Huttel, J. Spirkov, V. Mchovi, J. Oswld, D. Chvostov, J. Zvdil: Opticl properties of erbium nd erbium/ytterbium doped polymethylmethcrylte, Act Polytechnic Journl of Advnced Enineerin, Vol. 48, 008, s. 4-. [A40] V. Prjzler, I. Hüttel, O. Lyutkov, J. Špirková, V. Jeřábek: Fbriction nd properties of multi-mode epoxy novolk resin polymer opticl wveuides, MOC08 - The Fourteenth Microoptics Conference - Technicl Diest Brussels, Belium, The Opticl Society of Jpn, The Jpn Society of Applied Physics, 008, p [A4] V. Prjzler, O. Lyutkov, T. Veselý, J. Bárn, I. Hüttel, P.. V. Prjzler, O. Lyutkov, I. Huttel, J. Spirkov, J. Oswld, V. Mchovic, V. Jerbek: Opticl Properties of Bi-Doped Epoxy ovolk Resin Continin Ce, Dy, nd Y Ions, J. Appl. Polym. Sci., Vol. 5, o., 0, pp [A4] Mchč, V. Jeřábek: Polymerní optické plnární vlnovody z epoxy novolk resinu, Slboproudý obzor, Volume 64, o., str. -6,

96 [A43] V. Prjzler, O. Lyutkov, I. Hüttel, J. Bám, J. Špirkov, P. ekvindová, V. Jeřábek: Simple wy of fbriction of Epoxy ovolk Resin opticl wveuides on silicon substráte, Physic Sttus Solidi(C), Vol. 8, o. 9, 0, pp [A44] V. Prjzler, J. Klpuch, O. Lyutkov, I. Hüttel, J. Špirková, P. ekvindová, V. Jeřábek: Desin,Fbriction nd Properties of Rib Poly(methylmethcrylimide) Opticl Wveuides, Rdioenineerin, Vol. 0, o., 0, pp [A45] V. Prjzler, O. Lyutkov, I. Hüttel, T. Veselý, P. Mchč, V. Jeřábek: Desined nd Fbriction of ER Polymer Rib Opticl Wveuides, ElectroScope, 009, Vol. 5, o. 3, pp [A46] O.Brkmn, V.Jeřábek, V.Prjzler: Desin nd Modelin of Multimode Interference Power Splitters Mde By Ion Exchne in Glss, 4th Conference on Opticl Communictions 0, Conference Proceedins, Prue, 0, p [A47] V.Prjzler, O. Lyutkov, I. Hüttel, J. Špirková, V. Jeřábek: Desin of Polymer Wvelent Splitter 30nm/550 nm Bsed on Multimode Interferences, Rdioenineerin, vol. 9, o. 4, 00, pp [A48] V. Prjzler, I. Hüttel, O. Lyutkov, J. Oswld, V. Mchovič, V. Jeřábek: Opticl properties of PMMA doped with erbium(iii) nd ytterbium(iii) complexes, Polymer Enineerin nd Science, Vol. 49, o. 9,, 009, pp Strší práce se vzthem k problemtice hbilitce [A49] I.Huttel, I.Brun, S.Boučková, J.Endršt, V.Jeřábek: Optické linky s polovodičovými zdroji záření pro přenos informce, výzkumná zpráv Tesl VÚST, č /5, 985 [A50] V. Jeřábek: Optoelektronické mikrovlnné interovné obvody, dílčí výzkumná zpráv Tesl VÚST, č /, 987 [A5] V. Jeřábek: Optoelektronické mikrovlnné interovné obvody, dílčí výzkumná zpráv Tesl VÚST, č /, 987 [A5] V. Jeřábek: Optoelektronické mikrovlnné interovné obvody, dílčí výzkumná zpráv Tesl VÚST, č /, 990 [A53] V. Jeřábek: Optoelektronické mikrovlnné interovné obvody, dílčí výzkumná zpráv Tesl VÚST, č /, 99 9

97 [A54] V.Jeřábek: Modulční vlstnosti komunikčních elektroluminiscenčních diod, Slboproudý obzor, vol. 46, č.7, str , 985 [A55] V.Jeřábek: Vlstnosti bistbilní lserové diody s mnohonásobně děleným proužkovým kontktem, Slboproudý obzor, vol. 50, č., str. 9 6, 988 [A56] Z,Výborný, J.Mert, D.Krásničn, J.Tomek, V.Jeřábek, V.Myslík: Fotodetktory kov polovodič kov pro interci n GAs, Slboproudý obzor, vol.5, č.7, str , 990. [A57] V.Jeřábek, S.Škvor, B.Kovářová, V.Štefn: Optoelektronický vysílcí přijímcí modul pro velké rychlosti přenosu informce, Slboproudý obzor, vol. 5, č., str , 99. [A58] V.Jeřábek, S.Škvor: Optoelektronické HIO, sborník konference Hybridní interovné obvody, Prdubice, květen 985, str [A59] S.Škvor, V.Jeřábek, D.Michlík: Zesilovče pro pásmo GHz, sborník semináře Mikrovlnné obvody moduly s polovodičovými součástkmi,.0.987, Prh, str [A60] S.Škvor, V.Jeřábek: Aplikce trnzistorů MES FE v optoelektronice, sborník vybrných prcí Tesl VÚST 988, Prh leden 988, str [A6] I.Huttel, V.Jeřábek, H.Výborný, I.Brun: Hybridní monolitické optoelektronické interovné obvody, příspěvek do sborníku přednášk n konferenci Optické komunikce 988, Prh, , str [A6] I.Brun, I.Huttel, V.Jeřábek: Polovodičové struktury pro lserové diody, přednášk n celostátní konferenci Optické komunikce 988, Prh, [A63] V.Jeřábek, S.Škvor: Optoelektronický vysílcí přijímcí modul pro vysoké rychlosti přenosu informce, publikováno ve sborníku vybrných prcí Tesl VÚST 989, Prh,leden 989, str , předneseno n vyţádné přednášce ve VÚPT Brno, konečně publikováno ve sborníku předneseno n konferenci Součástky pro optoelektroniku, mikrovlnnou techniku jejich plikce, Znojmo, , str [A64] V.Jeřábek: Optoelektronické interovné moduly, příspěvek do sborníku přednášk n konferenci Lokální optické sítě, Tábor, , str [A65] S.Škvor, V.Jeřábek: Upltnění HIO v optoelektronických obvodech pro rychlý přenos dt, příspěvek do sborníku n konferenci HIO 89, Hrdec Králové, říjen 989, str

98 [A66] V.Jeřábek: Vlstnosti optoelektronických modulů pro vysoké rychlosti přenosu informcí, sborník celostátní konference Optické komunikce 990, Prh, , str [A67] V.Jeřábek, S.Škvor: Optoelektronický přijímcí modul s vysokou citlivostí, příspěvek do sborníku přednášk n konferenci Elektronické součástky 9, Prdubice, listopd 99, str [A68] V.Jeřábek, J.Dostál: Víceknálový optoelektronický přenos sinálu, příspěvek do sborníku přednášk n konferenci Lokální optické sítě, Tábor, březen 99, str Řešené rnty výzkumné záměry pod vedením nebo s účstí utor [G] Výzkumný záměr FEL ČVUT: Výzkum perspektivních informčních technoloií, MSM , [G] V.Jeřábek, I. Hüttel: ové součástky interovné optiky zhotovené plnární hybridní technoloií, GAČR 0/06/044, [G3] Z. Švitork, V. Jeřábek, I. Hüttel: Výzkum vývoj technoloie polymerních optických vlnově selektivních prvků pro informtiku senzoriku, MPO-TIP FR- TI3/797, Práce se vzthem k řešené problemtice [] P.I.Kminow: Opticl Interted Circuits: A personál perspektive, IEEE J.of Lihtwve Technoloy, vol.6, 9, 008, s [] S.E.Miller: Interted Optics: An introduction, Bell System Technicl Journl, vol. 48, 969, p. 059 [3] W.J.Tomlinson t ll: Photoinduced refrctive index increse in poly (methylmethcrylte) nd its pplictions, Apply Physics Letters, vol. 6, 970, p [4] R.V.Schmidt nd I.P.Kminow: Metl-diffused opticl wveuides in LibO3, Apply Physics Letters, vol. 5, 974, p [5] C.P.Lee,S.Mrlit, I.Ury, A.Yriv: Intertion of n injection lser with Gunn oscilátor on semi-insultin GAs substráte, Apply Physic Letters, vol. 3, 978, p [6] I.Ury, K.Y.Lu: Very hih frequncy GAlAs lser field-effect- trnsistor monolitic interted circuit, Apply Physic Letters, vol. 4, 98, p. 6-8 [7] R.F.Lehemy t l.: Interted InGAs p-i-n FET photoreveiver, Electronics Letters, vol 6, 980, s [8].Br-Chim, K.Y. Lu, I.Ury: Monolitic optoelectronic intertion of GAlAs lser, field-effect trnzistor, nd photodiode, Apply Physic Letters, vol. 44, 984, p

99 [9].Br-Chim, S. Mrlit, K.Y. Lu, I.Ury: GAs interted optoelectronics, IEEE Trns. Elektron Device, ED 9, 98, p [0] J.K.Crney, M.J. Helix, R.M. Kolb: Gibit optoelectronic trnsmitters, 98, GAs IC Symposium, s [] K. Ohnk t l.: A plnr InGAs PI/JFET fiber-optics detector, IEEE J.of Quntum Electronics, vol., 985, s [] A. Antresyn t l.: Stop-cleved InGAsP lser monolyticly interted with monitorin detector, Apply Physic Letters, vol. 47, 985, s [3].K.Dutt t l.: Continuosly tunble distributed feedbck lser diode, Apply Physics Letters, vol. 47, 985, s [4] A. Sski t l.: Liht-to liht trnsducers with Amplifiction, IEEE Trnsction on Electron Devices, vol. 35, 988, s [5] H.Mtsud, S.Sski, M.kmur: GAs optoelectronic interted liht sources, Journl of Lihtwve Technoloy, vol., 983, p [6] T.H.Windhom t ll.: AlGAs double-heterostructure diode lsers fbricted on monolitic GAs/Si substráte, Apply Phys. Lett., vol.45, 984, p [7] L. Demeure, J.P. Rmy: Specil Hybrid Pecke for Lser Semiconductor Devices in Opticl Telecommunictions, 4th Europen Hybrid Microelectronics Konference Proceedins, Compenhen, 983, p kp. -7 [8] K.H.Cmeron, M.B.Mtthews, K.R. Presto, D.W. Smith: A hybrid Lser Trnsmitter Module for Use in Opticl Fiber Systéme, 30th ECC Proceedins, Sn Frncisco, 980, s kp. -8. [9] R. rjn t ll.: Sinlr-chip 40-chnnel InP trnsmitter photonic interted circuit cpble of rete dt rte of.6 Tb/s, Electronic Letters, vol. 4, no. 3, 006, s [0] C. Joyner, D. Lmbert, P. Edvns, M.Rburn: III-V Photonic Interted Circuits nd Their Impct on Opticl etwork Architectures, Opticl Fiber Telecommunictions, Acdemic/Elsevier, ew York, 008, ch.0. [] R.rjn t l.: InP Photonic Interted Circuits, IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, o.5, 00, p.3-5. [] R.rjn, M. Smit: Photonic Intertion, IEEE LEOS ews Letter, vol., o. 3, 007, p.4-0 [3] B.L. Booth: Low loss chnnel wveuides in polymers, Journl of Lihtwve Technoloy, vol.0, 998, p [4] J.F. Viens, C.L.Clender, J.P.od, L. Eldd: Polymer-bsed wveuide devices for WDM ppliction, Proc. SPIE, vol. 3799C, 999. [5] R.Moosburer, K.Petermnn: 4x4 diitl opticl mtrix switch usin polymeric oversized rib wveduides, IEEE Photonic Technoloicl Letters, vol. 0, 998, p [6] D.S.Levy, R.Scrmozzino, Y.Li, R.M.Osood Jr.:A new desin for ultrcompct multimode interference-bsed x couplers, IEEE Photonic Technoloicl Letters, vol.0, 998, p [7] L.Eldd, L.W.Shcklette: Advnces in Polymer Interted Optics, IEEE J. Sel. Top. Qunt. Electr 6, 000, [8] B.L. Booth: Low loss chnnel wveuides in polymers, Journl of Lihtwve Technoloy, vol.0, 998, p [9] K.Ow, E.L.Chinock: GAs F.E.T. trnsimpednce fron-end desin for widebnd opticl receiver, Electronic Letters, vol. 5, p

100 [30] H.kno, S.Ymt, T.P.Hiro t l.: Monolitic intertion of lser diodes, photomonitors nd lser drivin nd monitorin circuits on semi-insultin GAs, Journl of Lihtwve Technol., vol. 4, p [3] K. Shirishi, S. Kuroo: A ew Lensed-Fiber Confiurtion Employin Cscded GI-Fiber Chips, IEEE J. Lihwve Technol., vol.8, o. 6, 000, p [3] K.Kto,Y.Tohmori: PLC Hybrid Intertion Technoloy nd Its Appliction to Photonic Components, IEEE J. Sel. Top. Qunt. Electr., vol. 6, no., 000, p.4-3. [33] M.K.Smith,C.vnDm: PHASAR-bsed WDM-Devices: Principles, Desin nd Applictions, IEEE J. Sel. Top. Qunt. Electr., vol.,996, pp [34] T.Hshimoto, Y.ksu: Mulitchip Opticl Hybrid Intertion Technique with Plnr Lihtwve Circuit Pltform, IEEE J. Lihwve Technol., vol.6, 998, pp [35] K. Kim, S.Y.Kim, W.W.Kim: Development of Compct nd Low-Crosstlk PLC- WDM Filters for Hybrid-Interted Bidirectionl Opticl Trnsceivers, vol.3, no.5, 005, pp [36] Younk-Tk Hn: Fbriction of TFF-Attched WDM-Type Tryplex Trnsciever Module Usin Silic Hybrid Intertion Technoloy, IEEE J. Lihtwve Technol. vol. 4, 006, pp [37] H.Terui, K.Shuto: ovel Micromirror for Verticl Opticl Pth Conversion Formed in Silic-Bsed PLC Usin Wttbility Control of Resin, IEEE J. Lihwve Technol. vol.6, 00, pp [38] Hunsperer, R. G., Interted Optics, Theory nd Technoloy, Spriner Verl, Berlin, pp (98). [39] H.Terui, Y.Akhuri: ovel Micro-Fbriction Technique for Silic-Bsed PLC nd its Appliction to 4-ch WDM Photoreceiver with AWG, LEOS 98, pper WU, pp.3-3. [40] L.Eldd, L.W.Shcklette: Advnces in Polymer Interted Optics, IEEE J. Sel. Top. Qunt. Electr. vol. 6, 000, pp [4] K.K.Tun: Polymeric Opticl Wveuides Usin Direct Ultrviolet Photolitorphy process, Appl. Phys. A80, 005, pp [4] J.F.Viens, C.L.Cllender: Polymer-bsed Wveuid Devices for WDM Applictions, Proc. SPIE, 3799C, 999, pp.5-4. [43] T.Htt, T. Miyhr,. Okd t ll: Hybrid Intertion of Wveuide Photodiode nd Proemplifier IC Usin Au Stud Bump,, IEEE J. Lihwve Technol., vol.4, o. 8, 006, pp [44] K.Kto: Ultrwide-Bnd/Hih-Frquency Photodetectors, IEEE Trnsctions on Microwve Theory nd Techniques, vol. 47, no. 7, 999, pp [45] J.H.Son, K.Y.Kim, J. Cho, D. Hn, J. Lee, Y.S. Lee, S. Jun, Y. Oh, D. Jn, K.S. Lee: Thin Film Filter-Embedded Triplexin-Filters Bsed on Directionl Couplers for FTTH etworks, IEEE Photonics Technoloy Letters, vol.7, no.8,005,pp [46] K. Tkht, Y. Murmoto, H. Fukno, K. Kto, A. Kozen, S. Kimur, Y. Imi, Y. Miymoto, O. kjim, Y. Mtsuok: Ulterfst Monolitic Receiver OEIC Composed of Multimode Wveuide PI Photodiode nd HEMT Distributed Amplifier, IEEE J. Sel. Top. Qunt. Electr., vol. 6, no., 000, p [47]. Dli: Wide-Bndwidth Lsers nd Modultors for RF Photonics, IEEE Trnsctions on Microwve Theory nd Techniques, vol. 47, no. 7, 999, pp

101 [48] Ch. Chen,.H. Zhu, S.J. Zhn, Y. Liu: Chrcteriztion of Prsitics in TO- Pcked Hih-Speed Lser Modules: IEEE Trnsctions on Advnce Pckin, vol. 30, no., 007, pp [49] J.T. Kim, J.J. Ju, S. Prk, M. Lee: O/E Intertion of Polymer Wveuide Devices by Usin Repliction Technoloy, IEEE J. Sel. Top. Qunt. Electr., vol. 3, no., 007, p [50] G.H.B. Thomson: Physics of Semiconductor Lser Devices, John Wiley & Sons, Ltd, 980, Gret Britin. [5] R.S. Tucker: Lre-Sinl Circuit model for Simultion of Injection-Lser Modultion Dynmics, IEE Proceedins, vol. 8, Pt.I, no. 5, 98, pp [5] R.S. Tucker: Microwve Circuit Models of Semiconductor Injection Lsers, IEEE Trnsction on Microwve Theory nd Techniques, vol. 3, no. 3, 983, pp [53] Ondx Ltd. Technické podmínky pro VHGT. [54] J.A.Arcinie: The Opticl nd Optoelectronic Micromodules for Hybrid Optoelectronic Receiver with Volume holorphic Grtnin, PhD thesis, Prue, 0. [55] H. Kwuchi, G. Iwne: Bistble opertion in semicoductor lsers with inhomoenous excittion, Electron.Letters, 99, vol. 7, no.4,. pp [56] C. Hrder, K. Lu, A. Yriv: Bistbility nd pulstions in semiconductor lsers with inhomoenous current injection. J. Quntum Electronics, vol. 8, no.9, pp , 98. [57] V.Švorčík, I.Huttel, P.Pláček: Polymetylmetcrylte opticl wveuides prepred in electricl field, Mterils Letters., vol.6, 007, s [58] O.Lyutkov, I.Huttel, V.Švorčík: Therml stbility of refrctive index of polymetylmetcrylte lyers prepred under electric field. J.Mter Sci:Mter Electron., vol.8, 007, s [59] V.Švorčík, O.Lyutkov, I.Huttel: Thickness dependence of refrctive index nd optic p of PMMA lyers prepred under electricl field. J.Mter Sci:Mter Electron., vol.9, 008, s [60] Lyutkov, V.Švorčík, I.Huttel, J.Sieel,.Ksálková, P.Slepičk: Refrctive index of polymetylmetcrylte oriented by fluid temperture under electric field. J.Mter Sci:Mter Electron., vol.9, 008, s [6] G. Tylor: Studies in Electrohydrodynmics. I. The Circultion Produced in Drop by Electricl Field, Proceedins of the Royl Society of London. Series A, Mthemticl nd Physicl Sciences, Vol.9, o , pp [6] H. A. Stone, J. R. Lister nd M. P. Brenner: Drops with Conicl Ends in Electric nd Mnetic Fields, Proc.R. Soc. Lond., A(999), vol. 455, 964, s [63] L. Y. Yeo nd J. R. Friend: Electrospinnin Crbon notube Polymer Composite nofibers, Journl of Experimentl noscience, Vol, o., 006, s [64] K.K.Tun: Polymeric Opticl Wveuides Usin Direct Ultrviolet Photolitorphy process, Appl. Phys. A80, 005, pp [65] BOSC, D.; MAALOUF, A.; HERIO, F.; HAESAERT, S.: Strenthened poly(methcrylte) mterils for opticl wveuides nd interted functions. Opt. Mter. (007), doi:0.06/j.optmt (klbuch) [66] H.Y.Liu, G.D.Pen nd P.L.Chu: Therml stbility rtins in PMMA nd Cytop polymer fibres, Optics Communictions, vol. 04, no., 00, s

102 [67] Mokráň: BSc výpočty Ormocld/ormocor [68] R. Hen, D. Hbibi: Emerin Architectures for Opticl Brodbnd Access etwork, Edith Copn University, 003. [69] Junmin An, Jin Li, Junyi Li, Yund Wu, Xionwei Hu: ovel triplexin-filter desin usin silic-bsed direction coupler nd n rryed wveuide rtin, Opticl Enineerin, Vol.48, o., p.-5. [70] S. Fn, D.Guidotti, H.Chien, G.chn: A ovel Polymeric Wvelenth Triplexer Desined for 0Gb/s TDM-PO Bsed on Cscded-Step-Size Multimode Interference, Opticl Express, vol. 6, no.7, pp [7] A.J.Kenyon: Recent developments in rre-erth dopid mterils for optoelectronics. Proress in Quntum Electronics, vol. 6, 00, s [7] A.Polmn: Erbium implnted thin film photonic mterils. J. of Applied Physics, vol. 8, 997, s [73] P.G.Kik, A. Polmn: Erbium-doped opticl wveuide mplifiers on silicon. MRS Bulletin, vol. 3, 998, s [74] P.Čpek: Erbium doped plnr wveuides in dielectric mterils, doktorská disertční práce, FEL- ČVUT v Prze, 004. [75] B.R.Judd: Opticl Absorption Intensities of Rre-Erth Ions. Phys. Review 7, 96, s [76] G.S.Ofelt: Intensities of Crystl Spectr of Rre-Erth Ions. Chem. Phys., vol. 37, 96, s. 5. [77] C.E.Chyssou, F. Di Pscle, C.W. Pitt: Improved in performnce in Y b 3+ - sensitized Er 3+ -doped lumin (Al O 3 ) chnnel opticl wveuide mplifiers. J. of Lihtwve Technoloy, vol. 9, 00, s [78] C.Strochhofer, A. Polmn: Reltionship between in nd Y b 3 concentrtion in Er 3+ - Y b 3+ doped wveuid mplifiers. J. of Applied Physics, vol. 90, 00, s [79] R. Bld, M. Snz, A. Mendioroz, J. Fernndez, L.S. Griscom, J.L. Adm: Infrred to Visible Upconversion in d 3+ - Doped Chlcohlide Glsses. Physicl Review, B 64, 00. [80] S.X. Di, J.J. Zhn, S.G.Li, J.H. Yn, S.Q. Xu, G.. Wn, L.L. Hu:.3 m Emission from d 3+ - Doped Telluride Glss Fiber. J. of Mteriál Science & Technoloy, vol. 0, 004, s [8] H. Twrym, E. Ishikw, K. Ymnk: Pr 3+ - Doped Ge-S-I Glsses s Cndidte Mteril for.3 m Opticl Amplifiers. J. of Americn Cermic Society, vol. 83, 000, s [8] B.. Smson, J.A.M. eto, R.I. Lmin, D.W. Dewk: Dysprosium Doped G:L:S Glss for n Efficient Opticl-Fiber Amplifier Opertin t.3 m.electronic Letters, vol. 30, 994, s [83] Fujimoto, Y.; ktsuk, M. Jpn J Appl Phys Prt -Lett 00, 40, L79.-křemenné sklo Bi [84] Run, J.; Wu, E.; Zen, H. P.; Zhou, S. F.; Lkshminryn, G.; Qiu, J. R. Appl Phys Lett 008, 9, 0.. Bi,Yb-sklo [85] W.W.Hn:A Study of Polymeric Wveuide Devices, PhD Thesis, City University of Hon Kon, Hon Kon, 009. [86] S.F. Won, Pun, E.Y.B. (00). Er 3+ + Yb 3+ + codoped phosphte lss wveuide mplifier usin A+Li+ ion exchne, IEEE Photonics Technoloy Letters, Vol. 4, s. 80-8,

103 [87]. Yoshikte, Y. Terkw, H. Hosokw: Polymer opticl wveuide device for FTTH, Proceedins of the Opto-Electronics nd Communictions Conference, Sydney, 008, s.-. [88] A. Brilint: Diitl And Anlo Fiber Optic Communictions for CATV nd FTTx Aplictions, SPIE Press nd J.Wiley, Bellinhm, Wshinton [89] O.Lyutkov,I.Huttel,J.Sieel, V.Svorcik: Reulr surfce rtin on doped polymer induced by lser scnnin, Aplied Physics Letters, Vol. 95, no. 7, pp.?, DOI: 0.063/ [90] J. Grex: Teoretický návrh optické odbočnice, Diplomová práce, FEL ČVUT, 0. [9] S. Huffner: Opticl Spectr of Trnsprent Rre Erth Compunds, Acdemic, ew York, 978. [9] H.Ebendorf-Heidepriem, D.Ehrt, M.Bettinelli, A.Spehini: Effect of Glss Composition on Judd-Ofelt Prmeters nd Rditive Decy Rtes of Er 3+ in Fluoride Phosphte Glsses, Journl of on-crystline Solids, vol. 40, 998, s [93] J. Amin, B. Dussrdier, T.Schweitzer, M. Hempsted: Spectroscopic Anlysis of Er 3+ Trnsitions in Lithium iobte, Journl of Luminiscence, vol. 69, 996, s.7-6. [94] G.C. Rihini, S. Pelli, M. Brenci, M. Ferrri: Aktive Opticl Wveuides Bsed on Er nd Er/Yb-doped Silicite Glsses, Journl of on-crystline Solids, vol. 84, 00, s [95] R. Cliford, J. Pollock: Fundmentls of optoelectronics, Iwin Inc., 995, Chp.. [96] G. Fischbeck, R. Moosburer, M. Topper, K. Petermnn: Desin concept for sinlemode polymer wveuides, Electronic Letters, vol. 3, no. 3, 996, s. -3. [97] Phm oc Kien: ávrh plnárního mnohvidového optického vlnovodu, bklářská práce, České vysoké učení technické, Prh, 00. [98] J. Klpuch: ávrh nového polymerního optického vlnovodu, bklářská práce, České vysoké učení technické, Prh, 00. [99] H. Tům: ávrh x3 polymerní plnární rozbočnice, České vysoké učení technické, Prh, 0. [00] M. Mokráň: Anlýz návrh nových polymerních plnárních fotonických struktur, diplomová práce, České vysoké učení technické, Prh, 0. [0] Bušek, V.Jeřábek, V.Prjzler:The Plnr Opticl Wvelenth Selective System wth The MMI Filter nd The Directionl Coupler, 4th Conference on Opticl Communictions 0, Conference Proceedins, Prue, 0, p [0] B.L.Soldno, E.C. Pennins: Opticl multi-mode interference device bsed on self-imin principles nd pplictions, J. of Lihtwve Technoloy, 995, vol.3, o. 4,p [03] Y.L.Sm, H.YWon: A Compq nd low-loss x wvelenth MUX/DEMUX bsed on multimode-interference coupler usin qusi stte, Microwve nd Opticl Technoloy Letters, 004, vol. 4, o., p [04] R. Svobod:ávrh nových fotonických struktur pro sítě PO, bklářská práce, FEL- ČVUT v Prze, 0. [05] O.Brkmn, V.Prjzler, P.ekvindová: Desin nd Modelin of the Sinle Mode Opticl Glss Wveuides for Pssive Photonics Structures, 3th Conference on Opticl Communictions 0, Conference Proceedins, Prue, 0, p

104 [06] D. Mreš: Optické mříţky pro informtiku, diplomová práce, České vysoké učení technické, Prh, 0. [07] D.E.McCumber: Theory of Phonon- Therminted Opticl Msers, Physics Review, vol. 34, 964, s [08] H. ishihr, M. Hrun, T. Suhr: Opticl Interted Circuits, McGrw-Hill, ew York, 989, pp [09] H. Koelni: Coupled wve theory for thick holorm rtins, The Bell System Technicl Journl 48, pp , 969. [0] J. Broţ, V.Roskovec, M.Vlouch: Fyzikální mtemtické tbulky, STL,Prh, 980. [] J. Schrofel: Plnární optické vlnovody pro senzory zesilovče, Hbilitční práce, České vysoké učení technické, Prh, 995. [] K. ovotný: Optická komunikční technik, Skriptum ČVUT, 00, Prh. [3] A.Mekis, S.Gloeckner, G.Msini t l: A Grtin-Coupler-Enbled CMOS Photonics Pltform, vol.7, no.3, 0, p Příloh A porovnání hodnot Judd-Ofeltových koeficientů t příčných průřezů bs emt pro vybrné typy skel, lithiumniobtu polymer ER Judd-Ofeltov teorie [75], [76] zvádí trojici spektroskopických prmetrů t (t=,4,6) pro určení prvděpodobnosti zářivých přechodů uvnitř tomu ktivátoru, umístěného mezi tomy mtrice v opticky ktivním prostředí. Celková bsorpce elektrických dipólových oscilátorů v tomech ktivátoru mezi přechody ze stvu J do stvu J je vyjádřen (A.), (A.) kde m je hmot elektronů, c je rychlost světl, h je Plnckov konstnt, je vlnová délk odpovídjící přechodu mezi dvěm stvy, n je index lomu prostředí. Pro elektrické dipólové oscilátory S ed při přechodech mezi spinovými stvy chrkterizovnými termy S+ L J S+ L J pltí (A.) pro mnetické dipólové oscilátory (A.3) (A.) kde e je náboj elektronu, m je hmot elektronu, c je rychlost světl ve vkuu (A.3) 99

105 J U J ( t ) je dvkrát redukovný mticový element tenzorového operátoru U (t), J L S J je mticový element tenzoru mnetického operátoru, který je nezávislý n vlstnostech uspořádání tomů mtrice. Vliv okolních tomů vlstní mtrice jejich uspořádání n optické vlstnosti ktivátoru popisují tři prmetry t (t=,4,6,).. Prmetr chrkterizuje symetrii kovlenci vzby mezi ktivátorem mtricí, 6 udává sílu vzájemných vzeb, mezi tomem ktivátoru tomem mtrice (nejčstěji kyslíkem), 4 chrkterizuje změny u obou prmetrů. Experimentálně lze závislost P exp [J;J ] určit měřením interovného bsorpčního koeficientu P exp trnsmisních spekter tomů ktivátoru umístěných v mtrici, vyuţitím vzthu (A.4). (A.4) kde je koncentrce tomů ktivátoru, je frekvence, d je tloušťk vzorku v cm, E( je bsorpční spektrální závislost. Z Judd-Ofeltovy teorie lze tké určit prvděpodobnost spontánních zářivých přechodů A[J;J ] v tomech ktivátoru chrkterizovné rovněţ změnmi vektorů celkového spinového momentu J J mezi jednotlivými eneretickými úrovněmi termů (A.5). Tto výsledná prvděpodobnost spontánních přechodů je vyjádřen sumou prvděpodobnosti spontánní emise fotonů z elektrických A ed mnetických A md dipólů. (A.5) Prvděpodobnosti A[J;J ] těchto spontánních zářivých přechodů vyjdřuje tzv. Einsteinův diferenciální koeficient A popisující rychlost přechodů elektronů resp. rychlost spontánní emise fotonů n ktivční úrovni tomu ktivátoru. Tyto koeficienty jsou vyuţívány v tzv. rychlostních rovnicích pro výpočty vzájemných závislostí elektronových fotonových populcí tké optického zisku opticky ktivních prostředí při optickém nebo elektrickém čerpání. Vyuţitím A[J;J ] pk lze určit koeficient větvení jednotlivých eneretických úrovní (A.6) doby ţivot elektronů rd n příslušném termu (A.7). (A.6) (A.7) 00

106 Příčné průřezy jsou důleţité při stnovení prhových čerpcích výkonů optického záření z bsorpčních spektrálních chrkteristik dného ktivního mteriálu pro dnou čerpcí vlnovou délku. Absorpční příčný průřez bs lze stnovit trnsmisním měřením optických bsorpčních spekter dle vzthu (A.8). zákldě vzthu (A.9), odvozeného z obecné McCumberovy teorie [06], lze pk určit emisní příčné průřezy emit opticky ktivních tomů prostředí. (A.8) (A.9) Porovnejme t prmetry příčné průřezy bs emt dielektrických opticky ktivních mteriálů silikátových fluoridových skel, LibO 3 [79], [80], [8], [8] polymerových mteriálů SU-8 (ER) s dotcí Er 3+ Er 3+ /Yb 3+ [85] pro učinění závěru o vhodnosti mtrice optických polymerů pro umístění opticky ktivních iontů, viz tb. A. - A.4. O závislosti indexu lomu optické vrstvy polymeru ER s různými koncentrcemi Er 3+ Er 3+ /Yb 3 informuje tb. A.5. Lze z ní usoudit, že se zvyšováním koncentrce ktivátorů index lomu vrstvy klesá. Vlstnosti těchto dlších mteriálů byly tké studovány n ktedře mikroelektroniky z hledisk jejich vlstností pro konstrukci opticky ktivních vlnovodů optických zesilovčů. Teoretické i experimentální závěry z těchto výzkumných prcí, které byly věnovány především křemičitým sklům lithium niobtu dotovným Er 3+ jsou prezentovány v prcích [74] [07]. Vyplývá z nich, že Judd-Ofeltovy koeficienty dobře odráží optickou ktivitu Er 3+ u těchto dielektrických mteriálů. Bylo zde konsttováno, že vysokou hodnotu, prmetru, který hodnotí kovlenci mtrice, příčného průřezu emit lze dosáhnout sníţením bsicity mteriálu zvýšením kovlentního chrkteru příměsi, kde pro sodná skl se ukzovl nejvhodnější ZnO, kde tomy zinku omezovly klustrování (shlukování ktivátorů) zhášení luminiscence. opk technoloické důvody, především přítomnost O-H skupin při protonové výměně Ti-Li vedly k tomu, ţe ktivní dotce Er 3+ u vlnovodů LibO 3 s protonovou výměnou Ti nejsou vhodné. Vzniká zde vysoký obsh O-H iontů, způsobujících up-konverzi čerpcí enerie vznik klustrování iontů ktivátoru. 0

107 Tb. A. Vypočítné t (t=,4,6,) pro ktivátor Er 3+ v silikátových, fluoridových sklech LibO 3 [74] Tb. A. Vypočítné příčné průřezy bs emit silikátových, fluoridových skel LibO 3 [74] Tb. A.3 Vypočítné t (t=,4,6,) koeficienty prvděpodobnosti zářivých přechodů různých objemových poměrů ktivátorů Er 3+ :Yb 3+ pro epoxypolymer ER [85] 0

108 Tb. A.4 Vypočítné příčné průřezy bs emit pro ktivátory Er 3+ :Yb 3+ v epoxypolymer ER [85] Tb. A.5 Změřené indexy lomu pro ktivátory Er 3+ :Yb 3+ v epoxypolymer ER [85] Porovnáním výše uvedených tbulek lze dospět k těmto závěrům: ) Celkové velikosti prmterů t tím tké netivní vliv mtrice n misi bsorpci fotonů z ktivátorů je nejvýrznější u lithium niobátu ze skel je výrznější u fosfátových skel, neţ u skel silikátových. ) Vliv mtrice n chování polymerů dotovných ktivátory je menší neţ u dielektrických mteriálů závisi n obshu dopntu kodopntu. S obshem kodopntu klesá. 3) Výrzná dob ţivot indikuje, ţe je moţné vytvořit výrznou inverzi populce, projevující se vysokým optickým ziskem struktur. Výjimku tvoří lithium niobát. 3) Pokud jde o příčné průřezy, jejich hodnoty svědčí o výrznější bsorpci čerpcího záření u polymerů poněkud niţšími hodnotmi bsorpce emise zesilovného záření, neţ je tomu u dielektrických mteriálů, zvláště skel. Výrzně vyšší hodnoty především pokud jde o zesilovné záření vykzuje lithium niobát. 03

109 04 4) Závěrem lze shrnout, ţe polymerové plnární vlnovody s dotcí vzácnými zeminmi mohou dle tohoto srovnání vykzovt luminiscenci při vyšším čerpání mohou zesilovt optické záření. 0. Příloh B odvození vzthů pro výpočet tloušťky vrstev pláště pro optický plnární vlnovod. Pro stnovení minimální tloušťky vrstev substrátu pláště je třeb vyjít z vlnových rovnic popisujících rozloţení vln TE TH v těchto vrstvách. Distribuce D elektromnetického pole v jádru i v oddělovcí plášťové vrstvě vyhovuje řešení vlnové rovnice (B.) (B.) pro m-tý vid elektrické i mnetické sloţky pole.,, t E c n E m y i m y (B.),, t H c n H m x i m x (B.) kde n i = n f, n p, n s V přípdě TE vlny šířící se ve směru osy z šířící se s fázovou konstntou m má pole sloţky E y,m, H x,m, H z,m. Řešením elektromnetického pole je (B.3), (B.4) pro jednotlivé vidy m. ) (,, ) ( ),, ( z t j m y m y m e x E z y x E (B.3) ) (,, ) ( ),, ( z t j m x m x m e y H z y x H (B.4) U vlny TM šířící se ve směru osy z šířící se s fázovou konstntou m má pole sloţky H y,m, E x,m, E z,m. Řešením elektromnetického pole je rovinná vln (B.5), (B.6). ) (,, ) ( ),, ( z t j m x m x m e y E z y x E (B.5) ) (,, ) ( ),, ( z t j m y m y m e x H z y x H (B.6) Předpokládejme pro jednoduchost jednorozměrný přípd pro vlnu TE, kdy intenzit příčného elektrického pole se mění pouze v souřdnici x. Intenzit elektrického pole E y,m (x) pk je určen v jednotlivých polymerových vrstvách výrzy (B.7) ţ (B.9)

110 Ey, m Aexp( qmx) pro 0 x (B.7) Ey, m Bcos( hm x) C sin( hm x) pro h cm x 0 (B.8) E Dexp[ p ( x h )] pro x hcm (B.9) y, m m cm kde A, B, C, D jsou interční konstnty, které určíme pomocí okrjových podmínek n rozhrní vrstev. ormovné konstnty šíření q m,h m,p m jsou dány vzthy (B.0) ţ (B.) q m m ( nck0 ) (B.0) h (B.) p m ( ) n f k0 m ( n k ) m m S 0 (B.) Po plikci okrjových podmínek rovnosti funkčních hodnot E y jejich prvních derivcí de y /dx n rozhrní vrstev pro body x = 0 x = h cm lze eliminovt některé interční konstnty soustvu řešení (B.7) ţ (B.9) vyjádřít jko (B.3) ţ (B.5) Ey, m Aexp( qmx) pro 0 x (B.3) q Ey, m A[cos( hm x) sin( hm x)] pro h cm x 0 (B.4) h q E y, m A[cos( hmhcm ) sin( hmhcm )]exp[ p( x hcm )] pro x hcm (B.5) h Hodnotu interční konstnty A lze určit z normovcí podmínky pro mximální hodnotu intenzity elektrického pole v jádru vlnovodu E y,m,mx =. Polohu mxim n ose x=x mx určíme z derivce výrzu (B.4) po úprvě de y, m dx A[ hsin( h m x) q cos( h q m x)] 0 (B.6) m tn( h m xmx ) (B.7) hm Řešením rovnice (B.7) lze určit hodnotu x mx pro E y,m,mx =. ormovcí podmínk pk má tvr (B.8). norm q [cos( hm xmx ) sin( hm xmx )] / A (B.8) h Předpokládejme, ţe hodnoty intenzity elektrického pole, vyzářeného do pláště resp. substrátu plnárního optického vlnovodu pro m-tý vid budou omezeny n %. Pk můţeme tloušťky vrstev substrátu krycí vrstvy vyjádřit z řešení rovnic (B.9) (B.0), pro normovnou hodnotu intenzity elektrického pole, E y,norm,m (x) v plášti resp. v substrátu vlnovodu. 05

111 E y, norm, m exp( qmhcld, m) 0.0 (B.9) norm qm E y, norm, m cos( hmhcm ) ( )sin( hmhcm ) exp( pm ( hsub, m hcm )) 0.0 (B.0) norm h m kde hledné hodnoty h cld,m h sub,m tloušťky pláště resp. substrátu pro % vyzáření normovné intenzity elektrického pole E y,norm,m (x). ormovnou sloţku intenzity elektrického pole E y,norm,m (x) v jádře vlnovodu lze vyjádřit ze vzthu (B.) q Ey, norm, m [cos( hm x) sin( hm x)] (B.) norm h Průběhy sloţek mnetického pole lze určit derivcí, dle Mxwelových rovnic. Stejný postup by byl volen pro řešení vlny TM. 0.3 Příloh C Odvození vzthu mezi záznějovou interferenční vzdáleností v MMI vrstvě pro konstruktivní restriktivní interferenci. Celkovou intenzitu elektrického pole v osově symetrické interferenční oblsti MMI, lze popst sloţkmi jednotlivých vidů intenzity elektrického pole E y m zjednodušeným vzthem pro fázovou konstntu m (C.) M M m ( m ) m ( m ) E y ( x, z) E y ( x, z) Am cos x exp j jkneff z (C.) W 4n W m 0 m 0 kde A m je mplitud intenzity elektrického pole definovná (4.3), W je šířk interferenční oblsti. eff A m W W / E ( x)cos ( m ) W x m y W / dx (C.) Ve interferenční vzdálenosti L I bude intenzit elektrického pole E y m popsán výrzem(c.3). ( m ) m ( m ) ( jkn (C.3) m E y x, LI ) Am cos x exp j W 4neff W Záznějový rozdíl konstnt šíření pro nultý m-tý vid pk lze vyjádřit (C.4). m( m ) 3L 0 m L I (C.4) eff 06

112 Vzor rozloţení intenzity elektrického pole v bodě E(x,0) zobrzí do bodu z=l I svůj obrz E(x, L I ) zpředpokldu vybuzení všech vidů bude-li pltit podmínk konstruktivní interference (C.5). m( m 3L ) L I ( ) m (C.5) Tto podmínk bude splněn, pokud pokud pltí (C.6), odvozený v kp n W eff e L (C.6) L I p( 3L ) kde p = 0,,, (C.7) pk se při konstruktivní interferenci rozloţení interferujícího pole v bodě z=0 zobrzí obrz tohoto pole přesně do bodu z=l I. K vícenásobnému zobrzení dvoj, troj, n- násobnému dochází, pokud pltí podmínk (C.8) p L I (3L ) kde p=,3,5,.. (C.8) Při restriktivní interferenci pltí pro zobrzující vidy podmínk (C.9). zobrzení se pk podílí poze vidy, které nejsou násobkem čísl tři. Délkl interferenční oblsti se zkrcuje třikrát pltí pro ni, vzhledem k záznějové délce (C.0). mod 3 m ( m ) 0 pro m,5,8,.. (C.9) L I p(l ) kde p= 0,,,3, (C.0) 0.4 Příloh D Výpočet mřížkových konstnt vyzřovcích úhlů u vlnovodných mřížek. Relizovné polymerové mříţky lze plikovt jko vzební mříţky pro zjištění nvázání volně šířeného záření do, nebo z plnárního optického vlnovodu vyuţitím Brovy difrkce, nebo filtrční funkce u optického vlnovodového plnárního filtru, který vyuţívá určitý řádu Brovy reflexe. Účinné vyvázání optické vlny z plnárního optického vlnovodu, šířící se podle osy z, je určeno podmínkou fázové rezonnce mezi fázovou konstntou vedené optické vlny, fázovou konstntou difrktovné optické vlny q fázovou konstntou mříţky K = / kde je mříţková konstnt. Rovnice fázové rezonnce (D.) pk váţe konstnty šíření vedené prostorové vlny qk q 0 (D.) kde q je řád vyzřování optické mříţky, pro který pltí q,,

113 Pro výpočet úhlů difrkce vedené optické vlny, šířící se podle osy z vystupujícího záření prostorové optické vlny vystupujícího do substrátu, přípdně pláště vlnovodu přes optickou mříţku, lze fázové konstnty záření vyjádřit dle (D.), (D.3) (D.4), kde fázová konstnt pro plášťovou difrkci je oznčen indexem p, pro substrátovou difrkci indexem s p q n k sin (D.) p p q s q n k sin (D.3) s s q 0 k 0 (D.4) kde p q resp. s q jsou úhly vyzřování do pláště resp. substrátu pro q tý řád mříţky n p resp. n s jsou index lomu pláště substrátu n p je index lomu jádr vlnovodné mříţky n eff je efektivní index lomu k je vlnové číslo vlny šířící se ve vkuu k = / Pro vyjádření různých typů difrkce vedené vlny z do pláště nebo substrátu, které mohou nstt přes vlnovodnou mříţku, byly určeny hrniční vzthy oblstí () (3) závislosti mříţkové konstnty, vlnové délky proximtivní hodnoty efektivního indexu lomu n eff pro jednotlivé typy difrkce. Z podmínky, ţe >0, >0 funkční hodnoty funkce sinus jsou omezené n intervl ;, musí být řád difrkce q = - nebo -. Pk s vyuţitím vzthu (D.) lze podmínky fázové rezonnce n optické mříţce, dné vyzřováním do pláště nebo substrátu relizovné n plnárním optickém jednorozměrném vlnovodu vyjádřit dle (D.5),(D.6). p n pk sin q neff k qk (D.5) s nsk sin q neff k qk (D.6) jelikoţ se optická vln šíří jednorozměrným plnárním vlnovodem, musí pltit podmínky totálního odrzu n všech rozhrních, které jsou vyjádřeny nerovností (D.7) n n n n (D.7) p s eff f Pro vyjádření různých typů difrkce vedené vlny z nebo do pláště resp. substrátu, které mohou nstt přes vlnovodovou mříţku, byly určeny hrniční vzthy oblstí (D.8) (D.9), které vyjdřují závislost mříţkové konstnty, vlnové délky proximtivní hodnoty efektivního indexu lomu n eff pro jednotlivé typy difrkce. Z 08

114 podmínky, ţe >0, >0 funkční hodnoty funkce sinus jsou omezené n intervl ;, musí být řád difrkce q resp. q = - nebo -. q / n p sin n (D.8) p q eff q / n s sin n (D.9) s q eff yní mohou vzhledem k podmínkám (D.4) (D.7) nstt tyto přípdy: A) Jednopprskové zpětné vyzřování pouze do podloţky v přípdě splnění pouze p rovnice (D.8) pro nějký úhel. B) Dvoupprskové zpětné vyzřování do podloţky pláště v přípdě splnění rovnic p s (D.8) (D.9) pro určité úhly,. C) Dvoupprskové dopředné vyzřování do podloţky pláště v přípdě splnění p s p s rovnice (D.8) (D.9) pro určitý úhel, nebo,. D) Multipprskové vyzřování do substrátu pláště pro určité úhly s. obr. D. jsou zobrzeny některé fázové dirmy vlnovodných mříţek. p, s. p, Obr. D. Příkldy fázových dirmů vlnovodných mříţek [..] ) přípd vzební mříţky, kdy dochází k difrkci vytvořeni zářivých vidů řádu q = - - do pláště i substrátu b) mříţk pro konverzi vidu z prvního vidu β d n zákldní vid β i0 součsně v záporných řádech mříţky k vyzřování do substrátu do pláště c) přípd reflexní vlnovodné mříţky tzv. Brovské mříţky s reflexí v. řádu. 09

115 ásledující tb. D., tb. D. udává vypočítné hodnoty mříţkové konstnty vybrných difrkčních úhlů pro dv typy optických vlnovodných difrkční filtrů, relizovných n PMMA SU 8. Výpočty jsou provedeny pro vybrné vlnové délky 30, nm. ) PMMA optická mříţk, relizovná n knálkovém optickém vlnovodu relizovné n skle IT výměnou iontů A.- n p =, nebo n p =,49 (PMMA), n s =,5 (sklo bez výměny iontů), n f =,56 (sklo s výměnou iontů). Výpočet hrničních liníí jednotlivých množin pro všechny čtyři přípdy difrkce viz. [08]. ) SU 8 optická mřížk, kde polymer tvoří hřebenový vlnovod i optickou mřížku. Indexy lomu jsou n p =, nebo n p =,49 (PMMA), n s =,46 (kysličník křemičitý), n f =,59 (SU 8). Výpočet hrničních linií jednotlivých množin pro všechny čtyři přípdy difrkce viz. [54]. V nšem přípdě lze lineární funkce hrnic difrkčních oblstí f() pro všechny čtyři přípdy vyzřování ) ţ d) z předpokldu pltnosti (D.7), (D.8), (D.9) vyjádřit: A) n eff +,5 n eff +. Těmto podmínkám pro přípd = 550 nm odpovídjí mříţkové konstnty 0,507;0, 60 v m úhel zpětného s 0 0 jednopprskového vyzřování do substrátu 90 ; 4, 4. B) n eff + n eff. Těmto podmínkám pro přípd = 550 nm odpovídjí mříţkové konstnty 0,6;, 006 v m úhel zpětného dvouppskového p 0 0 s 0 0 vyzřování do substrátu součsně do pláště 90 ; 0, 4,4 ; 0 C) n eff n eff -. Těmto podmínkám pro přípd = 550 nm odpovídjí mříţkové konstnty,006;, 870 v m úhel dopředného dvouppskového p 0 0 s 0 0 vyzřování do substrátu součsně do pláště 0 ; 90, 0 ;4, 4. U tohoto přípdu můţe tké dojít k multipprskovému vyzřování,kdy jde o kombinci vlnových mříţkových vektorů pro vyšší řády mříţky. D) n eff +,5 n eff +. Těmto podmínkám vyhovuje dopředné dvou - pprskové vyzřování do substrátu nebo multipprskové vyzřování do substrátu pláště. Pro přípd = 550 nm odpovídjí mříţkové konstnty pro úhel dopředného s dvouppskového vyzřování do substrátu pouze, m úhlu = Pokud bude jko plášť pouţit PMMA s indexem lomu n p =,49,bude pro vyzřování z vlnovodového filtru fyzikálně relizovtelná pouze vrint d ) s jednopprskovým zpětným vyzřováním hodnotmi 0,507;0, 5 úhlem s ,6 ; 90 tké vrint d c) s dvoupprskovým dopředným vyzřováním s 0 0 p 0 0 hodnotmi,006; 3 úhly 0 ; 78,6 ) 0 ; 90. Zjednodušený model všk v obou přípdech předpokládá interkci vedené vlny s mříţkou relizovnou n jádře vlnovodu. Relizovný vlnovodový filtr měl všk mříţku relizovnou n PMMA plášti tedy interkce vedené vlny s mříţkou byl sníţená. 0

116 Tb. D. Závislost rozshu hodnot mříţkové konstnty v m n vybrných hodnotách vlnové délky v nm pro PMMA mříţku relizovnou n knálkovém vlnovodu s výměnnou iontů. [nm] Vrint A Vrint B Vrint C Vrint D 53 [ m] 0,74-0,76 0,76-0,345 0,345-0,64 0,64 p q [ o ] , s q [ o ] (-90) (-78,6) (-78,6) ,6 7,3 650 [ m] 0,-0,5 0,5-0,4 0,4-3 3 p q [ o ] , s q [ o ] (-90) (-78,6) (-78,6) ,6 7,3 30 [ m] 0,43 0,43-0,85 0,85-6, 6, p q [ o ] , s q [ o ] -78,6 (-78,6) ,6 7,3 490 [ m] 0,487-0,49 0,49-0,968 0,968-9,8 9,8 p q [ o ] , s q [ o ] (-90) (-78,6) (-78,6) ,6 7,3 550 [ m] 0,507-0,5 0,5-,006, p q [ o ] , s q [ o ] (-90) (-78,6) (-78,6) ,6 7,3 Tb. D. Závislost rozshu hodnot mříţkové konstnty v m n vybrných hodnotách vlnové délky v nm pro SU 8 mříţku relizovnou n hřebenovém vlnovodu SU 8. [nm] Vrint A Vrint B Vrint C Vrint D 53 [ m] 0,0 0,0-0,348 0,348-,004,004 p q [ o ] ,0 s q [ o ] -43, (-43,) , 8,8 650 [ m] 0,57 0,57-0,45 0,45-,6,7 p q [ o ] ,0 s q [ o ] -43, (-43,) , 8,8 30 [ m] 0,58 0,58-0,856 0,856-,47,473 p q [ o ] ,0 s q [ o ] -43, (-43,) , 8,8

117 490 [ m] 0,589 0,589-0,974 0,974-,8,8 p q [ o ] ,0 s q [ o ] -43, (-43,) , 8,8 550 [ m] 0,65 0,65-,03,03-,94,95 p q [ o ] ,0 s q [ o ] -43, (-43,) , 8,8 0.5 Příloh E vlstnosti objemové Brovské holorfické mřížky. Objemové Brovské mříţky (VHG) jsou relizovány ve skle holorfickým záznmem, který je relizován vytvořen interferencí mezi světelnou kolimovnou vlnou předmětovou referenční. Pk se z předpokldu dosttečné koherence mezi nimi vytvoří neloklizovné interferenční pole, které prostupuje oblst obou svzků. Interferenční útvry jsou poté prlelní roviny půlící úhel mezi světelnými svzky. Difrkční mříţky mohou být VHG trnsmisní reflexní, které se liší svými topoloickými vlstnostmi, le především závislostí difrkční účinnosti n technoloických konstntách, viz dále. Difrkce n VHG podobně jko n dlších periodických mříţkových strukturách musí vyhovovt podmínce fázové rezonnce mezi vlnovým vektorem k i dopdjící, vlnovým vektorem difrktovné vlny k d mříţkovým vektorem G (E.).Tto podmínk je vyjádřen pro VHG jk trnsmisního tk reflexního typu. Obr. E. Grfické vyjádření fázové podmínky uvnitř objemové difrkční mříţky VHG, kde θ in θ dn jsou úhly incidence difrkce uvnitř mříţky

118 dále pltí pro moduly vlnových vektorů (E.) pro modul mříţkového vektoru (E.) (E.3) Vektorovou rovnici (E.) lze rozepst do sloţkového tvru vektorů jko soustvu lebrických rovnic pro osu z osu y, které musí být splněny součsně pro zdnou vlnovou délku nebo pro úhel θ i. prvých strnách rovnic je rovnoběţná kolmá sloţk mříţkového vektoru. (E.4) (E.5) Předpokládáme-li kolimovný svzek, n VHG dochází ke konstruktivní interferenci nultého prvního řádu mříţky volíme - li vhodné ntočení VHG vůči souřdné soustvě, kde optické rozhrní ztotoţníme s osu z pltí pro průměty vlnových vektorů do osy y podmínky k i = k d, i = d. Z pouţití (E.) (E.3) pk lze psát pro m-tý řád VHG elementární vzth (E.6) sin m kde m =,, (E.6) B kde je úhel dopdu n mříţkovém rozhrní pltí θ i, m je řád difrkce je Brovská vlnová délk. Tento úhel je nutno přepočítt pro výpočet difrkční účinnosti n vnitřní úhel dopdu n rozhrní uvnitř VHG dle Snellov zákon (E.7). sin nsin (D.7) n Pro konstruktivní interferenci pltí m = 0,. Dlší vyšší řád zniká vlivem destruktivní interference při skládání příspěvků od dlších rozhrní mříţky. Vzth (E.6) pk lze pouţít ke stnovení Brovské konstnty mříţky, která je zákldním prmetrem pro konstrukci optického mikromodulu. Z měření byly stnoveny difrkční úhly θ d = 8.4 o pro λ = 490 nm θ d = 9. o pro λ = 550 nm, které určily zákldní eometrii rozloţení optických optoelektronických prvků trnsceiveru. zákldě znlosti difrkčních úhlů bylo moţno stnovit Brovu konstntu určující mříţkovou periodu ze vzthu (E.8) B d sin( ) (E.8) 3

119 kde je Brov konstnt, je Brov vlnová délk d je difrkční úhel. Pk Brovy konstnty byly m m pro vlnové délky nm. Prostorové rozloţení difrktovného optického výkonu n VHG pro vlnové délky λ =490 λ =550 nm měřené optickým profilometrem BP 04-IR je n obr. D.. Zde je tké zobrzen vlnová délk λ 3 =30 nm, která nepodléhá difrkci lze tedy určit polohu optické osy mříţky. Obr.D. Prostorové rozloţení optického výkonu difrktovných optických svzků triplexní mříţky ve 3D pro vlnové délky λ =490 λ =550 nm. Ve středu je nedifrktovné záření λ 3 =30 nm. Pro stnovení difrkční účinnosti je třeb především vyhodnotit, jký poměr je mezi eometrickými prmetry mříţky tedy mříţkovou konstntou K, tloušťkou mříţky L vlnovým číslem kterou vyhodnocuje Kloinův koeficient Q viz. [08], dný vzthem (E.9) Q n d (E.9) Velikost tohoto koeficientu pk určí typ difrkce, viz tb. E.. Tb. E. Určení typu difrkce dle Kloinov prmetru Kloinův prmetr Q < < Q< 0 Q > 0 Typ difrkce Rmn-thov Přechodná Brov V nšem přípdě mříţky Ondx Ltd. vychází Kloinův koeficient Q = tedy difrkce bude Brov typu. Objemové mříţky mohou být detilně nlyzovány pomocí přesné sdruţené vlnové nlýzy či vidové nlýzy. Ob přístupy jsou exktní rovnocenné. V jejich nejpřesnějších formách vyţdují tyto přístupy počítčověnumerická řešení. Pouţitím zjednodušené vlnové nlýzy, které zhrnuje pouze 4

120 nultý první řád difrkce Koelnik [09] rozprcovl sdu nlytických řešení, které jsou v mnoh přípdech dosttečně přesná n poli objemové holorfie široce uţívány. Difrkční účinnost je definován jko poměr mezi intenzitou difrktovného záření do ţádného difrkčního řádu n výstupu difrkční mříţky I d ku intenzitě záření dopdjícího n mříţku I o objemové holorfické trnsmisní mříţky (E.0) I I d o (E.0) při splnění Brovy podmínky lze pro. řád difrkční mříţky odvodit viz. [08] pro trnsmisní mříţku (E.) B sin ( cos in d cos dn ) (E.) kde in, dn jsou úhly dopdu difrkce n indexovém rozhrní uvnitř objemu Brovy mříţky, je koeficient vzby mříţky d je tloušťk mříţky. Pokud předpokládáme, ţe in = dn = n., pk lze účinnost trnsmisní VHG určit z konstrukčních prmetrů mřížky dle (E.) B sin ( B nd cos n ) (E.) kde n je úhel dopdu n indexové rozhrní uvnitř Brovy mříţky, n indexová modulce mříţky, d je tloušťk mříţky koeficient vzby pro indexově modulovné mříţky je pk n B. Obdobný vzth lze pk odvodit i pro reflexní mříţky (E.3) B nd th ( ) (E.3) cos B n Porovnání obou vzthů v rfech viz obr.e.3 ukzuje, ţe trnsmisní mříţk doshuje pro reálné prmetry difrkční mříţky, ted pro hodnoty do / lepších hodnot difrkčních účinností je důvodem, proč byl pro demultiplexci volen v WDM přijímči právě VHG trnsmisního typu, coţ smozřejmě ovlivnilo i návrh topoloie celého WDM přijímče. Do výpočtů nebyly zhrnuty Fresnelovy ztráty reflexí n optických rozhrních viz. tb E.3, protoţe VHG byl od výrobce optřen ntireflexními povlky, ztráty se všk projevily u kolimčních čoček. 5

121 Obr. E.3. Porovnání difrkčních účinností VHG trnsmisního reflexního typu Difrkční účinnost byl vypočítán dle (E.). Výsledky výpočtů včetně hodnot prmetrů, uţitých pro výpočet jsou uvedeny v tb.e.. Tb.E. Výpočet difrkčních účinností VHG pro jednotlivé vlnové délky. V tbulce je respektován rozptyl hodnot modulce indexu lomu při zhořování VHG, uváděný výrobcem. [nm] n n [de] [de] n [0-4 ] [um] B [%] min mx L.T min mx L.T Z tbulky je ptrno, ţe vypočtené průměrné hodnoty difrkční účinnosti oznčené L.T. jsou 70 %, coţ odpovídá,55 db vloţných ztrát pro 490 nm 67 %, coţ odpovídá,74 db vloţných ztrát pro 550 nm. Porovnání těchto hodnot s výsledky měření ukzují rozdíly v řádu procent. Cylindrické kolimční čočky, vyuţívné v optickém zobrzovcím systému, byly identické jejich optické prmetry byly vypočítány n zákldě znlosti závislosti indexu lomu skl BK7 n vlnové délce s vyuţitím jejich eometrických prmetrů. Výsledky pk byly porovnány s měřením. Vzth pro výpočet polohy ohnisk kolimční čočky je odvozen v dodtku F, viz (F.4). (E.4) Optický výkon n výstupu kolimční čočky vzhledem ke vstupnímu optickému výkonu lze vyjádřit s vyuţitím koeficientu reflexe R dle vzthu (E.5) Pt Pin R (E.5) 6

122 kde P t je optický výkon n výstupu kolimční čočky P in je výkon n vstupu kolimční čočky R je koeficient reflexe Koeficient reflexe lze pk n optickém rozhrní vyjádřit dle (E.6) R P n n n n in t (E.6) P in P kde n n jsou indexy lomu n optickém rozhrní. Pk vložný útlum kolimční čočky, kde počítáme Fresnelovy ztráty odrzem n obou rozhrních je dán po jednoduché úprvě (E.7) A P 0lo 0lo R P in (E.7) t V tbulce tb. E.3 jsou pk uvedeny výsledky výpočtů polohy ohnisk FFD, koeficientů Fresnelovy reflexe R vloţného útlumu pro kolimční čočky A., pouţívné v optickém zobrzovcím systému. Tb. E.3 Výpočet ohniskové vzdálenosti FFD, koeficientu reflexe R optických vloţných ztrát kolimční čočky A. [nm] n FFD [mm] R A. [db] , , Příloh F ávrh mikrooptické kolimovné zobrzovcí soustvy WDM přijímče resp. WDM trnsceiveru. Zobrzovcí systém tvoří mikrooptickou zobrzovcí soustvu, která byl řešen z těchto předpokldů: ) Kruhový symetrický Gussovský svzek ) Pprsek se šíří v homoenním médiu Pro řešení mikrooptické soustvy byl pouţit optická nlýz vyuţívjící pprskové přechodové mticové metody v prxiální proximci. Pomocí této nbídky byly odvozeny jednoduché explicitní vzthy pro určení pprskově optimálních prmetrů celého zobrzovcího systému viz. obr. E... 7

123 Celková přenosová mtice zobrzovcího systému je dán (E.) kde S je přenosová mtice kolimční čočky S je přenosová mtice kolimční čočky A je přenosová mtice vzduchové mezery A je přenosová mtice vzduchové mezery A 3 je přenosová mtice vzduchové mezery 3 A 4 je přenosová mtice vzduchové mezery 4 V je přenosová mtice VHGT S T A 4 S A3 V A S A (F.) (F.) (F.3) A FFD 0 (F.4) A t 3 0 (F.5) A 3 t 4 0 (F.6) 8

124 A 4 FFD 0 (F.7) t5 V n (F.8) 0 Mtice S T je celková přenosová mtice optické zobrzovcí soustvy, která trnsformuje optické pole n výstupu optického MM vlákn 50/5 m n ktivní plochu optického fotodetektoru průměru 40 m. Protoţe optická soustv je izotropní homoenní, nebude při trnsformci docházet k ţádnému prostorovému zkreslení. Jelikoţ součsně mjí kolimční čočky stejné rozměrové i optické chrkteristiky jsou výsledné přenosové mtice S = S = S A = A = A identické proto i vzthy pro polohu ohnisk, strny optického vzoru optického obrzu, budou identické. Pro výpočet polohy ohnisk FFD pouţijeme zobrzovcí mticovou rovnici (E.9), se zvedenou substitucí (F.0), (F.) (F.) y in out S x A x y in in (F.9) P P n R n R (F.0) (F.) t L n (F.) Pro výpočet polohy ohnisk n výstupu kolimční čočky při dopdu kolimovného svzku n vstupní rozhrní je vstupní úhel optického svzku out = 0 velikost obrzu y in = 0. Pk dostáváme pro výpočet ohnisk FDD rovnici (F.3) 0 FDD s in s (F.3) Tto rovnice musí pltit pro všechny in, tk ţe ohnisko FDD lze vyjádřit dle (F.4) FDD s s P Pt P P P t (F.4) 9

125 Výpočet ohnisk kolimčních čoček L L byl zloţen n odvozeném vzthu (F.4), kde: L = 3. mm je délk kolimční čočky R =.6 mm je poloměr kulového vrchlíku n čelní strně kolimční čočky R = je poloměr kulového vrchlíku n zdní strně kolimční čočky n = index lomu skl BK 7 pro vlnové délky 30 nm, 490 nm 550 nm. Vypočítné hodnoty jsou uvedeny v tb. F. Tb. F. Vypočítné hodnoty prmetrů kolimčních čoček L L pro vlnové délky 30 nm, 490 nm 550 nm. [nm] n P [mm - ] P [mm - ] P t t [mm] FFD [mm] Kde střední hodnot polohy ohmisk je FFD =.70 mm. 0.7 Příloh G optimlizce šířky pásm mikrovlnného optoelektronického přijímče. Pro optimlizci šířky pásm nízkoimpednčního trnsimpednčního OE přijímče byl proveden teoretická nlýz optimlizce mikropáskového propojení mezi PI fotodiodou vstupem mikrovlnného interovného obvodu zesilovče ověřená simulcí v prormu Win Mide pro dosţení optimální šířky pásm frekvenční chrkteristiky,5,5 GHz [A9]. Pro mtemtickou nlýzu s vyuţitím komplexní přenosové impednce Z T optoelektronického přijímče, jsme vyuţili elektrický náhrdní obvod pro mlé změny sinálu n obr.f.. Obr. G.: Elektrický náhrdní obvod pro mlé změny sinálu pro optimlizci elektrické vzby mezi PI fotodiodou vstupem IO mikrovlnného zesilovče v SMD provedení. 0

126 cm, H cm, H kde i p (ω) proudový zdroj PI fotodiody C D kpcit prostorového náboje 0.5 pf C S rozptylová kpcit pf R s sériový odpor 0 Ω R D dynmický odpor PI fotodiody kω L kompenzční indukčnost R tenkovrstvý odpor npájení PI fotodiody kω R A vstupní impednce 50 Ω HBT zesilovče Kompenzční indukčnost L byl sloţen s indukčnosti propojovcího kontktního drátku PI fotodiody (C30606ECER Judson Technoloies) L mikropáskovéo propojení L. dle vzthu (G.). L L L (G.) kde L *0 3 l l.303lo b c b c l μh,cm (G.) L 0 3 l.303lo 4l d 0.75 μh,cm (G.3) Pro úhlovou mezní frekvenci byl odvozen vzth (G.5) modulu komplexní přenosové impednce Z T (G.4) u o D P ZT ip RD RS RP j ( L RS RDCT RDRPCT ) R R LC T R D (G.4) Z T R D R S R P LC D R D R D R P L R R C D S D R D R P C D / (G.5) Úhlovou mezní frekvenci (G.6) lze stnovit jko kořen řešení trnscendentní rovnice kde je modul přenosové impednce pro R P je prlelní kombince R A R. Limitní frekvence f T vyplývjící z řešení rovnice (F.4) byl f T =,78 GHz pro = 46,07, C T = C D + C S =,5 pf L = 4,5 nh. áhrdní ekvivlentní obvod z obr. F. byl vyuţit pro simulci S frekvenční chrkteristiky v prormu Win Mide. Kpcit prostorového náboje PI fotodiody C D je funkcí závěrného npětí pro 5V je ktloová hodnot 0,5 pf. Kpcit C S je dán przitními kpcitmi v sinálové cestě n výstupu PI fotodetektoru. Pro dobrou sinálovou odezvu je důleţité, by tyto kpcity byly co nejmenší. Pro omezení vlivu těchto kpcit je relizován ekvlizce kompenzční indukčností L v okolí mezního kmitočtu f T. Pro ověření vlivu kompenzční indukčnosti n frekvenční chrkteristiku zjištění její

127 přesné hodnoty pro mezní frekvence,5,5 GHz byly provedeny simulce v prormu Win Mide. Simulovné S frekvenční chrkteristiky v rozshu frekvenci 0, 3,5 GHz jsou n obr. G.. Simulovné hodnoty odpovídjí vypočteným výsledkům. Obr. G. Simulce rozptylového prmetru S v závislosti n frekvenci, prmetrem je kompenzční indukčnost L S Příloh H Modelování vlstností bistbilní lserové diody (BLD) n zákldě řešení rychlostních rovnic. Technoloická struktur čipu nvrţené relizovné BLD s mnohonásobně děleným prouţkovým kontktem je zobrzen n obr. H.. Obr. G. GAlAs/GAs dvojitá heterostruktur s mnohonásobně děleným prouţkovým kontktem Mtemtický model BLD vychází ze sttického řešení soustvy tří rychlostních rovnic (H.) ţ (H.5), popsném v [6]. První rovnice (G.) popisuje čsovou změnu koncentrce injekovných nosičů v ziskové části ktivní vrstvy BLD, druhá rovnice (H.3) popisuje koncentrci nosičů v bsorpční části ktivní vrstvy třetí rovnice (H.5) koncentrci fotonů v ktivní vrstvě. Měření prokázl, ţe při stbilním vyzřování