Integrovaná fotonika POČÁTKY INTEGROVANÉ OPTIKY

Transkript

1 Integrovaná fotonika POČÁTKY INTEGROVANÉ OPTIKY

2 ZÁKLADNÍ SOUČÁSTKY 3 4

3 Základy technologie fotonických vlnovodných struktur 5 Některé významnější technologie Ti:LiNbO 3, APE LiNbO 3 (annealed proton exchange) Elektrooptické, akustooptické, aktivní (dotované Er 3+ ), nelineární optické prvky (kaskádní procesy : ) Polovodiče III-V (InP/Ga x In y As -x P -y, GaAs/Al x Ga -x As) MOCVD, MBE, CBE Lasery, polovodičové zesilovače, elektroabsorpční modulátory, spektrální de/multiplexory, detektory, ) Polymery Termooptické (elektrooptické?) modulátory a přepínače Silica on silicon (Si/SiO /SiO :Ge,P/ SiO ) chemické depozice, hydrolýza plamenem (IO vlákno ) Měrný útlum řádu 0.00 db/cm Pasivní součástky, termooptické, aktivní (dotované Er 3+ ) Silicon on Insulator (Si/SiO /Si) ( wafer bonding, extrémní kontrast indexu lomu 3,5 :, extrémní hustota součástek) 6 3

4 Příprava vlnovodů v LiNbO 3 Difuze titanu Protonová výměna čištění substrátu depozice chromu UV ovrstvení fotorezistem a expozice UV ovrstvení fotorezistem a expozice 3 vyvolání fotorezistu vyvolání a vytvrzení rezistu 4 depozice titanu leptání chromu 5 lift-off protonová výměna v kys. benzoové 6 difuze titanu (000 C, 8 h) odstranění chromu a žíhání vlnovod vede obě polarizace vlnovod vede jedinou polarizaci (!!!) 7 Příprava polovodičových vlnovodů A III B V GaAlAs InGaAsP GaAs podložka InP GaAlAs MOVPE, MBE i-inp GaAs MOVPE, MBE GaInAsP mikrolitografie GaAlAs MOVPE, MBE InP 8 4

5 Příprava vlnovodů SOI (silicon on insulator) Si podložky CVD SiO wafer bonding ztenčování (chem.-mech. leštění,leptání) mikrolitografie CVD SiO 9 Příprava masek na elektronovém litografu. Modelování a návrh struktury vlnovodů a elektrod. Příprava dat pro elektronový litograf (digitalizace?) 3. Skleněná (křemenná) podložka s cca nm Cr ( matný chrom ) 4. Depozice elektronového rezistu odstředivkou (roztok PMMA) 5. Expozice rezistu elektronovým svazkem 6. Vyvolání fotorezistu (odstranění exponovaných míst) 7. Iontové leptání chromové vrstvy 0 5

6 Základní typy fotonických vlnovodných struktur Pasivní (jednovidové) vlnovodné struktury. Symetrické jednovidové rozvětvení buzené do společné větve P, out Pin / P in P, out Pin / Výkon se dělí rovnoměrně do obou výstupních větví z důvodů symetrie 6

7 Symetrické rozvětvení napájené do jedné z výstupních větví P in e s e a e = ( e + e ) s a e s e a P out P in / Prad ³ P in / Dojde k vyzáření (ztrátám) nejméně poloviny výkonu! 3 Vzájemná vazba dvou identických vlnovodů e ( ) s x, y, b b s s > ba e ( ) x, y, b Exaktní řešení: superpozice b symetrického a antisymetrického vidu = b (,, ) i bs z (, ) i b E x y z = Ae a z ( ) s es x y + Ae a ea x, y e e ( ) x, y, b (, ), a x y b a ib ( ) z ib ( ) ( ) z» A ( ) z e e xy, + A z e e xy, Pro slabou vazbu (dostatečně přesné, pokud je slabá vazba) e ( ) [ ( ) ( ) x, y» e ] s x, y + ea x, y, Získáme e ( ) [ ( ) ( ) x, y» e,, ], s x y -ea x y bs+ b i az b ( ) ( ) s - ba A z = A 0 e cos z, e ( x, y)» [ e ( x, y) + e ( x, y) ], s bs+ b i az b - b ( ) ( ) s a A z = ia 0 e sin z, e (, ) [ ( ) ( ) a x y» e x, y -e x, y ], L vazební délka, na níž se přelije c 00% výkonu z vlnovodu do b s - a k = b = p, L L p c = b - b c s a 4 7

8 P,in Směrová odbočnice (směrový vazební člen) P 3,out P 4,out 3, out, in 4, out, in ( k ) ( k ) P = P cos L, P = P sin L, p k =. L c Směrovost D, Přeslech CT 4, P = 0 log P, in, out Min ép = 0 log ë P + P 4, out ù û 3, out 4, out P 3,out, P 4,out P 4,out P 3,out ( )L 5 Metody šíření optického svazku (BPM) Metody pro výpočet rozložení pole optického záření ve složitějších podélně nehomogenních vlnovodných strukturách Složitější vlnovodná struktura rozložení indexu lomu Rozložení optického záření 6 8

9 Děliče výkonu (vazební členy) Dělič 4 s postupným dělením s pomocí symetrických děličů Y IL ³ 6 db, L e ³ 0 db; ve zpětném směru velmi ztrátové, L e ³ 6 db Dělič 4 4 využívající směrových vazebních členů IL ³ 6 db v obou směrech, Le 0 7 Některé zajímavé vlnovodné součástky Děliče s mnohovidovou interferencí Princip: Interference vidů v mnohovidovém planárním vlnovodu (~978) L 4 L 3 L L (délka zobrazení) dělič dělič 4 8 9

10 Konverze vidů na vlnovodné mřížce b i L b d p K z = å K e K = bd» bi mk L pq () pq imkz mn mn, m, m Pro m = dai = () D = - - dz dad -D i bz ++ = ike A () z, k = ik i d,, i dz * idbz ik e A z, b b b K d d i Řešení s počáteční podmínkou A ( 0) = A, A ( 0) = 0 je Db i z i i0 d A () i z = Ai, 0e écos dz i( b/ ) sin dzù ë - D û, d = ( D b/ ) + k. Db i z k - A () k () d z = iai, 0 e sin dz; Ad z = Ai0 sin dz. d d d i0 sin Pro D b = 0 A () z = A k z Účinnost může být teoreticky 00% 0 Spektrální závislost konverze vidů na mřížce,0 Conversion efficiency 0,8 0,6 0,4 0, =,5 0-3 = 0-3 0,0 0,96 0,98,00,0,04 B / B Mížka s malým činitelem vazby může mít úzkou spektrální křivku konverzní účinnosti 0

11 dai dz dbd dz b i b d Zpětný (braggovský) odraz na mřížce * -D i bz L = ik e B z, D b = b + b -K () d d i id bz ++ () i k d,, i =- ike A z, = ik. z = L b» b mk; b» b - K»-b d i d i i K» b i Řešení s okrajovými podmínkami A ( 0) = A, B ( L) = 0 je i i0 d i,0 i z * i,0 Ai z A cosh z i / sinh z, /. B z i A e sinh z d Pro D b = 0 R Bd ( L) ksinh dl = = A dcosh dl-i( Db/ ) sinh dl i0 R = tanh k L. Spektrální závislost účinnosti zpětného odrazu,0 Modal reflectance 0,8 0,6 0,4 0, =,5 0-3 = 0-3 0,0 0,96 0,98,00,0,04 B / B Úzká spektrální křivka konverzní účinnosti vyžaduje malý činitel vazby 3

12 Spektrální demultiplexor s fázovanou řadou vlnovodů ( Phasar, AWG arrayed waveguide grating demux) Fázovaná řada (několika desítek) vlnovodů hvězdicový vazební člen l, l, l, l, l Vstup Výstup l l l 3 l 4 l 5 M. K. Smit, 987; dnes asi nejpopulárnější součástka 4 Některé fyzikální principy využívané ve fotonických vlnovodných prvcích 5

13 Termooptický jev it ( ) j = knl 0 fázový posun při šíření vlny L dj j n j L D j = D T = + dt n T L T vlastní termooptický jev teplotní roztažnost Jednoduchý jev existuje ve všech materiálech při vhodné konstrukci časové konstanty řádu ms až µs! 6 Elektrooptický jev změna indexu lomu (tenzoru optické permitivity) vlivem vnějšího elektrického pole - ( ) r E ; ( r E ) D e = D -e e v v malá změna permitivity teorie vázaných vln Typická aplikace: elektrooptický (fázový) modulátor U Ti:LiNbO 3 vlnovod elektrody k0 D b» (, x y) D *(, x y) dxdy òò e e e S k0 =- (, xy) [ v ( xy, )] *(, xydxdy ) òò e e r E e e S 7 3

14 Elektroabsorpce a elektrorefrakce v polovodičích W Pásový energetický diagram polovodiče Vodivostní pás Pásový energetický diagram polovodiče s přiloženým napětím (el. polem) W E Vodivostní pás Wg Zakázaný pás Valenční pás W g Valenční pás <W g Zakázaný pás x we ( w ) e ( w) - = P 0 dw, p ò w - w w e ( w ) e ( w) = P 0 dw p ò w - w Elektroabsorpční jev Kramersovy-Kronigovy relace Elektrorefrakční jev x Zesílení excitonovými efekty v kvantových jamách; QCSE (Starkův jev v kvantově ohraničených strukturách) 8 Rychlé elektrooptické vlnovodné modulátory 9 4

15 Machův-Zehnderův interferometrický modulátor Konverze fázové modulace na amplitudovou U E,0 P out /P in 0,8 0,6 0,4 0, P out /P in P out æp U ö = Pin cos ç çè U ø P é æ in U öù = + cos p ê ë çè U p øúû p 0, U 30 Modulační rychlost elektrooptických modulátorů I Standardní modulátor s elektrodami se soustředěnými parametry Z 0 U Z 0 U U m U Ekvivalentní elektrický obvod Z0 Z0 C e U m = + wt U m /U,0 0,5 ZC 0 m U = U, t =, C = C L ( + jwt) / m m e e 0,0 0,0 0,5,0,5,0,5 3,0 Dw B = = p pt B Le = pcz Ce = pf/cm, Z0 = 50 W, B L» 3 GHz cm e e 0 3 5

16 Modulační rychlost elektrooptických modulátorů II Modulátor s elektrodami s postupnou vlnou vedení s postupnou vlnou Elektrody tvoří součást mikrovlnného koplanárního vedení neuplatní se kapacita elektrod, kritický je rozdíl rychlostí šíření optické a modulační elektrické vlny. Optická vlna: Elektrická modulační vlna : E = E [ ( )] opt 0 exp jw t -Nz / c E = E exp éj ( t N z/ c) ù mod m ê W - ë m úû é W ù sin ( N - N) L Účinnost modulace elektrodami délky L: c m h ; mod W ê ( N - N) L c m ú ë û Šířka pásma (pro pokles účinnosti modulace o 4 db) je W max c B L» L = p ( N - N) m Pro N» 4., N». B L» 0 GHz. cm m 3 Technické parametry reálných elektrooptických modulátorů Typická modulační charakteristika P out /P in U P out /P in P max Offset v přepínací charakteristice je důsledkem rozdílu v optické dráze ramen interferometru. Je ho možno kompenzovat napětím. U rychlých modulátorů se proto vytváří sada kompenzačních elektrod. 0. P min offset U 0 U P P out in é æ U - U = + öù < ë û 0 mcos p, m ê çè U p øú Spínací poměr (extinkce, extinkční poměr) P Vložný útlum IL = 0 log P in, fibre max, fibre Pmax + m E = 0 log = 0 log P - m min U kvalitních modulátorů E ³ 0 db, IL 3 db 33 6

17 Elektroopticky řízený Machův-Zehnderův interferometrický modulátor s postupnou vlnou optická vlákna elektrody s postupnou vlnou Pin Pout integrovaně optický čip vstup modulačního signálu (7 V, 50, 40 Gb/s) výstup do přizpůsobené zátěže (50 ) elektrody pro nastavení pracovního bodu 34 Komerční elektrooptické modulátory 0 GHz 40 GHz 35 7

18 00 GHz LiNbO 3 modulátor s ovládacím napětím 5, V (NTT, 998) 36 Vlnovodné optické zesilovače a lasery (EDWA, EDWL) Čerpání 0,98 µm,48 µm Er 3+ :(Yb 3+ ) vlnovod Signál,55 µm zesílený signál Antireflexní vrstvy Vlnovody z různých materiálů: (fosfátové) sklo, Al O 3, LiNbO 3,... zesílení 0 db Výhody: malé rozměry, možnost současného zesilování signálů na různých nosných vlnových délkách možnost integrace s pasivními součástkami na jednom čipu ( zero-db splitter ) Nevýhody: malá délka -> vysoká koncentrace dopantů, malé zesílení 37 8

19 Vlnovodný zesilovač Al O 3 : Er 3+ na Si/SiO podložce spirála mm zisk,3 db na λ =,55 µm při čerpání 0 mw na,48 µm M.K. Smit et al. (TUD); Appl. Phys. Lett. 68, 888 (996) 38 A to už je úplný KONEC INTEGROVANÉ FOTONIKY 39 9

20 VLNOVODNÝ ZESILOVAČ VE VLNOVODU ZE SPECIÁLNÍHO SKLA DOPOVANÉHO Er 3+ A Yb 3+ VŠCHT A ÚFE AV ČR, Substrát Soustava kanálkových vlnovodů Net on-chip gain [db] MM64 measured MM64 fit MM65 measured MM65 fit Pump power in waveguide [mw] Charakterizace vzorků aktivních vlnovodů Net on-chip gain [db] Pump power 0 mw 6 mw 66 mw 3 mw 9 mw 50 mw Wavelength [nm] Iontová výměna Na + K + a Na+ Ag +, ztráty 0.8 db/cm, délka vzorku 4 cm Max. zesílení na čipu 6 db, zesílení vlákno vlákno 5 db. 40 Kódově transparentní konverze vlnových délek pro optické komunikační systémy Nelineární optický jev. řádu generování rozdílové frekvence L=7 µm PP LiNbO 3 s c p K = p / L ; k = k - k + K; c p s Probném: vlnovod je na wp» ws dvou- až třívidový obtížná excitace základního vidu. w c w s wc = wp -ws, w» w» w p s c Řešení: kaskádní aplikace dvou procesů c ( ) 4 0

21 Kódově transparentní konverze vlnových délek pro optické komunikační systémy Kaskáda dvou nelineárních třívlnových procesů ( : ) v PPLN p L=7 µm PP LiNbO 3 s c Princip. generování. harmonické w p. generování rozdílové frekvence w c ws K = p / L ; kp = kp + K; kc = kp -ks - K = kp - ks» ks wc = wp -ws, Aplikační možnosti wc = wp -( ws -wp) Konverze vlnové délky Kompenzace disperze (inverze frekvenční závislosti!) Optické vzorkování rychlých průběhů w p 4 Vlnovody s velkým kontrastem: SOI Klasické vlnovodné struktury s malým kontrastem indexu lomu (Δn 0,0) vyžadují velké poloměry zakřivení (R 0 mm) velké rozměry prvků, malá hustota integrace. db/ Ztráty v 90 ohybu ve vlnovodu index lomu vrstvy,7 index lomu podložky,6 vln. délka,55 µm R (µm) Struktury s velkým kontrastem indexu lomu (Δn 0, 0).. Struktury na bázi mikrorezonátorů. Vlnovodné struktury ve fotonických krystalech 3. Plazmonika Struktury s vysokým kontrastem indexu lomu umožňují lokalizaci optického záření v menší prostorové oblasti a tím i vyšší hustotu integrace na čipu 43

22 Fotonický drát (vlnovod s velkým kontrastem indexu lomu) Rozložení elektromagnetického pole základního vidu TE 00 W» 400 nm E x 3 5 μm SiO Si H y 44 Vazba do nanofotonických vlnovodů m SOI wire Problémy: Účinná vazba mezi submikrometrovým vlnovodem a vláknem Je nutný konvertor velikosti vidového pole: v horizontální rovině ve vertikální rovině (obtížnější) Polarizační problém Single-mode fiber core 45

23 Adiabatický přechod mezi vlnovody velmi různých profilů / kontrastů SOI drát 0.4 m polymerní vlnovod 0. m invertovaný klínový přechod 500 m 80nm

24 4

25 50 Mikrorezonátory 3 5

26 Vlnvodné struktury s mikrorezonátory ( 990, B. E. Little et al., MIT, Cambridge, USA) in through V rezonanci out in through Mimo rezonanci mikrorezonátor out 4 Spektrální vlastnosti mikrorezonátoru in drop through Rezonanční vln. délka 3 pnd = qlq, q celé číslo (0-0 ) Dl FSR I drop Vzdálenost mezi rezonancemi FSR» l /( pn D) Jemnost F = FSR/ Dl q g intenzita I throuh I in Činitel jakosti Q = qf Vlnová délka nebo fáze 5 6

27 Technologické aspekty Laterální vazba mezi mikrorezonátorem a vlnovodem je velmi kritická: MIT, Cambridge, 000 Al 0,5 Ga 0,5 As GaAs systém šířka vlnovodů 0,4 0,6 µm šířka štěrbin 0,8 0,3 µm hloubka leptání µm Alternativa: vertikální vazba 7 Vlnovodné filtry na bázi mikrorezonátorů Příklad : Termoopticky laděný filtr vyšších řádů Filtry. až. řádu, ø 7 µm SiO /Hydex (n s =,45, n g =,7), Ø 50 µm ztráty na čipu,5 db (Little Optics, Inc., PTL, Sept. 004) Termoopticky laděné spektrální charakteristiky filtru 5. řádu, Δf = 5 GHz 8 7

28 Rekonfigurovatelný demultiplexor s termoopticky laděnými mikrorezonátory (Realizace: University of Twente, NL, systémové testy: Nortel, UK) 9 SPÍNÁNÍ S POMOCÍ NELINEÁRNÍHO OPTICKÉHO JEVU V OPTICKÉM MIKROREZONÁTORU Silná čerpací vlna mění index lomu rezonátoru a tím ho rozlaďuje; Signálová vlna postupuje do průchozího portu, je-li mimo rezonanci, a do vydělovacího portu, je-li v rezonanci. čerpání signál průchozí port vydělovací port 8

29 Optické přepínání s pomocí křížové fázové modulace input input signal Power (W) drop Power (W) thru 0.0 thru 0.0 drop time (ps) time (ps) pump Power (W) Parameters: g 0 = 000 W m ring radius 5 µm l s = nm l p = nm Signal peak power 0. W Gauss, FWHM 5 ps Pump peak power.5 W Gauss, FWHM 5 ps delay.6 ps time (ps) Power (W) input thru drop time (ps) 9