Integrovaná optoelektronika pro informatiku Vítězslav JEŘÁBEK 1. Úvod Výzkum a realizace stále dokonalejších integrovaných hybridních a monolitických struktur a součástek integrované optoelektroniky probíhá ve světě již více než dvacet let. Velkou měrou podnítil rozvoj těchto problematik také pokrok v oblasti telekomunikací, datových přenosů a zejména internetu. V současné době probíhá dynamický pohyb především v oblasti materiálových technologií a návrhu nových stále sofistikovanějších součástek. Stále se objevují nové myšlenky a postupy. Hlavním stimulem tohoto výzkumu je skutečnost, že planární optické a optoelektronické struktury a struktury integrované optiky otevírají nové možnosti při řešení dalších generací optických komunikačních systémů, soustav využívajících optických senzorů, optických měřících přístrojů a zařízení. Problematika integrovaných optoelektronických a optických struktur není v naší republice nová, ale má poměrně dlouholetou tradici. První práce se začínají objevovat již v 80. letech minulého století a to na pracovištích jak aplikovaného tak základního výzkumu. Řešitelským týmům se v průběhu jejich řešení podařilo vyvinout vláknové hybridní tenkovrstvé a tlustovrstvé integrované obvody optoelektronických přijímacích a vysílacích modulů s integrací převážně elektronických a optoelektronických prvků, z nichž některé prvky dodnes pracují v optických informačních sítích. Tento vývoj v oblasti výzkumu planárních struktur pokračoval výzkumem technologických postupů a prvků pro integraci v optické i optoelektronické doméně přípravou planárních dielektrických a polymerových vlnovodů s integrovanými optoelektronickými součástkami. Byly ověřeny možnosti realizace i aktivních optických struktur jako jsou vlnovodné lasery a optické zesilovače na dielektrických polárních materiálech a na polymerech. Návrh technologie a realizace nové generace hybridních optoelektronických integrovaných obvodů, které využívají integrace jak optoelektronických tak optických součástek předpokládá integraci nových optoelektronických prvků, přizpůsobených pro planární integraci na jedné podložce společně s optickými vlnovody [1]. Podle typu integrovaného optoelektronického prvku (OE prvku) jako je kupř. SS-LD (spot-size convertor laser diode), laserová dioda s přechodovým optickým členem, WG-PD (waveguid photodiode), vlnovodná fotodioda a nebo SS-SOA ( spot-size converter semiconductor amplifier), polovodičový optický zesilovač s přechodovými optickými členy můžeme realizovat integrovaný optoelektronický vysílač, přijímač, nebo zesilovač, realizovaný planární hybridní technologií [2]. Zvládnutí této technologie umožňuje udělat první kroky k vysoce atraktivním optoelektronickým integrovaným obvodům, které jsou předmětem intenzivního výzkumu světových laboratoří, které využívají jak planární hybridní tak monolitické integrace a zkoumají součástky pro vlnové WDM (Wavelength Devided Multiplex) a zejména časové OTDM (Optical Time Devided Multiplex) multiplexní systémy, jako je kupříkladu multivlnový optoelektronický vysílač a přijímač, vlnový selektor nebo terabitový add-drop multiplexer. Vedle klasických polovodičových technologií na křemíku nebo materiálech skupiny A 3 B 5 jako jsou kupř. InP, GaAlAs, InGaAsP, InGaAsSb se objevují i nové organické materiály a technologie pro optoelektronické integrované obvody využívající polymerních tenkých vrstev jako je polymetyl metakrylát, vinylmethylsilan, nebo některé druhy epoxypolymerů kupř. NANOTM SU-8 2000 od firmy Micro Chem Corp. 1
Nové integrované optoelektronické obvody jsou využitelné pro navýšení rychlosti přenosu informace v telekomunikačních sítích až na stovky gigabitů za sekundu. V současných telekomunikačních systémech se integrované optoelektronické obvody uplatňují především v jejich přenosových částech jako jsou optoelektronické vysílače, přijímače a transceivery. Můžeme se s nimi setkat především v širokopásmových přenosových částech páteřních optických sítí analogového typu kupř. AM-CATV tak různých digitálních typů BPON, EPON, GPON a WDM-PON. V přístupových sítích nyní probíhá sice relativně pomalý, ale vytrvalý proces směřující k zavádění optiky rovněž na nejnižší stupně přístupových sítí, kde je postupně nahrazována technologie ADSL a její varianty, vedené především po twistových kabelech, za technologii FTTx založenou na optických vláknech. Z technologického hlediska můžeme integrované optoelektronické součástky pro tyto sítě rozdělit na mikrooptické využívající prostorového šíření optického svazku a planární, které lze dále větvit na obvody hybridní a monolitické integrace. Optoelektronické integrované obvody je možné konstruovat kombinací pasivních komponent hybridní integrace jako jsou vláknové a planární optické vlnovody, optické rozbočnice, filtry, optické mřížky a aktivních optoelektronických komponent jako jsou optické modulátory, laserové diody, optické polovodičové zesilovače a fotodiody. Hlavní výhodou hybridní integrace je možnost využití prvků, realizovaných v různých technologických cyklech, které jsou rozmístěny a funkčně optimalizovány na společné podložce. Hlavní výhody monolitické integrace spočívají v tom, že obvody jsou vytvářeny v jednom technologickém cyklu jejich rozměry lze značně miniaturizovat a jejich optické i elektrické parametry optimalizovat. Tím vychází tyto parametry výrazně lepší, než u hybridní integrace, navíc je možno využitím monolitické integrace vytvářet kvalitativně zcela nové součástky a obvody. Nevýhodou je však vysoká cena technologických zařízení. V prvé části tohoto příspěvku budou popsány některé nové součástky integrované optoelektroniky pro hybridní integrované obvody realizované na polovodičových materiálech A 3 B 5 pro napojení na optické planární dielektrické nebo organické vlnovody realizované většinou na křemíkových substrátech [3], [4]. V druhé části pak se soustřeďíme na součástky a subsystémy pro vlnové WDM a časové OTDM optické multiplexní systémy. V závěru pak si všimneme technologie některých modulů pro přístupové účastnické sítě FTTx, realizované hybridními technologiemi. 2. OE prvky pro planární hybridní integraci Základním optoelektronickým prvkem planární hybridní integrované optoelektroniky je laserová dioda typu (SS-LD), optický zesilovač (SS-SOA) a vlnovodný fotodetektor (WG-PD). Obr.1. Vnitřní struktura čipu laserové diody SS-LD [2] 2
Pro realizaci účinné vazby na planární optický páskový vlnovod využívají SS-LD a SS- SOA technologicky integrovaný úhlový vazební člen (spot-size converter), který umožňuje záření s dostatečnou účinností zavést do planárního vlnovodu a vyvázat z něj bez nutnosti využívat prvků mikrooptiky jako jsou mikročočky, optické mřížky a další vazební členy obr.1. Tento úhlový vazební člen je technologicky napojen na boční fasety optoelektronických prvků. Rozměr aktivní oblasti v místě napojení je 0.1 až 0.3 µm a tloušťka pásku optického vlnovodu je 1 až 2 µm. Pro nízké vazební ztráty je vhodné, aby úhlový vazební vlnovod byl zhotoven z materiálu s šířkou zakázaného pásu odpovídající absorpční hraně polovodiče menší než je vlnová délka záření. Prahový proud laserové diody se pophybuje kolem 5 ma, diferenciální responsivita je 0.4 mw/ma, mezní optický výkon 10 mw, vlnová délka 1300 nm. Dalším optoelektronickým prvkem, který lze využít pro hybridní optoelektronické integrované obvody, je vlnovodný fotodetektor WG-FD viz. Obr. 2. Čip tohoto fotodetektoru lze lícem navázat na optický planární vlnovod. Struktura fotodetektoru obsahuje fotoabsorbční vrstvu InGaAsP tloušťky 3 µm a horní a dolní transparentní vrstvy InGaAsP tloušťky 2 µm, které spolu s absorpční vrstvou tvoří planární optický vlnovod. Pro dosažení dobré citlivosti při nízkých napájecích napětích a přijatelných dynamických vlastností je difuzí Zn do absorpční vrstvy vytvořen PN přechod v části absorpční vrstvy. Responsivita je 0.85 až 0.88 ma/mw pro vlnové délky záření 1.3 až 1.6 µm. Obr.2 Vnitřní struktura vlnovodné fotodiody WG-FD [2] 3. OE prvky pro planární monolitickou integraci Jedním ze základních prvků pro systémy WDM resp. DWDM je multivlnový optický vysílač, realizovaný jako laserové pole, které obsahuje integrované laserové diody DFB (distribute feedback) s Braggovskými optickými mřížkami integrovanými v aktivní vrstvě laserové diody, optickou planární rozbočnicí a polovodičovým optickým zesilovačem. Pro stabilizaci vlnové délky se využívá systému tří optických mřížek, integrovaných do aktivní vrstvy laserové diody. Laserové pole může emitovat až 8 vlnových délek současně, které jsou dolaďovány teplotou s přeladěním až 5 nm. Nespojitým přepínáním jednotlivých Braggovských mřížek v každé laserové diodě dosáhneme 3 různých nastavení vlnové délky. Tím laserové pole dosahuje až 24 optických kanálů s možností 3
nespojitého přeladění až 40 nm. Optické ztráty na pasivním optickém planárním multiplexeru jsou hrazeny polovodičovým optickým zesilovačem. S jeho využitím lze dosáhnout výstupního optického výkonu 10 až 20 mw. Obr. 3 DFB laserové pole s integrovaným optickým multiplexerem a optickým zesilovačem [ 3] Pro extrémě rychlé časové spínání se u systémů OTDM pracujících s časovým multiplexováním optických signálů při terrabitových rychlostech toku dat využívá optických interferometrů. Časový spínač TOAD - ( Terabit optical asymmetric demultiplexer) je realizován Sagnacovým interferometrem. Prvek pracuje na principu krátkodobého optického přebuzení polovodičového optického zesilovače řídícím impulsem, monoliticky integrovaného do kruhového ramene Sagnacova interferomertru, které způsobí posun fáze optické vlny šířící se v obou směrech ramenem kruhového interferometru. Posun umístění optického zesilovače vůči ose interferometru způsobí vznik časového okna, ve kterém se může generovat na výstupu TOAD interferometru logický stav ze vstupu TOAD v době přítomnosti řídícího impulsu. TOAD interferometr lze využít jako základní prvek OTDM vysílače a přijímače pracující jako spínač impulsů pro komunikační rychlosti až stovek Gb/s. Spojení dvou těchto prvků pak jako velmi rychlá dynamická paměť. 4
Obr. 4 Struktura TOAD terabitový optický asymetrický demultiplexor lit.[ 5 ] 4. Hybridní OE součástky pro přístupové účastnické sítě FTTx V informačních sítích typu PON-FTTx se využívá na účastnické straně k transformaci optického třívlnného záření typu WDM na elektrickou formu a naopak optoelektronický transceiver. Jeho úlohou je přeměnit dva optické informační toky s vlnovou délkou 1490 a 1550 nm směrované z nejbližšího uzlu PON-FTTH k účastnickému ONT na elektrickou formu a současně jeden elektrický informační tok na vlnové délce 1310 nm směrovaný od každého účastnicka do nejbližšího uzlu PON-FTTH na optickou formu. Nevýhodou mikrooptických řešení je vysoká technologická náročnost stávajících transceiverů využívající volného šíření optického svazku a optických objemových bloků jako jsou hranoly nebo zrcadla. Tyto transcievery jsou složeny z laserů a fotodetektorů zapouzdřených v pouzdrech typu TO, z mikrooptických elementů jako jsou mikročočky a tenkovrstvé optické filtry. Celý mikrooptický systém je drahý, rozměrný a obtížně integrovatelný do navazujících elektrických obvodů. Planární transceivery jsou realizované technologií optické hybridní integrace a využívají vlnově selektivní prvky jako jsou tenkovrstvé destičkové vkládané filtry pro systém postupného filtrování vlnových délek nebo jiné planární vlnově selektivní členy jako jsou interferenční vlnové rozbočnice nebo fázové optické mřížky. 5
Obr. 5 Využití submodulů při konstrukci PLC HIO modulu pro sítě PON [ 6 ] Pro vedení optického záření se využívá optických vlnovodů s četnými ohyby a postupných optických odbočovacích členů, které způsobují určité vložné ztráty optického výkonu. Destičkové tenkovrstvé filtry je nutno vkládat do úzkých drážek, kolmých na osu optických vlnovodů, kde stěny těchto drážek musí být přísně kolmé a jakákoli odchylka výrazně zvětšuje optické ztráty. Jiná planární provedení transceiverů destičkové filtry umisťují z boku nosné destičky a optoelektronické přijímače umisťují za ně na lepené mikromoduly viz. obr. 5. Některá řešení využívají planární fázové vlnově selektivních součástek, jako jsou planární interferometry nebo směrové vazební členy viz. obr.6, jsou velmi náročné na návrh a přesnost maskování a na zhotovení optických planárních obvodů. Obr. 6 Hybridní polymerový optoelektronický planární modul pro sítě FTTH PON [7] Běžné vlnovodné struktury realizované na Si podložkách, specielních sklech nebo i některých polovodičových materiálech kupř. GaAs resp. InP dobře plní funkci optických vlnovodů, konstrukce složitějších fotonických struktur je však technologicky velmi náročná. Optoelektronické hybridní integrované obvody lze vyrobit na podložkách z celé řady organických a anorganických materiálů. Jako podložka se velmi často používá Si substrát nebo semiisolační GaAs nebo InP. Na těchto podložkách se pak klasickou technologií drátového kontaktování na tenkovrstvý pájitelný motiv, nebo technologií řízeného ohřevu a letování čipu (solder-bump) na vymaskovaný motiv přes tenkou podkladovou vrstvičku SiO 2 rozmísťují aktivní polovodičové součástky, jako SS-LD, SS-SOA nebo WG-PD. Tyto součástky se umisťují na specielně vybroušenou podložku, která umožňuje navázat záření ze součástky do vlnovodu. Někdy se konec vlnovodu opatřuje 45 stupňovým skosením 6
realizovaným laserovou ablací, nebo přímo litograficky využitím pryskyřice s kontrolovanou snáčivostí. Složitější struktury jako vlnovodné selektory pro WDM nebo terabitové optické přepínače pro OTDM jsou realizovány přímým spojováním více destiček, kde jsou jednotlivé prvky struktury jako fázová optická mřížka, nebo optické SOA hradlové pole dodatečně spojovány, nebo zapouštěny a fixovány optickou pryskyřicí do specielně upravených drážek. 5. Závěr Optické integrované obvody založené především na polymerních materiálech, jako jsou polymetakrylát, nebo acrylat a některé typy epoxypolymerů, které se v nedávné době objevily v zahraničních pramenech jsou materiály velmi vhodné pro konstrukci optoelektronických integrovaných obvodů. Jejich velmi nízká drsnost, malá křehkost, polarizační nezávislost a nízká cena jsou vlastnosti velmi vhodné pro hromadnou výrobu, což od optoelektronických integrovaných obvodů budoucnosti očekáváme. 6. Přehled literatury [1] T.Hashimoto at all.: J. of Lightwave Technology, vol.16, No.7, 1998, p.1246-1257 [2]K.Kato at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p.4-13 [3]H.Hatakeyama : IEEE J. of Selected Topics in QE, N 6, 2002, p.1341-1348 [4]L.Eldada at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p.54-68 [5]P.R.Prucnal, I.Glesk at all.: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, No. 4, 2002,p.13-14 [6] Y.T.Han at all.: J. of Lightwave Technology, vol.24, No.12, 2006, p.5031-5038 [7] Wolf von Reden at all.: Lightwave Europe, Q3, 2007, p.1-31 Kontakt: Ing. Vítězslav Jeřábek, CSc, Katedra mikroelektroniky, FEL ČVUT, Technická 2, 166 27 Praha 6, jerabek@fel.cvut.cz 7