základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur....
TRANSCRIPT
![Page 1: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/1.jpg)
Základy technologie
fotonických vlnovodných struktur
![Page 2: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/2.jpg)
Některé významnější technologie
Ti:LiNbO3, APE LiNbO3 (difúzní procesy)Elektrooptické, akustooptické, aktivní (dotované Er3+),nelineární optické prvky (kaskádní procesy χ2: χ2 )
Polovodiče III-V (InP/GaxInyAs1-xP1-y, GaAs/AlxGa1-xAs) – epitaxní růstMOCVD, MBE, CBELasery, polovodičové zesilovače, elektroabsorpčnímodulátory, spektrální de/multiplexory, detektory,…)
Polymery (odstředivé nanášení)Termooptické (elektrooptické?) modulátory a přepínače
Silica on silicon (Si/SiO2/SiO2:Ge,P/ SiO2)hydrolýza plamenem (IO „vlákno“)Měrný útlum řádu 0.001 dB/cmPasivní součástky, termooptické, aktivní (dotované Er3+)
Silicon on Insulator (SOI, Si/SiO2/Si)(„wafer bonding“, extrémní kontrast indexu lomu 3.5 : 1.5,velmi malá stopa vidu, extrémní hustota součástek)
Iontová výměna ve skleněných podložkách (ion exchange – difúzní proces)Pasivní, případně aktivní struktury (dopované Er3+)
Si3N4 on silica (Si3N4 /SiO2/Si) (chemické depozice - PECVD); Pasivní součástky, termooptické, aktivní (dotované Er3+)
Lithium Niobate on Insulator (LNOI, LiNbO3/SiO2/Si) („wafer bonding“); velký kontrast indexu lomu 2.2 : 1.5menší stopa pole vidu, vysoká účinnost elektrooptických součástek
![Page 3: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/3.jpg)
Difuze titanu Protonová výměna
1 čištění substrátu depozice chromu
2 ovrstvení fotorezistema expozice
ovrstvení fotorezistema expozice
3 vyvolání fotorezistu vyvolání a vytvrzení rezistu
4 depozice titanu leptání chromu
5 „lift-off“ „protonová výměna“v kys. benzoové
6 difuze titanu (1000°C, 8 h)
odstranění chromu a žíhání
Příprava vlnovodů v LiNbO3 difúzními metodami
vlnovod vede obě polarizace různě vlnovod vede jedinou polarizaci
![Page 4: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/4.jpg)
Příprava polovodičových vlnovodů AIIIBV epitaxním růstem
GaAlAs InGaAsP
podložkaGaAs InP
GaAlAs MOVPE, MBE i-InP
MOVPE, MBEGaAs GaInAsP
mikrolitografie
MOVPE, MBEGaAlAs InP
![Page 5: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/5.jpg)
Příprava vlnovodů SOI (silicon on insulator)
Si podložky
CVD SiO2
„wafer bonding“
„ztenčování“(chem.-mech. leštění,leptání)
mikrolitografie
CVD SiO2
![Page 6: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/6.jpg)
Deep UV photoresist
Antireflection coating
SiO2 (PECVD)
LiNbO3 single crystal
SiO2 (thermal growth)
Silicon
Příprava vlnovodů LNOI (lithium niobate on insulator)
![Page 7: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/7.jpg)
Periodické pólování krystalu LiNbO3Monokrystal LiNbO3
( )z c
xy
optická osa
Periodické pólováníza vysoké teplotypod Curieho bodem
Výsledek:
U
Periodické střídání orientace optické osy => změna znamének všech tenzorů 3. řádu 2 ( )( , ,r e a pod.)
![Page 8: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/8.jpg)
Příprava masek na elektronovém litografu
1. Modelování a návrh struktury vlnovodů a elektrod
2. Příprava dat pro elektronový litograf (digitalizace?)
3. Skleněná (křemenná) podložka s cca 50-100 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
![Page 9: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/9.jpg)
Pasivní fotonické vlnovodné struktury
![Page 10: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/10.jpg)
Vlnovodné rozvětvení 1×2
1. Jednovidové rozvětvení buzené do společné větve
inP
1 2, /inoutP P
2 2, /inoutP P
Výkon se dělí rovnoměrně do obou výstupních větví z důvodů symetrie
![Page 11: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/11.jpg)
2. Současné buzení do obou větví se vzájemným fázovým posuvem
se
1
2
1212
,s a
s a
e e e
e e e
seae
ae
se
Relativní změnou fáze vidů ve vstupní větvi je možno měnit výstupní výkon
2 2 2 21 2
1 2
1 1e e e e2 2
2 22 2 2 2
/ / / /
cos sin ( )cos cos
i i i iout s a s a
s a in
E e e e e e e
e ie e e E
2 22 2
cos cosout in inu
P P PU
Symetrické rozvětvení buzené v opačném směru
1e
2e
![Page 12: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/12.jpg)
Směrová odbočnice (směrový vazební člen)
23 1
24 1
2 2
, ,
, ,
cos ,
sin ,
,
out in
out in
s a
c
cs a
P P L
P P L
L
L
0 1 2 3 4 50,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
P4,out
P3,out
κ(λ)LP 3
,out /P
1,in,
P4,
out /P
1,in
se ae e si zse
e ai zae
1
1 2 1 2
2 21 2
102
1 1e e22
e e2 2
/ /
( ) ( ),
( )
cos sin
s a s a
S a S a
s a
i z i z i z i z
s a
i z i zs a s a
E e e e
E z e e e e e e e e
e z ie z
1 2 1
1 2 2
2 2
2 2.
/ , / ,
/ , /s s a
a s a
e e e e e e
e e e e e e
1,inP3,outP
4,outP
![Page 13: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/13.jpg)
Rozložení indexu lomu
Rozložení optického záření
1 3 µm.
1 55 µm.
Spektrální vlastnosti směrové odbočnice
![Page 14: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/14.jpg)
Asymetrické vlnovodné rozvětvení jako oddělovač vidů
Symetrický(základní)
vid
Antisymetrický vid
Pokud je výstupní úhel θ velmi malý (θ < 0,2°) a výstupní větve asymetrické,chová se rozvětvení Y jako oddělovač vidů, nikoli jako dělič výkonu
2
1, asymetrické Y, oddělovač vidů0.1, symetrické Y, dělič výkonu
eff
ìs eff
N
n N
![Page 15: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/15.jpg)
Symetrické rozvětvení(dělič výkonu)
Asymetrické rozvětvení(oddělovač vidů)
inP
/ 2inP
/ 2inP
/ 2inP
/ 2inP
Spektrálně nezávislá odbočnice 2×2
Odbočnice může pracovat v celém intervalu 1,25 – 1,6 µm; omezení je dáno oblastí jednovidového režimu vlnovodů
![Page 16: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/16.jpg)
Symetrické rozvětvení(dělič výkonu)
Asymetrické rozvětvení(oddělovač vidů)
inP / 2inP
/ 2inP
inP
Spektrálně nezávislá odbočnice 2×2 šíření v opačném směru
Odbočnice může pracovat v celém intervalu 1,25 – 1,6 µm; omezení je dáno oblastí jednovidového režimu vlnovodů
![Page 17: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/17.jpg)
Děliče s mnohovidovou interferencíElementární teorie kovového dvoudeskového vlnovodu
d
Konstanty šíření „šířivých“ vidů:
22 20
0 21 2
,
, , , , .
mm
k nd
k nd ndm M M
n
1m 2 3
L
Zřejmě22
2 20 0
0
112
.mm m
L L k n k nLd k nd
Pokud2 2 2 2
02 2 2
0 0 0 0
2 2 2 2
, , ,m m
k nL m m L m L Lq q celé celé
k nd k nd k nd k nd
2 202 4 ,
k nd ndL Md
liší se mL o sudé násobky zobrazení
Realita: Konečný počet vidů; diel. vlnovod – fázová chyba (neplatí kvadr. závislost),nedokonalé zobrazení
![Page 18: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/18.jpg)
Děliče s mnohovidovou interferencí
Princip: Interference vidů v mnohovidovém planárním vlnovodu (~1978)
1L2L3L4L
dělič 1×2 dělič 1×4
(délka zobrazení)
![Page 19: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/19.jpg)
Vazební člen 2x2 s úpravou pro zmenšení fázové chyby(snížení počtu potřebných vidů) a redukcí ztrát v ohybech
struktura děliče 2×2 včetněvstupních a výstupních vlnovodů
M.T.Hill, J. Lightwave Technol. 21, 2305-2313, 2003
![Page 20: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/20.jpg)
Hvězdicový difrakční vazební člen M×N
„Jalové“ vlnovody pro zlepšení rovnoměrnosti rozdělení výkonu
Umožňuje rovnoměrně navázat záření do velkého počtu(až několika desítek) vlnovodů
![Page 21: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/21.jpg)
Spektrální demultiplexor s fázovanou řadou vlnovodů(„Phasar“, AWG – arrayed waveguide grating demux)
M. K. Smit, 1987; dnes asi nejpopulárnější součástka
Fázovaná řada (několika desítek) vlnovodů
3 41 52, , , , Vstup Výstup
1 24
53
hvězdicovývazební člen
![Page 22: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/22.jpg)
Příklady AWG demultiplexorů - 1
Vlnová délka, nm
Výko
nový
pře
nos
(dB)
TETM
SOI, Institute of Microstructural Sciences, NRC, Ottawa, 2004
![Page 23: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/23.jpg)
Dynamické a nelineární
fotonické vlnovodné prvky
![Page 24: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/24.jpg)
Poruchová metoda výpočtu konstanty šíření„slabě modifikovaného“ vlnovodu
.da z
i a z i K z a zdz
Zjednodušená rovnice „vázaných vln zanedbávající zpětné vlny:
Pro slabou homogenní poruchu (nezávislou na z) přibližně platí
,da z
i a z iK a zdz
neboli ,
da zi K a z
dz
a
0 0exp .a z z i K z a z „Porucha“ tedy (v prvním přiblížení) způsobí změnu konstanty šíření o hodnotu
02 200
4*
,, , , .
, z
S
x yx y x y x y e dxdy
x y
e
![Page 25: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/25.jpg)
Termooptický jev
I
0k NL
fázový posunpři šíření vlny
d n LT
dT n T L T
vlastní teplotnítermooptický roztažnost
jev
Jednoduchý jev – existuje ve všech materiálech při vhodné konstrukci časové konstanty řádu ms až µs!
![Page 26: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/26.jpg)
Elektrooptický jev
1 ;v v r E r E
U
Ti:LiNbO3 vlnovodTypická aplikace: elektrooptický (fázový) modulátor
malá změna permitivity ⇒ teorie vázaných vln
0
0
2
2
( , ) * ( , )
( , ) [ , ] * ( , )
S
v
S
kx y x y dxdy
kx y x y x y dxdy
e e
e r E e
elektrody
změna indexu lomu (tenzoru optické permitivity)vlivem vnějšího elektrického pole
![Page 27: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/27.jpg)
difrakce na (povrchové) akustické vlnějako na dynamické optické difrakční mřížce
10
( . ): ; : , ai te K rp S p S S S
Nekolineární interakce:
dk
ik
K
zk
,aid zákon zachování energie
d i k k K zákon zachování (kvazi)impulsu
Ti:LiNbO3 vlnovod
L
dopadající vlna
prošlá vlna
difraktovaná vlna
interdigitální měničU
"piezoelektricky zpevněný"elastooptický tenzor
1 1: :p p S r E p r e S
v piezoelektrických materiálech
piezoelektrický tenzor
Akustooptický jev
![Page 28: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/28.jpg)
Kolineární interakce
TM
≈ U
Ti:LiNbO3 vlnovod
TE
Polarizační filtra akustický absorbér
22 2 2
2
0
222
2 2
sin ( / ) ,( / )
, , ,
z
z
TM TE
c
k Lk
kx y x y x y dxdy
L
e eε
Účinnost akustooptické interakce
TE K
TM
zk
Akustooptický jev
![Page 29: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/29.jpg)
0 2 4 6 8 100,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
difraktované záření dopadající záření
∆kz = 2
∆kz = 0
Lc = 3
Účin
nost
difr
akce
η
Vazební délka Lc
Účinnost akustooptické interakce
2
2 2 22 2 2
2sin ( / ) ,
( / ) zz
k Lk
![Page 30: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/30.jpg)
Vliv koncentrace volných nosičů nábojena optické vlastnosti polovodičového materiálu
“Volné” elektrony ve vodivostním pásu v homogenním elektrickém poli2
02 0* ,i te
d x dxm qE e
dtdt – fenomenologická konstanta tlumení
Ustálené řešení je 0 02*e
qx E
m i
– amplituda výchylky z rovnovážné
polohyElektrická polarizace:
2
0 02*e
ee
q nP qn x E
m i
en koncentrace elektronů
2 2 2
0 0 222 300 0** *
/ e e e
ee e
q n q n q nP E i
mm i m
V konstantním poli , ,edx dx q
qE v E Edt dt
t.j. – pohyblivost elektronue
2 2 3 2
02 2 2 2 20 08 8* *,e e
e e e
q n q nn k n
nm c nm c
3 210 10 (!), 1 dB/cmn b
pak
2 22n n n n n
![Page 31: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/31.jpg)
Elektroabsorpce a elektrorefrakce v polovodičích
Valenční pás
Vodivostní pás
W
x
gW Zakázaný pás
Pásový energetický diagram polovodiče Pásový energetický diagram polovodičes přiloženým napětím (el. polem)
W
x
gW
Zakázaný pásgW
E
Valenční pás
Vodivostní pás
2 20
2 20
21
2
,d
d
P
P Kramersovy-Kronigovy relace Elektrorefrakční jev
Elektroabsorpční jev změna spektrální závislosti absorpce
„Zesílení“ excitonovými efekty v kvantových jamách;QCSE (Starkův jev v kvantově ohraničených strukturách)
![Page 32: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/32.jpg)
Starkův jev v kvantově ohraničených strukturách (QCSE)
Valenční pás
Vodivostní pás
W
x
W
Pásový energetický diagram polovodičes kvantovou jámou
Pásový energetický diagram polovodičes kvantovou jámou s přiloženým napětím
(el. polem)W
x
W
E
Valenční pás
Vodivostní pás
2 20
2 20
21
2
,d
d
P
PKramersovy-Kronigovy relace
Elektrorefrakční Starkův jev (QCSE)
Elektroabsorpční Starkův jev (QCSE)
Excitonové jevy v kvantových jamách zvýrazňují QCSE (strmější absorpční hrana)
![Page 33: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/33.jpg)
Machův-Zehnderův interferometrický modulátor
0 1 2 3 4 50,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Pou
t /Pin
Pout /Pin
U
U
E
22
12
cos
cos
out in
in
UP P
U
P UU
![Page 34: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/34.jpg)
Modulační rychlost elektrooptických modulátorů I
U0Z
0Z
U
0Z 0ZeC
Ekvivalentní elektrický obvod
Um
01
2 1 2, ,m
m m e eZ C
U U C C Lj
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00,0
0,5
1,0
2|U m
/U|2
ωτ
∆ω = 1/τ
2 2
1 12 1
mUU
0
12
1e
e
B
B LC Z
0
2 pF/cm,
Z 50
3 GHz cm
,
e
e
C
B L
Standardní modulátor s elektrodami „se soustředěnými parametry“
![Page 35: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/35.jpg)
Modulační rychlost elektrooptických modulátorů IIModulátor s elektrodami s postupnou vlnou
vedenís postupnou
vlnou
Elektrody tvoří součástmikrovlnného koplanárního vedení⇒ neuplatní se kapacita elektrod,kritický je rozdíl rychlostí šířeníoptické a modulační elektrické vlny.
Optická vlna:
0 exp /optE E j t Nz c Elektrická modulační „vlna“:
Účinnost modulace elektrodami délky L:
2
2
2mod
sin;
N N Lc
N N Lc
Šířka pásma (pro pokles účinnosti modulace o 4 dB) je
2 2max
( )c
B L LN N
Pro 4 2 2 2. , .N N 10 GHz cm.B L
mod exp /mE E j t N z c
![Page 36: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/36.jpg)
Technické parametry reálných elektrooptických modulátorů
Typická modulační charakteristika
0 1 2 3 4 50.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Pmax
Pou
t /Pin
Pout /Pin
offset Pmin
U0 U
Uπ
„Offset“ v přepínací charakteristiceje důsledkem rozdílu v optickédráze ramen interferometru.Je ho možno kompenzovat napětím.U rychlých modulátorů se protovytváří sada kompenzačních elektrod.
Spínací poměr (extinkce, extinkční poměr) 110 101
max
min
log logP m
EP m
U kvalitních modulátorů 20 dB, 3 dBE IL
Vložný útlum 10 ,
max,
log in fibre
fibre
PIL
P
01 1 12
cos ,out
in
U UPm m
P U
![Page 37: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/37.jpg)
optická vlákna elektrody s postupnou vlnou
integrovaně optický čip
vstup modulačního signálu (7 V, 50 Ω, 40 Gb/s)
Elektroopticky řízený Machův-Zehnderůvinterferometrický modulátor s postupnou vlnou
inP outP
výstup dopřizpůsobenézátěže (50 Ω)
elektrodypro nastavení pracovního bodu
![Page 38: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/38.jpg)
Komerční elektrooptické modulátory
20 GHz
40 GHz
![Page 39: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/39.jpg)
100 GHz LiNbO3 modulátor s ovládacím napětím 5,1 V(NTT, 1998)
![Page 40: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/40.jpg)
Modulátor využívající inverzi domén v LiNbO3
Zjednodušení elektrodové struktury:
Valerio Pruneri et al.,Avanex Corporation, ItalyICFO, SpainICREA, Spain, 2007
![Page 41: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/41.jpg)
Modulátor pro kvadraturní fázovou modulaci (QPSK)
Real axis
Imaginary axis Modulační formát přenášející 2 bity/symbol
Realizace v LiNbO3
![Page 42: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/42.jpg)
Elektrooptické vlnovodné přepínače
Elektroopticky řízenásměrová odbočnice2 nebo více sekcíopačně napájených „Δβ – reversal“Nízké ovládací napětí,komplikovaná spínacícharakteristika,napětím lze korigovattolerance paramertrů
Přepínač s dvouvidovouinterferencí„two-mode interference coupler“
Nízké ovládací napětí,sinusová spínací charakteristika
U
Střední část vlnovodné struktury je dvouvidová.Symetrický vid má ve štěrbině mezi elektrodami maximum, antisymetrický vid minimum ⇒ vidy jsou ovlivňovány různě.Tím dojde k fázovému posuvu mezi nimi ⇒ přepínání.Oba tyto elektrooptické přepínače jsou polarizačně závislé.
U
![Page 43: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/43.jpg)
Polarizačně nezávislý „digitální“ optický přepínač (DOS) v LiNbO3
Symetrické rozvětvenís elektroopticky indukovanou
asymetrií
Přepínací charakteristika
Vlastnosti přepínače DOS:polarizační nezávislost,velmi výhodný (skokovitý) tvarpřepínací charakteristiky;velké ovládací napětí (± 60 V) -3 -2 -1 0 1 2 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
P2TE
P2TM
P1TM
P1TE
Výko
n (re
l.j.)
Ovládací napětí (rel. j.)
X- řez Y-šíření LiNbO3
optická osa P1
P2
0N
0N
![Page 44: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/44.jpg)
Elektrooptický přepínač 16×16 v Ti:LiNbO3 (2×20×5 mm)
Lucent, 2000
„Neblokující“ architektura, 480 DOS přepínačů. U= ± 45 V, IL < 15 dB,τ ≅ 5 ns, kompenzace PMD křemennou λ/2 destičkou (PMD < 1 ps)
![Page 45: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/45.jpg)
„Layout“ optických vlnovodů a elektrodové struktury přepínače
![Page 46: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/46.jpg)
Příprava EO modulátoru využívající technologii LNOI
obrácenýžebrový
vlnovod
![Page 47: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/47.jpg)
Hromadná výroba elektrooptických přepínačů a dalších komponent využívajícítechnologii „Lithium Niobate on Insulator“ (LNOI) a DUV litografii
Optics Express Vol. 28, No. 17, 24452 (2020)
![Page 48: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/48.jpg)
SEM obrázek části modulátoru
Optické spektrum signálu modulovaného frekvení 110 GHz
![Page 49: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/49.jpg)
Vlnovodné optické zesilovače a lasery (EDWA, EDWL)
Er3+:(Yb3+) vlnovod
Čerpání λ ≈ 0,98 µm1,48 µm
Signál λ ≈ 1,55 µm
Antireflexní vrstvy
zesílený signál
Vlnovody z různých materiálů: (fosfátové) sklo, Al2O3, LiNbO3, ...zesílení ≈ 10 dB
Výhody: malé rozměry, možnost současného zesilování signálůna různých „nosných“ vlnových délkáchmožnost integrace s pasivními součástkami na jednom čipu(“zero-dB splitter”)
Nevýhody: malá délka -> vysoká koncentrace dopantů, malé zesílení
![Page 50: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/50.jpg)
Vlnovodný optický zesilovač dopovaný erbiemSubstrátové sklo a iontová výměna: VŠCHT, litografie a charakterizace: ÚFE
![Page 51: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/51.jpg)
Vlnovodný optický zesilovač dopovaný erbiemSubstrátové sklo a iontová výměna: VŠCHT, litografie a charakterizace: ÚFE
1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620
-15
-10
-5
0
5
Net
on-
chip
gai
n [d
B]
Wavelength [nm]
Pump power 0 mW 26 mW 66 mW 132 mW 191 mW 250 mW
Waveguide parameters K+ Ag+
Mode-field dimensions 9.6×12.9 μm 6.1×7.0 μm
Mode-field dimensions @ 980 nm 6.9×10.5 μm 3.2×4.8 μm
Scattering loss @ 1550 nm 0.18 dB/cm 0.85 dB/cm
![Page 52: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/52.jpg)
Vlnovodný zesilovač Al2O3: Er3+ na Si/SiO2 podložce
spirála 1×1 mm2
zisk 2,3 dB na λ = 1,55 µm při čerpání 10 mW na 1,48 µm
M.K. Smit et al. (TUD); Appl. Phys. Lett. 68, 1888 (1996)
![Page 53: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/53.jpg)
optické vlákno
Z0
EO fázový modulátorTi+:Er+:LiNbO3 vlnovod
Čerpání λ = 1,48 µm
0 1 48 m,
100%, 1 55 m
, .
.
R
R
100 1 48 m,
95 1 55 m
% .
% .
R
R
0 sinu U t
Ultrakrátké pulsy (≤ 5 ps), opakovací frekvence ≈ 20 GHz
(Univerzita Paderborn, D, 1997-2000)
Vlnovodný Ti:Er:LiNbO3 laser s integrovanýmelektrooptickým modulátorem pro synchronizací vidů
Výstupní impulsy
λ = 1,55 µm
![Page 54: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/54.jpg)
Polarizačně nezávislý akustoopticky laditelnýzačleňovací/vydělovací demultiplexor v LiNbO3
Princip: kolineární AO TE-TM konverze
TE
TM
λ1TEλ2 TM
λ1TMλ2 TE
Střední vlnová délka λc = 1,55 µm,vzdálenost kanálů < 1 nm, přeladitelnost ∆λ ≈ 70 nm
21,
2
af
af
21,
2
Optický vlnovod Akustický vlnovod
Oddělovačpolarizace
Slučovačpolarizace
![Page 55: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/55.jpg)
Add-drop multiplexer s kaskádním řazením filtrůa kompenzací frekvenčního posuvu
(Univerzita Paderborn 1997-2000)
![Page 56: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/56.jpg)
Kódově transparentní konverze vlnových délekpro optické komunikační systémy
Nelineární optický jev 2. řádu – generování rozdílové frekvence
2 / ; ;c p sK k k k K sc
2 2p s c
,c p s
Probném: vlnovod je na 2p s dvou- až třívidový ⇒ obtížná excitacezákladního vidu.
Řešení: kaskádní aplikace dvou procesů 2( )
λs
λp
λc
17 µmPP LiNbO3
![Page 57: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/57.jpg)
Kódově transparentní konverze vlnových délekpro optické komunikační systémy
Kaskáda dvou nelineárních třívlnových procesů (χ2: χ2) v PPLN
2
2
2 2
2
/ ; ;pp
c s p s sp
K k k K
k k k K k k k
Aplikační možnosti• Konverze vlnové délky• Kompenzace disperze (inverze frekvenční závislosti!)• Optické vzorkování rychlých průběhů
Princip1. generování 2. harmonické2. generování rozdílové frekvence s
pc
2 p
2 ,
( )
c p s
c p s p
λs
λp
λc
17 µmPP LiNbO3
![Page 58: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081323/600f214194d08d2bb93497ad/html5/thumbnails/58.jpg)
Konec části 3