Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur....

58
Základy technologie fotonických vlnovodných struktur

Transcript of Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur....

Page 1: Základy technologie fotonických vlnovodných struktur€¦ · fotonických vlnovodných struktur. Některé významnější technologie. Ti:LiNbO. 3, APE LiNbO. 3 (annealed proton

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

„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

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

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

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

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

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

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

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

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

„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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Konec části 3