Wykonanie modulatora światłowodowego w technologii

Wykonanie modulatora światłowodowego
w technologii optoelektroniki zintegrowanej
Obudowa mikrofalowa
U-rowek
Światłowód
Klej przewodzący
Podłoże alundowe
Mikrofalowe złącze SMA
Doprowadzenie mikrofalowe
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
1
Określenie założeń technicznych i parametrów pracy
Zadaniem jest wykonanie struktury modulatora umożliwiającej
monolityczną integrację ze źródłami światła i detektorami.
Częstotliwość pracy: 3 GHz w układzie o stałych skupionych,
20GHz w układzie o stałych rozłożonych
Układ przeznaczony do pracy w drugim i trzecim oknie
telekomunikacyjnym (λ = 1300, 1550nm)
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
2
Wybór materiałów i technologii
Materiały:
Podłoże - GaAs
Światłowód - heterostruktura GaAs/AlGaAs
Definiowanie struktur - fotolitografia o rozdzielczości 1 µm
Struktura modulatora - interferometr Macha-Zehndera
Technologia wytwarzania: standardowa chemiczna obróbka układów
mikroelektronicznych (głównie „mokra” chemia).
Obudowa: obudowa mikrofalowa przystosowana do pracy b.w.cz. z
przepustami światłowodowymi
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
3
Parametry materiałowe (1)
Indykatrysa optyczna GaAs
 n11 n12
n
 21 n22
n311 n32
04-maj-04
n13   n1
n23  = n6
n33   n5
n6
n2
n4
n5  no
n4  =  0
n3   0
0
no
0
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
0
0  3,4 0
0  =  0 3,4 0 
0 3,4
n0   0
4
Parametry materiałowe (2)
Tensor współczynników elektrooptycznych GaAs
Klasa symetrii: (układ kubiczny)
 r11 r12
r
 21 r22
r31 r32

r41 r42
r51 r52

r61 r62
04-maj-04
r13   0 0
r23   0 0
r33   0 0
=
r43  r41 0
r53   0 r41
 
r63   0 0
4 3m
0  0
0
0 

0   0
0
0


0  0
0
0 
−12
10
m /V
×
=

0  1.43 0
0 
0   0 1.43 0 
 

r41   0
0 1.43
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
5
Struktury światłowodów paskowych
(a)
(c)
(b)
(d)
a) światłowód paskowy (wyniesiony),
b) wbudowany światłowód paskowy,
04-maj-04
c) światłowód grzbietowy,
d) strip loaded waveguide
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
6
Heterostruktura i podstawowe konfiguracje elektrod (1)
a)
Ti/Au/Au - elektrody
2 um Al
0.032
Ga 0.968 As
1,6 um GaAs
5 um Al
0.032
Ga 0.968 As
światło 1,3 um
podłoże GaAs
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
7
Heterostruktura i podstawowe konfiguracje elektrod (1)
b)
Ti/Au/Au - elektrody
3 um GaAs
4 um Al
0.032
Ga 0.968 As
światło 1,3 um
podłoże GaAs
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
8
Parametry modulatora elektrooptycznego
W
d
elektrody
L
GaAs
AlGaAs
Podłoże GaAs
światłowód paskowy
Zmiana fazy
Napięcie "półfalowe"
04-maj-04
2π L 3
n r41VΓ
λd
d
λ
Vπ =
2 L n 3r41Γ
φ 011 =
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
9
Całka przekrycia jako funkcja d/wy dla modulatora
elektrooptycznego
E|| <100>
E|| <011>
100
Γ [%] 90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
d/w y
Całka przekrycia
d
Γ=
V
∫∫ E
2
el
Eopt dA
Gdzie wy jest połówkową szerokością modu w światłowodzie paskowym
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
10
Szybkość modulatora (MZ)
3.00
12.0
C/L
[pF/cm]
∆f=1/ πRC
Szacowanie:
odległość elektrod d = 10 µm
szerokość elektrody W = 100 µm
daje d/W = 0,1 ⇒ BL ~ 4
prz y długości L = 1 cm B = 4 GHz
BL
[GHz cm]
2.00
8.00
1.00
4.00
0.00
0.01
0.10
1.00
0.00
10.00
d/W
Pojemność na jednostkę długości dla konfiguracji
elektrod paskowych w GaAs jako funkcja
stosunku odległości/szerokości elektrod. Pokazano
także parametr pasmo-długość (BL) dla R=50Ω.
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
11
Układ zastępczy modulatora
serial R
shunt R
Z(f)
GaAs
światłowód
AlGaAs
bufor
GaAs
podłoże
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
12
Projektowanie interferometru M-Z: przykład
x
NS
z
w
~w
α
NF
1
2
z=-LS
3
z=0
4
z=D
NS
~w
NS
Przekrój poprzeczny światłowodu paskowego (a) i widok z góry
symetrycznego złącza typu Y z przejściem ściętym (b). 1 - odcinek prosty, 2 przejście ścięte, 3 - światłowody sprzężone, 4 - światłowody izolowane
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
13
Wybrane parametry złącza Y
Heterostruktura:
Al0.1 Ga0.9 As/GaAs
Długość fali: λ=1.3 µm
Światłowód paskowy:
a=1 µm, t=0.9 µm, w=4 µm
Kąt połówkowy
a =0.5°¸ 1.5°
Długość przejścia ściętego:
LS=0.5 mm
Długość obszaru rozwidlenia
LR=1¸ 2 mm
Odległość pomiędzy
ramionami interferometru:
LD=30¸ 100 µm
04-maj-04
a
w
LS
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
LD
LR
14
Modelowanie propagacji wiązki światła (1)
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
15
Modelowanie propagacji wiązki światła (2)
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
16
Modelowanie propagacji wiązki światła (3)
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
17
Struktura światłowodowego interferometru Macha-Zehndera
4
500
500
1500
7000
8
91.6600 dla struktury nr 4
4
4°
1500
500
500
8
4
500
8
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
18
Maski fotolitograficzne światłowodowego modulatora
Macha-Zehndera
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
19
Fotografie fragmentów struktury modulatora MachaZehndera
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
20
Schemat procesu technologicznego wytwarzania modulatora
elektrooptycznego w heterostrukturze GaAs/AlGaAs
PODŁOŻE
Ð
EPTAKSJA
Ð
FOTOLITOGRAFIA
Ð
TRAWIENIE ŚWIATŁOWDÓW
Ð
FOTOLITOGRAFIA
Ð
METALIZACJA AuGeNi/Au
Ð
WTAPIANIE KONTAKTÓW
Ð
POMIARY OSTRZOWE
Ð
ŁUPANIE NA STRUKTUTRY
Ð
MONTAŻ
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
21
Projekt konstrukcji końcowej
Podłoże
alundowe
Obudowa
mikrofalowa
U-rowek
Klej przewodzący
Element dodatkowy
Światłowód
04-maj-04
Doprowadzenie
mikrofalowe
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
Mikrofalowe
złącze SMA
22
Przepust światłowodowy
1
2
3
4
Uwaga: element 2 polaczyc z elementem 1 przy pomocy kleju
element 3 polaczyc z elementem 2 przy pomocy kleju
1.
2.
3.
4.
04-maj-04
korpus obudowy mikrofalowej
tulejka ustalajaca
koszulka zabezpieczajaca
swiatlowod w scislej tubie
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
23
Linia mikropaskowa
linia zasilająca
linia paskowa
otwory pod
wzmacniacz
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
24
Typowe parametry modulatorów światłowodowych
Parametr
Pasmo
Robocza długość fali
Straty
Straty odbiciowe (ORL)
Maksymalna prowadzona moc optyczna
Wsp. ekstynkcji
Efektywność modulacji fazy
Włókno światłowodowe
Warunki pracy
*
**
Wartość
2,5 (20)
Wybrane okno telekomunikacyjne (1300, 1500)
5
>40
<100
>20
≤1
standard SM lub PM
standard lub “typowe laboratoryjne”
Jednostka
GHz
nm
dB
dB
mW
dB
Rad/V
Interferometr Macha-Zehndera
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
25
Pytania kontrolne
1. Narysować schemat kompletnego modulatora światłowodowego (w
obudowie z doprowadzeniami). Krótko scharakteryzować każdy z elementów.
2. Wymienić parametry pracy modulatora światłowodowego. Podać jednostki i
przybliżone wartości.
3.
04-maj-04
Optoelektronika II, Wytwarzanie modulatora
26