Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc SIF 2008 jerabek@fel.cvut.cz

1. Ing.Vítězslav Jeřábek, CScSIF 2008jerabek@fel.cvut.cz Optoelektronické součástky pro telekomunikace a jejich integrace

2. Součástky pro telekomunikace - úvod • Systémové rozdělení integrovaných součástek pro fotonické telekomunikace • Integrované fotonické součástky a subsystémy signálové cesty: • Součástky integrované optoelektroniky - optoelektronické prvky pro generaci, ovládání, zesilování a detekci optického záření – optoelektronické generátory, optoelektronické vysílače OEV a přijímače OEP, elektrooptické modulátory EOM a akustooptické modulátory AOM, elektrooptické přepínače EOP, vlnové konvertory, vlnové routery, optické zesilovače , časové MUX/DEMUX a.p. • Součástky integrované optiky - optické prvky pro distribuci a ovládání optického záření - multividové a monovidové optické děliče výkonu, vazební členy, vlnově selektivní MUX/DEMUX, optické izolátory a polarizátory a.p.

3. Součástky pro telekomunikace - úvod • Integrované součástky a subsystémy pro podporu fotonických systémů • Stabilizátory – napájecích napětí, optického výkonu, pracovního bodu, vlnové frekvence, vlnové fáze, vlnové polarizace • Tvarovací a korekční členy – korekční člen pro vysokoimpedanční OEP, tvarovací člen pro elektrooptické modulátory u OEV s vnějším modulátorem

4. Technologie integrované optoelektroniky • Vláknové hybridní integrované obvody: • Tenkovrsvé IO– vrstvy nejčastěji Au, Ag. Cr, NiCr a.p. napařované nebo naprašované na hlazené korundové podložky, skelné podložky, BeO, sklokeramika, kompozitní materiály • Tlustovrstvové IO– Pd,Au, Ag pasty vypálené na hrubozrnný nebo jemnozrnný korund, kompozitní materiály • Planární hybridní integrované obvody : Optické vlnovody jsou realizovány tenkovrstvou technologií Si, SiO2, Si3N4, skla nebo organických materiálů PMMA, SU 8 a.p. na podložce Si, sklo, LiNbO3, LiTaO3 a osazené elektronickými a optoelektronickými polovodičovými součástkami na korundu nebo kompozitu • Monolitické integrované obvody: Optické vlnovody a polovodičové elektronické a optoelektronické součástky jsou realizované stejnými materiály skupiny A3B5 v témže technologickém cyklu na podložkách GaAs, nebo InP

5. Technologie integrované optoelektroniky • Tranzistorové technologie vyžívané pro konstrukci integrovaných OEP a OEV : • MES FET – Schottkyho tranzistory řízené polem • HFET –heterostrukturní tranzistory řízené polem • BJT – bipolrní tranzistor • HBT – heterobipolární trnzistor

6. Technologie integrované optoelektroniky • Použití technologie : • SMD technologie pro prvky pracující v oblasti kmitočtů stovek MHz • Hybridní technologie pro prvky pracující v oblasti kmitočtů jednotek až několika desítek GHz • Monolitická technologie pro jednotky, desítky až stovky GHz • Výhody fyzikálních vlastností polovodičů řady A3B5 jsou : • Vysoká pohyblivost nosičů v polovodičích řady A3B5 • Nízký šum především pokud jde o šum kanálu FE tranzistorů • Vysoká pravděpodobnost zářivých přechodů využívaná v optoelektronických měničích

7. Technologie planární integrované optoelektroniky Typy technologických řešení optoelektronických integrovaných obvodů [ 17 ]

8. Hybridní integrovaná optoelektronika Optická vazba LD na planární optický vlnovod [ 19]

9. Hybridní integrovaná optoelektronika Montáž a optická vazba flip-chip LD na optický planární vlnovod PLC HIO [ 4 ]

10. Hybridní integrovaná optoelektronika Technologie výroby podložky s planárním vlnovodem vysílací části PLC HIO [ 4 ]

11. Hybridní integrovaná optoelektronika SS-LD ( spot-size laser diode) laserová dioda s úhlovým konvertorem [ 16 ]

12. Hybridní integrovaná optoelektronika Technologie osazování čipu SS-LD na planární hybridní IO [ 19 ]

13. Hybridní integrovaná optoelektronika Technologie pájení hybridních optoelektronických IO [ 16 ]

14. Hybridní integrovaná optoelektronika Multivlnový SS - LD vysílač jako hybridní optoelektronický IO [ 16 ]

15. Hybridní integrovaná optoelektronika SS – SOA ( spot-size SOA ) polovodičový planární optický zesilovač [ 16 ]

16. Hybridní integrovaná optoelektronika WG – FD ( Waveguid- fotodetector) vlnovodný fotodetektor pro hybridní planární OE přijímač [ 16 ]

17. Hybridní integrovaná optoelektronika • Montáž a optická vazba flip-chip FD na optický planární vlnovod PLC HIO [ 4 ] • Detail čipu fotodetektoru s rozměry aktivní plochy

18. Hybridní integrovaná optoelektronika Technologie výroby podložky přijímací části PLC HIO [ 4]

19. Hybridní integrovaná optoelektronika Hybridní optoelektronický planární modul pro sítě FTTH - PON

20. Hybridní integrovaná optoelektronika Účastnický obvod pro ONT u sítí FTTH-PON [ 15 ]

21. Hybridní integrovaná optoelektronika Hybridní polymerový optoelektronický planární modul pro sítě FTTH – PON [ 7 ]

22. Hybridní integrovaná optoelektronika Hybridní OE planární BiDi modul pro sítě FTTH – PON [ 15 ]

23. Hybridní integrovaná optoelektronika a) b) a) Zapouzdření FTTx BiDi modulů b) Způsob napojení modulu BiDi na opt. vedení

24. Hybridní integrovaná optoelektronika Využití submodulů při konstrukci PLC HIO modulu pro sítě PON [ 4 ]

25. Hybridní integrovaná optoelektronika • Sestavený obvod PLC HIO pto sítě PON [ 4 ] • Detail zapouzdřené přijímací části PLC HIO • Zapouzdřený účastnický modul pro sítě PON

26. Hybridní integrovaná optoelektronika Naměřené chrakteristiky účastnického obvodu PON [ 4 ]

27. Optické komunikační systémy • Rozdělení podle typu modulace: • Systémy s intenzitní modulací optické nosné a přímou detekcí • Systémy koherentní s heterodynní detekcí optické nosné • Systémy koherentní s homodynní detekcí optické nosné • Rozdělení podle funkce: • Systémy přenosové • Systémy pro přepojování okruhů • Systémy pro přepojování paketů • Rozdělení podle násobnosti využití optických cest: • Optické jednokanálové systémy • Optické vícekanálové ( multiplexní ) přenosové systémy

28. OE vysilač s injekčním modulátorem • Výhody injekčních modulátorů LD : • Obvodová a technologická jednoduchost provedení • Dobrá elektrická linearita modulátorů, která umožňuje realizovat analogové modulátory s vysokým odstupem intermodulačních produktů • Dobré elektrické vysokofrekvenční přizpůsobení na vstupu modulátoru

29. OE vysilače s injekčním modulátorem • Nevýhody injekčních modulátorů LD: • Modulační šířka pásma je závislá na transportních vlastnostech fotonů a elektronů modulátoru LD a je omezena tzv. foton-elektronovou rezonanací • Optické spektrum MV LD a JV LD je rovněž modulováno v závislosti na změnách injekčního proudu, vzniká tzv. chirpping • Poměr signál/šum je zhoršován šumem modulačního tranzistoru

30. Injekční intenzitní modulátory Typy injekčních modulátorů pro OE vysílače

31. Injekční intenzitní modulátory • Typy injekčních modulátorů LD a LED s tranzistorem: • Sériový modulátor • sériové spojení modulačního tranzistoru s OE prvkem • užití pro injekční modulaci LD, SLD a LED • šířky pásma do 1 GHz • Bočníkový modulátor • paralelní spojení modulačního tranzistoru a OE prvku • vhodně kompenzuje horší dynamické parametry LED • využití pro modulaci LED až do 300 MHz • Emitorově vázaný modulátor • sériové spojení OE prvku s dvojicí emitorově vázaných tranzistorů • užití pro injekční modulaci LD • využití v planárních MMIO pro modulace nad 1 GHz

32. Injekční modulace komunikační LD Analogová a digitální modulace LD , princip lit.[ 7 ]

33. Injekční modulace komunikační LD • Dynamické vlastnosti • Numerickým výpočtem z rychlostních rovnic dostáváme časovou odezvu pro velké změny signálu • Linearizací rychlostních rovnic dostáváme odezvu LD na buzení malým signálem dN/ dt = I/ eVa - g . ( N – Ng ) . S - N ( 1/ tns + B . N ) dS/ dt = g . ( N – Ng ) . S - S/ tp + a N ( 1/ tns+ B . N ) kde N je střední koncentrace elektronů, S je střední koncentrace fotonů, I je čerpací proud, g je zisková konstanta, Ng je prahová koncentrace, tns je doba života nezářivě rekombinujících nosičů, tp je doba života fotonů, B je konstanta spontánních bimolekulárních rekombinací, a je konstanta spontánního příspěvku do laserového vidu

34. Injekční modulace komunikační LD • Tabulka fyzikálních konstant: • Linearizací rychlostních rovnic lze odvodit vztah pro • amplitudovou modulační charkteristiku LD Pr( w) = wo2 / [(wo2 – w 2 ) + j b w ] kde wo2= ( Io– Ith )/tsptph I th a b = Io/tsp Ith

35. Injekční modulace komunikační LD NLO pro malé změny a hodnoty základních prvků pro různé pracovní body nad prahem LD :

36. Injekční modulace komunikační LD Závislost amplitudové modulační charakteristiky LD na proudovém buzení lit.[4]

37. Injekční modulace komunikační LD Impulsní časová odezva LD

38. Injekční modulace komunikační LED • Spektrální charakteristiky • ELD – spektrum je generováno spontánní emisí , optická spektrum je spojité a široké 40až 150 nm - pro 850 nm pásmo 40 nm - pro 1550 nm pásmo 150 nm • SLED – (superluminiscenční dioda) používá DH s aktivní vrstvou a technologicky vyblokovanými zrcadly. Generuje rovněž spojité spektrum široké do 20 nm

39. Injekční modulace komunikační LD • Spektrální charakteristiky • LD multividové (gain guided)– rozložení laterárních vidů závisí na podmínkách buzení nad prahem - parazitní frekvenční modulace nebo-li tzv. chirpping - v okolí prahu je multividové, projevuje se efekt superradiace - nad prahem s buzením počet vidů klesá - vysoko nad prahem opět počet vidů narůstá • LD jednovidové (index guided) nebo s optickou mřížkou- je velmi málo závislé na podmínkách buzení nad prahem, v celém rozsahu proudů je jednovidové, vedlejší vidy jsou značně potlačené

40. Injekční modulace komunikační LD a LED Dynamika spekter OE zdrojů záření při modulaci lit. [1] LED,multividová LD ( MV LD ), jednovidová LD (JV LD), jednofrekvenční LD (JF LD)

41. Injekční modulace komunikační LD Injekční modul. s emitorově vázanou dvojicípro 10 Gb/s s Si – BJT 25 GHz technologií [ 2 ]

42. OE vysilač s vnějším modulátorem Princip OE vysílače s vnějším modulátorem

43. OE vysilač s vnějším modulátorem • Výhody OE vysílače: • Modulační šířka pásma není závislá na transportních vlastnostech elektronů a fotonů v LD. Neuplatní se tedy foton-elektronová rezonance • Neuplatní se rovněž parazitní indukčnosti a kapacity LD • Nedochází k parazitní modulaci optického spektra LD tzv. chirppingu

44. OE vysilač s vnějším modulátorem • Nevýhody OE vysílače: • Je třeba kompenzovat nelineární převodní charakteristiku EO modulátoru teplotně kompenzovaným ekvalizačním obvodem • Na EO modulátoru dochází k optickým ztrátám,které je třeba kompenzovat vyšším výkonem LD • Vysoká cena vyplývající ze složitých a teplotně stabilizovaných obvodů OE vysílače

45. OE vysilač s vnějším modulátorem Blokové schéma OE vysílače CM 7130 společnosti DSC lit. [ 9 ]

46. OE vysilač s vnějším modulátorem Zpětnovazební obvod stabilizace pracovního bodu M.-Z. interferometru

47. OE vysilač s vnějším modulátorem a) Vyvážený M.-Z. interferometr b) Nevyvážený M.-Z. interferometr

48. Stabilizace optického výkonu OE vysílače • Typy obvodů pro stabilizaci zářivého výkonu: • Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon • Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon a střední extinkcimodulace • Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon a maximální zářivý výkonmodulace

49. Laserové diody - LD Závislost W – A charakteristiky LD na teplotě lit. [1]

50. Stabilizace optického výkonu OE vysílače Princip zapojení optické zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon