TU/e. Integrazione su InP di Amplificatori Ottici a Semiconduttore e Modulatori di Fase

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1 Integrazione su InP di Amplificatori Ottici a Semiconduttore e Modulatori di Fase Marko Bertogna Relatore: prof. Paolo Bassi Co-Relatore: prof. M.K. Smit Facoltà di Ingegneria, Università di Bologna group, Eindhoven University of Technology Faculty of Electrical Engineering, Delft, The Netherlands Borsa di Studio della Presidenza della Facoltà di Ingegneria 1

2 Obiettivi: Studio, progetto e disegno di dispositivi che uniscano amplificazione e commutazione di un segnale ottico Commutatori WDM senza perdite Laser e MWL compatti e flessibili Basi per OXC e ADM ad elevate prestazioni MWL flessibili nella scelta della potenza da prelevare o nella lunghezza d onda sintonizzabile La compatezza (integrazione) evita le connessioni ingombranti di un approccio ibrido rispetto alla scelta monolitica OXC e ADM vengono usati per interfacciare reti diverse tra di loro affinchè possa avvenire un reciproco scambio di dati e per collegare in modo appropriato un utente alla linea WDM Un OXC viene usato per trasferire flussi di dati da un network ad un altro. Un ADM viene usato per aggiungere o rimuovere una particolare lunghezza d onda da una linea WDM 2

3 Tecnica TDM e WDM Scheme of a Time Division Multiplexing technique Scheme of a Wavelength Division Multiplexing technique 3

4 Guide d onda Componenti utilizzati MultiMode Interference coupler (MMI) PHASed Array (PHASAR) SOA (Semiconductor Optical Amplifier) Modulatori di fase Interferometri Mach-Zehnder (MZI) Strutture passive Il tutto su substrato di InP (composto di semiconduttori del III e V gruppo InGaAsP) Vantaggi: -alto contrasto nell indice di rifrazione, risultante in ridotte dimensioni dei dispositivi meno perdite -buone performances sia nell amplificazione che nella modulazione del segnale -basso consumo di potenza e alta velocità di modulazione per switch elettroottici -Variando le frazioni composizionali degli elementi, è possibile ottenere un composto quaternario Q a bandgap tra 0.92 um e 1.65 um (useremo 1,25 um per passive e 1,55 um per attive) 4

5 Strutture passive Guide d onda: 2 µm 3 µm 2.1 µm InP InGaAsP 0.5 µm 1.5 µm InP InGaAsP Per λ=1.55 µm: n(inp)=3.17 n(q[1,25])= µm n InGaAsP > n InP > n air MMI: InP deep InP shallow Struttura è passiva se non richiede per il suo funzionamento l applicazione di tensioni tramite contatti in metallo. Sezione trasversale di una guida d onda (struttura cilindrica): strato di materiale quaternario inserito tra due layers a indice di rifrazione inferiore. Struttura incisa 100um all interno dello strato guidante o totalmente attraverso esso(shallow o deep) per incrementare il confinamento laterale. Perdite dovute perlopiù a scattering sulle interfacce di separazione (sidewalls) maggiore perdita per deep e maggiore al diminuire della larghezza: un buon compromesso tra monomodalità e perdite è 3um shallow e 2um deep (solo fondamentale e primo ordine, poi filtrato da un MMI), salvo eccezioni (SOA, PHASAR). Vantaggi deep: curve più strette, guide più vicine con meno crosstalk, maggiore tolleranza di fabbricazione. Vantaggi shallow: meno perdite perdite per assorbimento ed efficienza di modulazione elettro-ottica Diversamente da guide d onda, gli MMI si basano su propagazione di un campo multimodale. Modi eccitati dalla discontinuità tra input e MMI. I modi interferiscono tra di loro creando singole o multiple immagini del campo d ingresso in particolari posizioni. Lì vengono collocate le guide d uscita. Ottimo 3 db splitter molto più tollerante di un accoppiatore direzionale. Per incrementare ulteriormente l insensitività a imperferzioni di fabbricazione vengono usati MMI deep etched. Lπ = lunghezza di battimento dei due 5

6 PHASAR: Strutture passive FSR=Free Spectral Range λ=channel spacing Crosstalk dipende da - profondità di etching - array acceptance factor - distanza guide d uscita power (dbm/0.5 nm) wavelength (nm) Nelle FPR non cè contrasto laterale di indice di rifrazione campo diverge per poi venir raccolto da un array di guide. Alla lunghezza d onda centrale tutte le guide d onda dell array hanno una differenza di fase tra loro di un multiplo intero di 2π. Così il campo viene riprodotto alla seconda FPR di modo che poi converga in output. Ma per lunghezze d onda diverse da quella centrale, gli scostamenti di fase sono differenti, e il campo converge in un altro punto, che si sposta sul lato esterno della seconda regione di libera propagazione. Piazzando opportunamente gli output è possibile sfruttare la divisione in frequenza, separando spazialmente i diversi canali WDM. Ogni guida di uscita trasporta, oltra alla sua lunghezza d onda, tutte quelle che differiscono per un multiplo intero del FSR da essa comportamento periodico analogo a quello di un reticolo. Il crosstalk è una misura del livello di potenza parassita che va nell output sbagliato. (i denti del pettine sono leggermente sovrapposti). Il crosstalk dipende da: distanza tra le guide in uscita, etching deep (PHASAR+compatto) o shallow, numero guide d onda nell array (o meglio dall array acceptance factor [2.5-4 (volte la larghezza a 3 db)] che tiene conto di quanto bene venga campionato l impulso gaussiano nelle FPR),... Di solito è <20dB. La perdita d inserzione è attorno ai 3 db. In genere FSR attorno ai 16 nm in su, channel spacing 3,2 nm in su.. ((numero guide interne proporzionale a distanza guide in output e a rapporto FSR/channel spacing e a array acceptance factor)) (il più piccolo al mondo in progettazione i miei hanno lato di 1.5 mm) 6

7 SOA Compensano le perdite dovute a: Propagazione del campo Dispersione Inserzione di dispositivi p+-contact 2µm metal Fenomeni in un SOA: Emissione spontanea Emissione stimolata 120nm p-inp p-inp Q(1.25) n.i.d Q(1.55) n.i.d n-q(1,25) 500nm Assorbimento (SOA non pompato) n-inp Doppia eterogiunzione guidante(profondità regione di ricombinazione di mezzo micron) Efficiente iniezione di portatori ma per evitare problemi di surriscaldamento la resistenza in serie dev essere bassa alto dopaggio eccetto dove il campo è + intenso (altrimenti si accentuerebbe assorbimento) Emissione spontanea: spontanea ricombinazione di coppia elettrone-lacuna con emissione di un fotone Emissione stimolata: ricombinazione stimolata da un fotone a lunghezza d onda pari al bandgap tra elettrone e lacuna all uscita si hanno più fotoni a stessa lunghezza d onda Assorbimento: fotone viene assorbito dissociando una coppia eletrone-lacuna Posizioni del layer attivo fissate sul chip finale per ragioni economiche E di come si realizzano laser e ring laser (qualche equazione) Un MWL viene realizzato creando retroazione ottica attraverso un PHASAR e vari SOA SOA ha larghezza 2um per aumentare la soppressione del primo modo, cosa particolarmente importante in un amplificatore 7

8 Lasers Laser a cavità estesa (Extended Cavity Laser) SR SOA Laser ad anello (Ring Laser) SOA SR MMI Laser a più lunghezze d onda (Multi Wavelength Laser) SOAs λ1 λ2 λ3 λ4 MUX λ1 λ2 λ3 λ4 λ1 λ2 λ3 λ4 MUX λ1 λ2 λ3 λ4 output1 MMI output2 Viene creata retroazione ottica (condizione di risonanza) o con cavità riflettenti o mediante una struttura ad anello Come superfici riflettenti vengono usate le normali faccie di cleaving (taglio trasversale del chip) Per aumentare la soppressione dei modi secondari si possono usare reticoli ai lati.(soppressione fino a meno di 30 db) Come multiplexer si usano i PHASAR. Usati come filtri intracavità che settano la lunghezza d onda di lavoro dei vari SOA. Lo spettro del PHASAR determina lo spettro del MWL comportamento periodico: picco di potenza ogni FSR. Controllando la corrente d iniezione dei vari SOA si decide quali lunghezze d onda si vuole siano presenti in output. Occorre che lo spettro del PHASAR e quello del SOA abbiano una buona sovrapposizione. L ideale sarebbe che tutti i canali operassero nello stesso ordine di un PHASAR si potrebbe usare alto FSR (ma le dimensioni del PHASAR aumentano) 8

9 WDM Mach-Zehnder Interferometer (MZI) space switch Università di Bologna rel.phase: 0 Phase shifting sections ( ϕ = 0) rel.phase: -π/4 From upper input: π/2 From lower input: -π/2 Destructive interference rel.phase: -π /4 rel.phase: π/4 rel.phase: π/4 From upper input: 0 From lower input: 0 Constructive interference 0 Transmission (db) TE TM Reverse bias (V) E di come si potrebbero realizzare commutatori anche con solo amplificatori ma si avrebbero svantaggi (maggiore consumo di potenza, rumore dovuto a emissione spontanea, problemi di surriscaldamento) 9

10 Modulatori di fase ϕ=k nl Dipendenti dal campo elettrico Dipendenti dalla densità di portatori Effetti elettro-ottici: Pockel (lineare) Kerr (quadratico) Riempimento di banda (band filling) Restringimento del gap (bandgap shrinkage) Plasma (transizioni intrabanda) opposti in segno Funzionano creando una regione di svuotamento Trade off tra campo elettrico alto nella depleted region (alto drogaggio) e basse perdite (basso drogaggio evitando il drogaggio p) 10

11 Vantaggi dell integrazione di SOA, MZI e guide passive SOA compensano le perdite dovute a propagazione del campo, divisione del segnale, distribuzione del segnale, e altro, tipiche dei dispositivi basati su switch Inserendo modulatori di fase in una cavità laser è possibile: Decidere dinamicamente la quantità di potenza da prelevare evitando di agire sui SOA Modificare lo spettro di emissione di un laser 11

12 Dispositivi realizzati 12

13 Dispositivi realizzati 13

14 Dispositivi realizzati 14

15 Chip finale 15