Výzkum vybraných optoelektronických a optických integrovaných struktur pro informatiku

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Výzkum vybraných optoelektronických a optických integrovaných struktur pro informatiku

HABILITAČNÍ PRÁCE

Praha 2012

Ing. Vítězslav Jeřábek, CSc i

ANOTACE Tato práce pojednává o výsledcích výzkumu týkajícího se návrhu, přípravy a měření integrovaných hybridních struktur mikrooptických a planárních optoelektronických a optických integrovaných obvodů vyuţívajících planárních dielektrických a polymerových optických vlnovodů a dalších prvků. Práce se zaměřuje na struktury přenosového typu jako jsou optoelektronické vícevlnné (Wavelength Devided Multiplex - WDM) přijímače a transcievery. Předmětem této práce jsou také výsledky výzkumu nových technologií, určených pro polymerové integrované struktury, a vybraných opticky aktivních polymerových materiálů. Úvodní část habilitační práce je věnována historickému přehledu vývoje integrované optoelektroniky a optiky, vymezení pojmu integrovaného optoelektronického obvodu a současnému stavu výzkumu, včetně rozboru pouţívaných typů materiálů a technologií pro hybridní optoelektronické integrované obvody. Tématem první části práce je vedle přehledu stavu výzkumu v oblasti hybridních optoelektronických integrovaných struktur přenosového typu, také návrh mikrooptického hybridního WDM transceiveru a následně realizace a měření jeho přijímací části, která byla vytvořena jako samostatný hybridní optoelektronický integrovaný obvod WDM přijímače. Obě hybridní integrované součástky byly navrţeny na katedře mikroelektroniky s vyuţitím komponent mikrooptiky a jejich topologie byla patentována. Předmětem práce je také návrh planárního řešení obou výše uvedených obvodů s vyuţitím optických polymeroních vlnovodů a dalších vybraných komponent planární integrované fotoniky. V další, technologické části práce, jsou vedle současného stavu techniky uvedeny nové výsledky ovlivňování indexu lomu polymerních materiálů pomocí elektrického pole při zvýšení teploty a prostorového profilování tenkých polymerních vrstev působením laserového záření, na kterých se autor podílel, a jejich vyuţití pro realizaci struktur integrované optiky a nanooptiky. Tato část zahrnuje také výsledky z oblasti výzkumu opticky aktivních polymerových materiálů pro optické zesilovače. Jsou zde uvedeny výsledky měření transmisních a fotoluminiscenšních spekter těchto materiálů, dotovaných opticky aktivními ionty příměsí. V závěrečné části práce je uvedeno zhodnocení a moţnosti vyuţití výsledků práce. Práce je doplněna seznamem publikovaných prací autora, souvisejících s tématem habilitační práce.

ii

OBSAH 1.

Úvod - historie a současný stav oboru

2.

Cíle práce a pouţité metody

3.

Hybridní integrované optoelektronické struktury přenosového typu

3.1

Současný stav a vývoj problematiky

3.1.1 Technologie hybridních intergovaných struktur přenosového typu 3.1.2 Návrh hybridních integrovaných struktur přenosového typu 3.2

Výsledky vlastních prací autora resp. prací s účastí autora

3.2.1 Mikrooptický hybridní integrovaný WDM transceiver 3.2.1.1 Topologický a technologický návrh přijímací části WDM transceiveru. 3.2.1.2 Realizace a měření přijímací části WDM transceiveru 3.2.1.3 Bistabilní laserová dioda pro vysílací část WDM transceiveru 3.2.1.4 Lineární elektrický model bistabilní laserové diody 3.2.2 Planární hybridní integrovaný WDM transceiver 4.

Vybrané polymerní materiály a struktury integrované optiky

4.1.

Současný stav a vývoj problematiky

4.1.1 Vybrané optické polymerní materiály pro integrovanou optiku 4.1.2 Vybrané opticky aktivní polymerové materiály 4.1.3 Optické polymerní planární struktury integrované optiky pro informatiku 4.2

Výsledky vlastních prací autora resp. prací s účastí autora

4.2.1 Optické polymerní planární struktury na Katedře mikroelektroniky 4.2.2 Technologie ovlivňování indexu lomu a povrchové morfologie struktur z Polymetylmetakrylátu působením teploty a elektrického pole. 4.2.3 Výzkum spektrálních vlastností vybraných polymerových materiálů dotovaných opticky aktivními ionty vzácných zemin, bizmutu a yttria 4.2.4 Návrh a realizace vybraných typů optických polymerních planárních vlnovodů iii

4.2.5 Návrh vybrané polymerní planárních triplexní struktury 4.2.6 Návrh a realizace vybraných typů polymerních planárních Braggovských mříţek a vlnovodných filtrů 5.

Závěry a moţnosti vyuţití výsledků

6.

Seznam prácí autora

7.

Řešné granty a výzkumné záměry

8.

Práce se vztahem k řešené problematice

9.

Přílohy

9.1. Příloha A – Porovnání hodnot Judd-Ofeltových koeficientů t a příčných průřezů abs a emt pro vybrané typy skel, lithiumniobatu a polymeru ENR. 9.2. Příloha B – Odvození vztahů pro výpočet tloušťky vrstev pláště pro optický planární vlnovod. 9.3

Příloha C – Odvození vztahu mezi záznějovou a interferenční vzdáleností pro konstruktivní a restriktivní interferenci.

9.4. Příloha D – Výpočet mříţkových konstant ných mříţek.

a vyzařovacích úhlů

u vlnovod-

9.5. Příloha E – Vlastnosti objemové Braggovské holografické mříţky 9.6. Příloha F – Návrh mikrooptické kolimované zobrazovací soustavy WDM přijímače resp. WDM transceiveru 9.7

Příloha G – Optimalizace šířky pásma mikrovlnného optoelektronického přijímače

9.8. Příloha H – Modelování vlastností bistabilní laserové diody (BLD) na základě řešení rychlostních rovnic

iv

Seznam pouţitých zkratek BLD

bistabilní laserová dioda

CWDM

řídký vlnový multiplex

DH

dvojitá heterostruktura

ENO

elektrický náhradní obvod

ENR

epoxy novolak resin SU8

FP LD

Fabry-Perotova laserová dioda

HIO

hybridní integrovaný obvod

HIOS

hybridní optoelektronický integrovaný obvod

IO

integrovaný obvod

OE

optoelektronický

PD

fotodioda

PIN PD

pin fotodioda

PMMA

polymethylmetakrylát

RIE

reaktivní iontové leptání

LD

laserová dioda

LED

elektroluminiscenční dioda

LNO

lineární náhradní obvod

MMI

multimódová interference

MUX/DEMUX

multiplexně/demultiplexní

NIR

blízké infračervené záření

NNO

nelineární náhradní obvod

SH

jednoduchá heterostruktura

VHG

objemová holografická mříţka

OTDM

optický časově dělený multiplex

OPIO

optické polymerní integrované obvody

POIO

planární optoelektronický integrovaný obvod

VHGT

objemový holografický mříţkový triplexer

VIR

viditelné záření

W-A charakteristika

watt-ampérová charakteristika

WDM

vlnově dělený multiplex

v

1. ÚVOD – HISTORIE A SOUČASNÝ STAV OBORU Nový obor, který se objevil v rozmezí posledních tří desítek let, je obor integrované optoelektroniky. V rámci oboru integrované optoelektroniky vznikají hybridní a monolitické struktury optických, optoelektronických a elektronických součástek integrovaných na jediné podloţce. Špičkové integrované optoelektronické obvody vznikající na předních světových pracovištích integrují jiţ stovky optických a optoelektronických prvků na jedné podloţce a mohou pracovat informační rychlostí stovek gigabitů aţ jednotek terabitů za sekundu [1]. Planární optické a optoelektronické integrované obvody je moţné konstruovat kombinací pasivních komponent integrace, jako jsou optické vlnovody, optické vlnové a výkonové děliče, optické filtry, modulátory a pod. a aktivních komponent jako jsou laserové diody, optické zesilovače, optické přepínače, fotodiody, vlnové a časové multiplexory a pod. na jedné podloţce. Tyto prvky jsou technologicky a topologicky přizpůsobeny pro vyuţití v planárních fotonických integrovaných obvodech. Planární integrace nese s sebou výhody jako je zmenšení rozměrů, zlepšení dynamiky, sníţení ceny a zvýšení spolehlivosti atd. Počátek rozvoje nového oboru integrované optiky lze spojit s datem vydání známé publikace S.E. Millera z Bell laboratories: Integrated Optics – An Introduction v roce 1969 [2], vymezující podmínky vzniku nového oboru integrované optiky a popisující řadu struktur integrované optiky jako je planární optický vlnovod, vlnovodový filtr, elektrooptický planární modulátor a další. V té době výzkumníci z Bell laboratories vedení S.E. Millerem pracovali na výzkumu prvků a struktur pro mikrovlnné telekomunikační aplikace. Hlavní materiály vyuţívané pro konstrukci těchto struktur Si/SiO2, SiO2 dotované Ge nebo P a také organický polymethylmethakrylát (PMMA) [3], kde motivy planární struktury byly vytvořeny UV litografií. Pro modulátory se vyuţívalo polárního LiNbO3 s difusí Ti [4]. V roce 1972 pak byl pořádán první kongres o integrované optice ve Spojených státech v Salt Lake City. První planární optoelektronické integrované obvody (POIO) byly vyrobeny technologií monolitické integrace na materiálech skupiny A 3B5, především GaAs/GaAlAs pro vlnové délky 800 – 850 nm. Jejich vnitřní uspořádání většinou vyuţívalo především integrace v elektrické doméně, tedy struktury postrádaly planární optické integrované prvky. Jedním z prvních byl integrovaný obvod slučujícího laserovou diodu (LD) a Gunnův oscilátor na jedné podloţce, pracující jako modulovaný optoelektronický vysílač v roce 1978 [5]. V dalších letech byly navrţeny a realizovány další monolitické POIO struktury přenosového typu jako optoelektronické vysílače (OE vysílače), nebo optoelektronické přijímače (OE přijímače). Vysílače pouţívaly polovodičové lasery GaAs/GaAlAs s jednoduchou heterostrukturu (SH) nebo dvojitou heterostrukturu (DH), kde čerpací injekční proud byl vymezen vymaskovanou isolační vrstvou, nebo zanořenou heterostrukturu (BH - buried heterostructure) s laterárním vymezením čerpacího proudu závěrně polarizovaným PN přechodem. Heterostrukturní LD byly sloučené na jedné semiizolační GaAs podloţce s MES FE nebo HB tranzistory [6]. U monolitických POIO přijímačů byla fotodioda (FD) z důvodu technologické kompatibility realizována jako PIN fotodioda s JFE tranzistorem nebo MSM FD s MES FE tranzistorem [7]. Byly rovněţ navrţeny a realizovány optoelektronické opakovače, slučující na jedné podloţce POIO vysílače i přijímače [8]. Někdy bylo pro fotodetekci vyuţito kanálu vstupního MES FE tranzistoru [9]. Toto řešení však není výhodné z důvodu nízké responsivity a horších dynamických vlastností, neţ řešení s 1

odděleným fotodetektorem. Jedním z prvních POIO integrujícím větší počet GaAs tranzistorů na jedné podloţce byl obvod obsahující 36 GaAs hradel tvořících multiplexer 4:1 s výkonovým FE tranzistorem jako injekčním modulátorem pro GaAs/GaAlAs LD typu TJS (transversal junction stripe), jako čtyřkanálový digitální gigabitový vysílač [10]. O několik let později pak byly realizovány rovněţ POIO vysílačů a přijímačů pro vlnové pásmo 1,3 aţ 1,55 m realizované monolitickou technologií z kvaternárních materiálů InP/ InGaAsP, vytvořené na semi-isolačním InP [11,12]. Tyto monolitické struktury byly realizovány kapalnou (LPE) nebo molekulovou epitaxí (MBE), výjimečně také plynnou epitaxí (MOCVD). Byly rozpracovány dvě koncepce členění vrstev POIO - vertikální a horizontálního. Výhody vertikálního řešení tkví především v krátkých a tenkých propojovacích vrstvách a z toho plynoucích dobrých dynamických vlastnostech POIO [13]. Horizontální koncepce je technologicky jednodušší a umoţňuje integraci více komponent na jediném substrátu, coţ také vedlo k jejímu většímu rozšíření [14,15]. Vedle monolitických polovodičových POIO se s mírným zpoţděním objevily i první hybridní polovodičové POIO. Tyto struktury slučují komponenty z různých materiálů vyrobené v oddělených technologických cyklech na jedné podloţce. Příkladem můţe být OE vysílač obsahující GaAs/GaAlAs LD realizovanou na semi-isolačním Si substrátu [16]. Hybridní struktury na rozdíl od monolitických umoţňují optimalizovat vlastnosti kaţdé optické, optoelektronické případně optické součástky individuelně před tím, neţ je umístěna do společného integrovaného obvodu. Současně také mohou vyuţít širokého výběru standardních křemíkových integrovaných obvodů pro podporu optoelektronických integrovaných prvků. Na rozdíl od monolitických POIO mají hybridní obvody výhodu v niţší cenové náročnosti technologie výroby, která vyuţívá tenkovrstvých, nebo tlustovrstvých integračních technologií, uţívaných u mikrovlnných elektronických integrovaných obvodů. Optická části POIO byla redukována pouze na optické vlákno s optickým konektorem a mikrooptickou sestavou, zajišťující optickou vazbu mezi optoelektronickým prvkem a optickým vláknem. Tato soustava, obsahující řadu mikromechanických prvků a mikročoček je především u OE vysílačů náročná na teplotní stabilitu montáţe a přesnost osazení optického vlákna, která můţe dosahovat aţ jednotek mikrometrů [17,18]. Předním pracovištěm při návrhu a realizaci POIO přenosového typu byl v ČR Výzkumný ústav pro sdělovací techniku (Tesla VÚST), kde vznikly v rámci řešení státních úkolů první hybridní POIO typu optoelektronický vysílač a přijímač pro mikrovlnné pásmo modulačních kmitočtů, pod vedením autora této habilitační práce. POIO byly navrhovány profesionálními návrhovými programy SIC a SPACE pro návrh elektrických integrovaných obvodů. Pro tyto programy pak byly vytvořeny elektrické náhradní modely optoelektronických a elektronických součástek z produkce Tesla VÚST. POIO byly realizovány jako mikrovlnné tlustovrstvové hybridní integrované obvody (HIO), kde substrátem byl hrubozrnný nebo hlazený korund a motivy byly vytvořeny buď Ag pastou na Cr-Ni vrstvu nanesenou sítotiskem, která se pak vypalovala při teplotách 200 aţ 800° C, a nebo napařením Ag nebo Au vrstvy na vymaskovaný motiv. Optoelektronické a elektronické součástky pracovaly ve vlnovém pásmu 800 aţ 850 nm a byly z produkce Tesla VÚST. Šlo kupříkladu o DH laserové diody GaAs/GaAlAs, MSM fotodetektory a MES FE tranzistory na GaAs. Byly odzkoušeny i některé komponenty z SVŠT Bratislava (PIN fotodetektory 1,3 m), Ústavu radiotechniky a elektroniky (ÚRE) bývalé ČSAV (LD pro pásmo 1,3 m) a také v rámci zahraničních kooperací s INT Berlín, ZWT Varšava (Si PIN FD a 2

lavinové FD pro pásmo 850 nm) nebo z výzkumného centra v Zelenogradu u Moskvy (GaAs logické obvody). Výsledky byly shrnuty ve výzkumných zprávách Tesla VÚST [A49] aţ [A53] a byly také publikovány v odborných časopisech [A54] aţ [A57] a na odborných konferencích [A59] aţ [A68]. Tyto HIO OE vysílače a OE přijímače pak byly dodáváný do výzkumných pracovišť a center (ÚFE ČAV, Zelenograd u Moskvy a.p.) a byly mimo jiné vyuţity v telekomunikačním přenosovém systému TOM (televizní optický multiplex), který byl realizován a nasazen firmou Dattel a.s. na optické metropolitní síti MetroNet v Praze. Tento systém ještě v současné době pracuje v rámci zajištění přenosu vícekanálového FM televizního signálu mezi úřadem vlády a sněmovnou ČR a dalšími pracovišti státní správy [A57]. Současný výzkum v oboru integrované optoelektroniky se zabývá jak POIO pro informatiku, tak strukturami pracujícími v oboru robotiky, senzoriky, lékařství a v dalších oborech. V oblasti informatiky a telekomunikací výzkum a vývoj POIO zahrnuje struktury přenosového a přepojovacího typu pracující ve WDM (wavelength devided multiplex) nebo OTDM (optical time divided multiplex) informačních systémech, které přenáší sdruţená data mezi uzly informační sítě a nebo zajišťují směrování a přepojování dat (optický processing) v uzlech informačních sítí. Rychlost nárůstu přenosové kapacity optických informačních systémů WDM a DWDM osazených strukturami s POIO dokumentuje graf na obr. 1.1. Z grafu vyplývá, ţe současné DWDM integrované polovodičové optoelektronické vysílače a přijímače realizované monolitickými technologiemi na InP jsou schopné přenášet data celkovou sdruţenou informační rychlostí 100 Gb/s aţ 1,6 Tb/s. POIO vyuţívají intenzitních elektroabsorpčních modulátorů, nebo fázových modulátorů s MachZehenderovými interferometry. Tyto POIO sdruţují 10 aţ 40 DWDM vysílačů a přijímačů s bitovou rychlostí 10 aţ 40Gb/s na jednom POIO [19]. Vedle těchto monolitických POIO byly vyvinuty také hybridní OE vysílače, pracující bitovou rychlostí aţ 100 Gb/s, které vyuţívají Si CMOS modulátory integrované s InP OE vysílači [20].

Obr. 1.1 Vývoj informační kapacity optoelektronických IO na InP [21] Ve stádiu laboratorního výzkumu a prvních praktických ověřovacích zkoušek jsou integrované struktury pro vysokorychlostní systémy pracující s časovým 3

multiplexováním OTDM. Tyto systémy pouţívají optické přepínání, vyuţívající POIO s optickými interferometry a umoţňují tedy zpracovávat pouze optickou informaci bez přídavné konverze do elektrické domény. POIO jsou vyuţívány jak v multiplexních systémech s optickou intenzitní modulací, tak v optických systémech homodynních nebo heterodynních [21]. Chronologický přehled vývoje významných WDM struktur POIO v období let 1969 aţ 2007 ukazuje obr. 1.2.

Obr. 1.2 Přehled časového vývoje významných WDM struktur POIO pro informatiku v letech 1969 aţ 2007 [22]. Z obrázku 1.2 lze odvodit tyto závěry: - v počátcích rozvoje oboru integrované optoelektroniky se topologie POIO omezovala na hybridní nebo monolitickou intergraci elektrických a optoelektronických prvků na jedné podloţce. Vývoj těchto obvodů realizovaných hybridní technologií integrace probíhal i v Tesla VÚST v rámci řešení státních rozvojových programů. - kvalitativně nové optoelektronické prvky, které rozvinuly funkčnost POIO, byly vytvořeny koncem osmdesátých a počátkem devadesátých letech, kde Braggova optická mříţka byla integrována přímo do aktivní vrstvy laserové struktury, coţ vedlo k významnému zůţení spektrální čáry generovaného záření. Zavedením záření absorbující oblasti přímo do aktivní vrstvy LD, bylo moţno porušit stabilitu vyzařování LD a realizovat kvantový generátor velmi úzkých optických impulsů na principu Q spínání, nebo v malé míře přelaďovat vlnovou délku záření LD. - V druhé polovině devadesátých let byla aplikována v POIO fázová optická mříţka AWG (arrayed waveguide grating). Tento prvek vzhledem ke své velké spektrální selektivitě byl vyuţitelný pro vlnové multiplexní systémy WDM a to nejen WDM vysílače a přijímače, ale i struktury přepojovací, jako jsou optické časové multiplexory OADM (optical add-drop multiplexer) a optické multiportové přepínače OXC (optical cross-conect).

4

Stupeň integrace POIO se neustále zvyšuje od jednotlivých optoelektronických a elektronických prvků po současné DWDM OE vysílače a přijímače, které obsahují jiţ stovky prvků a desítky subsystémů. Stále je však výrazně niţší neţ u elektronických integrovaných obvodů. Literatura [1] uvádí, ţe rozdíl v hustotě integrace je 107, viz obr. 1.3.

Obr. 1.3 Porovnání CMOS integrované elektroniky a optoelektroniky [1]. Důvody tohoto opoţdění postupu integrace planárních optických a optoelektronických obvodů vůči elektronickým integrovaným obvodům jsou: -

Aktivní prvky integrované optoelektroniky jsou zaloţeny na heterostrukturních strukturách ze směsných binárních, ternárních a kvaternárních polovodičů skupiny A3B5, které mají náročnější technologii výroby. Rozměry optoelektronických obvodů jsou určovány limity vedení záření dané rozměry optických vlnovodů. (V dnešní době v oblasti nanofotoniky jiţ narušené nanofotonickými dráty) Optoelektronické IO vyţadují pro svoji funkci mnohem širší spektrum návrhově a technologicky komplikovaných optických a optoelektronických prvků. Aplikace vyţadují vedle vysokého stupně integrace také nízkou cenu, coţ při náročnosti technologií optoelektronických IO je problematické.

Významným krokem v technologii planárních optických a optoelektronických integrovaných obvodů je postupné zavádění polymerních materiálů. Tato myšlenka není nová, neboť jiţ v Bellových laboratořích v dobách vzniku oboru integrované optiky byly tyto materiály pouţívány [3]. Po určité přestávce se pak od začátku devadesátých let opět objevily nejdříve polymerní vlnovody [23], [24], [28] a následně i optické integrované obvody s interferenčními filtry a optickými mříţkami [26] a aktivní polymerní přepínací struktury typu OADM (optical add-drop multiplexor) [25]. Po několika letech se objevují i optoelektronické hybridní integrované obvody, které slučují planární optické integrované struktury realizované z různých polymerních materiálů s polovodičovými optoelektronickými prvky [27]. 5

Optoelektronické prvky realizované z polymerních materiálů zatím jejich masovější nasazení v informatice nedosahují především pokud jde o dynamické vlastnosti a dlouhodobou stabilitu jejich parametrů. Polymerní materiály mají mnoho výhod oproti materiálům dielektrickým a nebo polovodičovým. Jde především o jednodušší nanášení vrstev, u fotorezistivních materiálů také jednodušší litografický proces při realizaci optických integrovaných obvodů, vyšší odolnost vůči mechanickému namáhání, niţší cenu a pod. Základním cílem této práce je poskytnout souhrnné podklady i podrobnější poznatky o stavu výzkumu POIO na Katedře mikroelektroniky na FEL ČVUT v Praze, metodách návrhu, realizace a vlastnostech těchto struktur. Tyto vlastnosti jsou ověřeny měřením OE přijímací části vybraného POIO - WDM transceiveru. V další části práce se zabýváme uplatněním polymerů pří návrhu optické části WDM transceiveru, jako polymerního planárního optického integrovaného obvodu. Tato část práce je věnována návrhu, simulacím a měřením vybraných polymerových planárních struktur integrované optiky, které lze vyuţít při konstrukci optické části WDM transceiveru, jako jsou planární vlnovody, nový typ triplexního členu a vlnovodné filtry, vyuţívající Braggovských mříţek, realizovaných novou technologií vyvinutou na VŠCHT. V druhé technologické části práce uvádíme nové poznatky při ovlivňování indexu lomu a prostorového tvarování vybraných polymerů elektrickým polem, teplotou a soustředěným laserovým svazkem, které vedeou na moţnosti realizace optických nanovlnovodů a nanomříţek. Tyto práce byly realizovány v úzké spolupráci s Ústavem inţenýrství pevných látek VŠCHT. Třetí část práce se věnuje výzkumu v oblasti optické aktivity vybraných polymerních materiálů, dotovaných vzácnými zeminami (Er, Yb, Dy, Ce), dále Bi, Y a studiem absorpčních a fotoluminiscenčních spekter těchto materiálů.

6

2. CÍLE PRÁCE A POUŢITÉ METODY Jak vyplývá z úvodu kap. 1 má výzkum optických a optoelektronických integrovaných obvodů pro informatiku poměrně dlouhou historii a neustále se rozvíjí. Rovněţ je zřejmé, ţe pokud jde o polovodičové a dielektrické optické a optoelektronické integrované struktury, které jsou realizovány monolitickými, nebo hybridními technologiemi, byl výzkum jiţ přiveden do stádia aplikací. Výzkum integrovaných optoelektronických obvodů je úzce svázán s rozvojem optických integrovaných obvodů. Oblast, která v současné době přitahuje velkou pozornost, je vyuţití polymerních materiálů pro realizaci optických integrovaných obvodů. Zde se ukazuje moţnost vyuţití těchto polymerních optických integrovaných struktur pro hybridní optoelektronické integrované obvody. Výzkumné práce realizované v minulách letech na Katedře mikroelektroniky v oblasti optických a optoelektronických integrovaných obvodů se soustřeďovaly na návrh technologie, topologie, realizaci a měření planárních dielektrických vlnovodů a vlnovodů s dotací opticky aktivními ionty vzácných zemin pro optické zesilovače. Výzkum pod vedením Doc. Schröfela byl orientován především na technologie zhotovení kanálkových difuzních vlnovodů na specielních sklech výměnnou iontů Na+ za ionty Ag+, Li+ a K+, dále vlnovodů na bázi LiNbO3 s difuzí Ti, nebo protonovou výměnnou, využitím různých organických sloučenin. Dále se výzkum zaměřoval také na aktivní dotace výše uvedených dielektrických materiálů ionty vzácných zemin, hlavně Er3+ a Yb3+ [111]. Navazující výzkumné práce jsou zaměřeny do oblasti návrhu topologie, technologie a přípravy polymerových optických vlnovodů a komponent integrované optiky. V rámci těchto prací jsou rozpracovány metody navrhu a realizace vlnovodných, větvených a mřížkových polymerních struktur integrované optiky. Na těchto pracích úzce spolupracujeme s VŠCHT kolektivem doc. Hüttela z Ústavu inženýrství pevných látek. Současně je rozvíjen nový směr výzkumu vybraných mikrooptických a planárních hybridních optoelektronických integrovaných obvodů, kde předpokládáme vyuţití prvků integrované polymerové optiky. Práce sleduje tyto obecné cíle: 1) Zhodnotit dosavadní výsledky výzkumu a vývoje vybraných materiálů a struktur v oblasti integrované optoelektroniky a optiky realizované skupinou optoelektroniky na Katedře mikroelektroniky FEL ČVUT v Praze a na spolupracujícím pracovišti z Ústavu inţenýrství pevných látek z VŠCHT. 2) Provést topologický a technologický návrh nového optoelektronického hybridního integrovaného obvodu přenosového typu - WDM transceiveru, s objemovým MUX/DEMUX mikrooptickým prvkem pro oblast vlnových délek druhého a třetího pásma 1300 aţ 1550 nm informačních systémů. Návrh ověřit postupnou realizací OE přijímací a následně OE vysílací části, měřením přenosových, dynamických a šumových charakteristik. Zhodnotit moţnosti náhrady mikrooptického MUX/DEMUX prvku planárním obvodem integrované optiky. 3) Prezentovat výsledky prací v oblasti topologického a technologického návrhu, přípravy a měření vlastností součástek integrované optiky vyuţívajících optických polymerových vlnovodů a optických vlnovodných Braggovských

7

filtrů, na polymethylmethakrylátu (PMMA), polymethylmethacrylimidu (PMMI) a epoxy novolak resinu SU-8 (ENR). 4) Představit nové fyzikální metody elektrického a tepelného tvarování polymerů elektrickým polem a laserovým svazkem, směřující k realizaci nanovlnovodů a Braggovských nanomříţek, které vznikly ve spolupráci s VŠCHT. 5) Prezentovat výsledky prací v oblasti měření absorpčních a fotoluminiscenčních spekter aktivních optických polymerových materiálů PMMA a ENR, dotovaných opticky aktivními ionty vybraných vzácných zemin (Er3+, Er3+/Yb3+, Dy3+, Ce3+) a také yttria (Y) a bizmutu (Bi), s ohledem na vyuţití těchto materiálů pro optické vlnovodové zesilovače v pásmu vlnových délek 1300 aţ 1550 nm. 6) Predikovat další moţnosti pokračování výzkumu struktur hybridní integrované optoelektroniky a integrované optiky na katedře mikroelektroniky a moţnosti spolupráce s dalšími pracovišti. Pro naplnění záměrů a dosaţení cílů byla pouţita řada postupů a činností. Za nejdůleţitější lze povaţovat: 1) Transformace výsledků teoretické analýzy a simulací uvaţovaných typů pasivních a aktivních optických a optoelektronických integrovaných struktur do formy vhodné pro návrh a určení topologických a technologických parametrů POIO. 2) Návrh a spolupráce při přípravě vhodných součástek, materiálů a technologie pro realizaci nových optických a optoelektronických integrovaných struktur. 3) Návrh nebo adaptace vybraných měřících a diagnostických metod pro stanovení základních parametrů a charakteristik těchto struktur. 4) Analýza měřených optických a elektrických parametrů a charakteristik pro optimalizaci vlastností realizovaných POIO a technologických postupů.

8

3. HYBRIDNÍ INTEGROVANÉ OPTOELEKTRONICKÉ OBVODY PŘENOSOVÉHO TYPU Výzkumné práce v oboru integrované optoelektroniky byly vedeny snahou výzkumného kolektivu navázat a rozvinout práce z oboru integrované optiky, které historicky i v současné době skupina optoelektroniky řešila a řeší. Jde o výzkum planárních pasivních i aktivních optických vlnovodů a integrovaných struktur, a to jak na dielektrických, tak na polymerních materiálech. Výše uvedené planární optické integrované struktury lze pak vyuţít v hybridních integrovaných optoelektronických obvodech. Tento výzkum byl podporován finančními prostředky z udělených grantů [G2], [G3] a rovněţ finančními prostředky z výzkumného záměru [G1], na kterých skupina optoelektroniky pracovala pod vedením autora. Vyuţití hybridní technologie integrace optických a optoelektronických součástek přináší značné technické i ekonomické výhody. Na jednom integrovaném obvodu lze kombinovat součástky, vzniklé v různých technologických cyklech, coţ přináší značné zjednodušení návrhu technologického postupu realizace těchto struktůr. Při realizaci integrovaného obvodu se pak orientujeme na hotové součástky od špičkových světových výrobců. Tím je moţné se vyhnout vyuţití tzv. těţkých technologií monolitické integrace jako například epitaxi molekulovým svazkem (MBE), plynou epitaxi z organikovu (MOCVD), kapalnou epitaxi (LPE) a podobně, ale topologii optického nebo elektrického obvodu lze deponovat na základní substrátové destičce při vyuţití tzv. lehkých technologií, jako jsou různé fyzikální a chemické techniky napařování, naprašování nebo CVD s následným vyuţitím různých leptacích postupů, jako je reaktivní iontové leptání (RIE), laserová ablace a.p. 3.1 Současný stav a vývoj problematiky 3.1.1 Technologie hybridních intergovaných struktur přenosového typu Hybridní optoelektronické integrované struktury přenosového typu (HOIS) byly zkoumány jiţ od počátků budování oboru integrované optoelektroniky ve světě a v ČR. Jejich vývoj je spojen s pokroky v technice integrace, s vývojem nových součástek pro integraci a také nových metod návrhu HOIS viz kap. 3.1.2. Klasické metody přípravy HOIS vyuţívají integraci pouze elektrických a optoelektronických částí v rámci tenkovrstvé, tlustovrstvé nebo SMD (surface mounted devices) technologie [29]. Tato způsob přípravy je pouţíván také v elektrických mikrovlnných integrovaných obvodech, a upraven pro poţadavky optoelektronických a optických součástek. Polovodičové součástky jsou umístěny do miniaturních pouzder pro plošnou montáţ, nebo polopouzder, která při osazování obvodu umoţňují minimalizovat propojovací parazitní indukčnosti a kapacity součástky. U HOIS pro vysoké kmitočty jsou součástky osazovány přímo v čipové formě do HOIS. Tyto technologie jsou vyuţívány od stovek megahertzů aţ do jednotek gigahertzů [30]. Základní optoelekronické prvky HOIS přenosového typu, jako jsou polovodičové PIN nebo lavinové fotodiody (PD), polovodičové laserové diody (LD) nebo polovodičová komunikační elektroluminiscenční diody (LED), které nejsou technologicky přizpůsobeny pro planární montáţ, jsou montovány do polopouzder tak, aby jejich 9

opticky aktivní plochy umoţňovaly navázání čelní vazbou (end-butt coupling) na optické monomódové nebo multimódové křemenné vlákno nebo fasetu planárního optického vlnovodu. Pro optimalizaci vazby je v tomto případě polopouzdro s optoelektronickým prvkem nutno osadit do dráţky tak, aby došlo ke srovnání optických os planárního vlnovodu a optoelektronické součástky. Optoelektronické prvky jsou realizovány monolitickými technologiemi na polovodičích řady A 3B5, na křemíku nebo germaniu a technologicky optimalizovány pro příslušné 1. aţ 3. vlnové pásmo informačních systémů v rozsahu vlnových délek 800 aţ 1550 nm. Pro vytvoření elektrické části HIOS je u tlustovrstvových hybridních integrovaných obvodů vyuţíván sítotisk s následným vypékáním Au nebo Ag pasty teplotami 300 aţ 800 oC. Stejným způsobem při zajištění soutisku jsou vytvořeny odpory, rovněţ z pastami odpory z kovových materiálů Cr, Ti, NiCr a.p. U tenkovrstvových hybridních integrovaných obvodů jsou motivy realizovany napařováním, nebo naprašování Au, Ag přes masku. Výsledkem je pak elektrická propojovací síť, která se osadí optoelektronickými a elektrickými součástkami, pokud nejsou součástí vlastního motivu, jako tištěné odpory a kondenzátory. Substrátovou destičkou bývá hrubozrnný, nebo hlazený korund, křemík, nebo při zvláštních poţadavcích na odvod tepla z obvodu beriliová keramika. Pro méně náročné aplikace se pouţívá v hybridních integrovaných obvodech technologie povrchové montáţe (SMD), kde subtrátem je plátovaná deska nízkoztrátového kompozitu vyrobená z pryskyřice s plnivem, kterým můţe být kupř. korund. Plátovací kov je nejčastěji Cu, které se následně pro zvýšení vodivosti a povrchové stálosti pokryje několika mikronovou vrstvičkou Au nebo Ag. Montáţ čipů optoelektronických a elektronických součástek je provedena letováním, nebo lepením na korundovém, keramickém nebo Cu nosníčku pokoveném několika mikronovou vrstvičkou Au. Fixace je zajištěna letováním kadmiovými nebo indiovými nízkotavnými pájkami a nebo jedno aţ dvousloţkovými epitelovými lepidly. Jednosloţkové epoteky je nutné pro zatuhnutí fixovaného místa vypéci teplotou 120 aţ 150°C. Dvousloţkové epoteky je moţné pouze vysušit při niţších teplotách 60 aţ 80°C a tím lze tepelný šok fixovaného čipu při vypékání sníţit, coţ je vhodné především pro LD. Optická část HIOS je redukována na optické vlákno s optickým konektorem, osazené metalickými (kovarovými) trubičkami a průchodkami, které je lepeno nebo letováno na nosníček před optoelektronickým prvkem s mikrooptickou zobrazovací soustavou (vláknový tiper, sférická čočka, válcová čočka a.p.), která přizpůsobuje numerickou apertůru optoelektronické součástky a vlákna tak, aby vazební účinnost byla co nejvyšší. Pro tento účel se v LD vysílačích vyuţívají kónické úpravy konců vláken broušením a tavením ve svářečce, nebo fixace specielních cylindrických čoček se sférickým nebo kuţelovým zakončením a konstantním nebo gradientním profilem indexu lomu [31]. Další vývojový stupeň z hlediska poţadavků na vysoce funkční, spolehlivé a cenově přijatelné HIOS lze spatřovat v multičipových planárních obvodech, u kterých je integrace realizována jak v optické, tak optoelektronické a elektrické části obvodu. Optická část je navázána na část optoelektronickou buď čelně (end-butt coupling) mikroopticky prostřednictvím čoček, prostřednictvím optických klínů (taperů) nebo optických mříţek. Tyto optické klíny mohou být i součástí optoelektronické součástky. Optická část HIOS můţe tvořit mikrooptický integrovaný obvod, nebo planární optické integrované dielektrické struktury (Si/SiO2, Si/Si3N4, Si/Al2O3), optická skla, LiNbO3, kde optické prvky jsou ralizovány různými fyzikálními nebo 10

chemickými depozičními metodami jako je vakuové napařování a naprašování, výměna iontů a implantace iontů, na druhé straně různé metody chemické depozice a také polymerové materiály (ENR, PMMA, PMMI a.p.) nanášené spin-countingem s UV litografií. HIOS lze vyrobit na podloţkách z celé řady anorganických materiálů. Jako podloţka se velmi často pouţívá Si substrát [32] nebo semiisolační GaAs nebo InP [33]. Na těchto podloţkách se pak jednostupňovým nebo dvoustupňovým pájením či s pouţitím epoteků fixují aktivní polovodičové optoelektronické součástky. Při tomto způsobu se pouţívá řízeného jedno nebo dvoustupňového předehřátí podloţky s přímým přiloţením čipu pomocí vakuové pinzety na vymaskovaný motiv [34]. Čipy jsou montovány buď kontktovacími plochami nahoru (wire bonding) nebo dolů k podloţce (flip-chip bonding). Při prvním způsobu se čip propojuje s planárním motivem drátkovým kontaktováním. Jeho výhodou je velká optická vazební účinnost při realizaci optické vazby z optického vlnovodu přímo na čelní fasetu optoelektronické součástky. Nevýhodou pak delší propojovací vodiče a tím omezení modulační šířky pásma, v závislosti na dynamické impedanci součástky. V případě LD jejíţ absolutní hodnota dynamické impedance je s výjimkou blízkého okolí fotonelektronové rezonance, viz kapitola 3.2.1.4 velmi nízká (< 1 lze tohoto způsobu vyuţít. Druhý způsob se pouţívá při montáţi čipů SI-PD (surfaceilluminating photodiode) s jednostraně umístěnými vývody, nebo u vlnovodných fotodiod WG-PD (waveguid photodiode) na planární optickou strukturu [36],[44]. Pouţívá kontaktovacích kuliček (solder bump) [42] a čip se montuje kontaktními ploškami dolů. Tento způsob minimalizuje vazebních indukčnost a tím zlepšuje dynamickou charakteristiku HOIS. Pokud pouţijeme čelní PD při montáţi flip-chip je třeba směr záření otočit o 90° kupříkladu napařeným Au zrcadélkem umístěným pod PD v úhlu 45° [38]. Prvního způsobu montáţe lze pouţít pro HOIS pracující na kmitočtech do 10 GHz, pro větší šířky pásma je nutno u PD pouţít druhého flip-chip způsobu, tak aby se minimalizoval vliv parazitních indukčností kontaktovacích drátků na frekvenční charakteristiku, který je u PD s vysokým dynamickým odporem značný. Kontaktování drátku pak probíhá klasickou termokompresí na tenkovrstvý motiv, nebo u metody flip-chip [35] tedy aktivní plochou dolů se místo kontaktovacího drátku uţívá kontaktovacích kuliček, (solder-bump nebo stud-bump), kdy se čip přímo termokompresí fixuje na předem připravené kontaktovací body vytvořené z Au drátku na podloţce při teplotě 300 °C. Klasické OE součástky se vkládají do HIOS na nosníčku tak, aby aktivní plochy byly orientovány paralelně s fasetou optického vlnovodu, metoda end-butt coupling [48]. Z teoretických závěrů, které vypracoval Hunsperger vyplývá, ţe vazbu je třeba realizovat s osovou přesností <1 m, aby vazební účinnost u standardních navazovaných součástek byla nad 50% [37]. Specielní optoelektronické součástky SS-LD (spot - size laser diode), SS-SOA (spot - size semiconductor optical amplifier) jsou vybaveny pasivním optickým klínovým vazebním členem, který je součástí čipu optoelektronické součástky a slouţí pro zavedení záření do optického vlnovodu [22]. Tyto součástky se umisťují na Si substrát se specielně vybroušenou ploškou, která je výškově profilovaná STS (Silica-on-terraced-silicon). Profilování zajišťuje sesazení optických os aktivní oblasti čipu LD a navazující fasety optického vlnovodu [32]. Toto profilování podloţky musí být provedeno s přesností pod 1 m vzhledem k rozměrům aktivní oblasti LD a jádra optického vlnovodu. K přesnému osazení čipu LD slouţí soustava sesazovacích značek, které jsou jak na čipu, tak na podloţce.

11

U multičipových HOIS je osazování provedeno dvoustupňovou metodou pájení, kdy na substrátovou destičku, předehřátou na 100 °C, jsou vakuovou pinzetou osazeny čipy do natavené pájecí pasty AuSn a po osazení všech čipů je celý obvod krátce zahříván na tavící teplotu pájky a rychle ochlazen. Tato metoda umoţňuje zabránit opakovanému ohřívání různých míst obvodu spojené s moţným přepalováním pájky a translací čipů vlivem značné tepelné vodivosti substrátu. Optické záření, vedené optickými vlnovody, je pak filtrováno, modulováno a směrováno prvky integrované optiky, jako jsou optické filtry, optické mříţkové routery nebo optické přepínače a mikrorezonátory [32]. Někdy se konec vlnovodu opatřuje 45° zkosením realizovaným iontovým selektivním leptáním RIE, laserovou ablací, nebo přímo litograficky vyuţitím pryskyřice s kontrolovanou smáčivostí [36]. Sloţitější struktury jsou realizovány přímým spojováním více destiček, kde jsou jednotlivé prvky struktury jako kupř. holografické objemové optické mříţky s kolimační soustavou [A10] nebo soustavy filtrů TFF (thinfilm filter) [45] dodatečně spojovány, nebo zapouštěny a fixovány optickou pryskyřicí do specielně upravených příčných dráţek [35]. Integrační technologie nové generace rozvíjejí integraci planárních prvků v rovině na několik vrstev nad sebou a tím v podstatě 2D HIOS transformují na 3D HIOS. Výhody tohoto řešení jsou především ve zmenšení výsledné struktury, ve zkrácení propojovacích cest a tím zlepšení dynamických prarmetrů HIOS. Jako příllad lze uvést replikační technologii, kde tímto způsobem realizován HIOS typu MOEMS (microoptoelectromechanical system) mikrooptických přepínačů, vyuţívajících elektrooptický respektive termooptický jev [49]. V nedávné době se objevily v zahraničních pramenech planární optické i optoelektronické struktury zaloţené na akrylátových polymerech, jako jsou polymetametakrylát (PMMA), deuterovaný ethylen-glykoldimetakrylát (pro vlnovou délku 1300 nm) nebo pentafluorofenylmetakrylát (pro vlnovou délku 1550 nm) a další [39], [41]. Srovnatelné vlastnosti s halogenidovými akryláty pokud jde o optický útlum v infračerveném pásmu mají rovněţ některé typy epoxy polymerů, jako kupř. ENR SU-8 [40]. Tento polymer se navíc chová jako rezist, tak ţe jej lze exponovat ultrafialovým zářením, a proto jsou velmi vhodné pro HIOS. Jejich velmi nízká drsnost, malá křehkost, polarizační nezávislost a nízká cena jsou vlastnosti vhodné pro hromadnou výrobu, jakou u HIOS v budoucnosti očekáváme. Optické polymery jsou všestranně vyuţitelné materiály, které mohou být snadno tvarovány jako planární jednovidové a mnohavidové fotonické vlnovodné struktury s rozměry od jednotek do stovek mikrometrů. Mohou to být termoplasty, termosety nebo fotopolymery, které jsou před deposicí buď ve formě roztoků polymerů, oligomerů nebo tekutých monomerů. Optické ztráty polymerů mohou být minimalizovány, typicky halogenizací, na významně malé hodnoty 0,01 dB/cm pro 840 nm a 0,1 dB/cm pro 1550 nm. Optické vlnovody lze z polymerů vytvářet fotolitograficky, reaktivním iontovým leptáním, laserovou ablací, broušením a nebo mikromechanickým raţením. Více o polymerových materiálech pro součástky integrované optiky viz. kap. 4.1.

12

3.1.2 Návrh hybridních integrovaných struktur přenosového typu Za základní integrované hybridní optoelektronické multivlnové struktury přenosového typu jsou v této práci povaţovány WDM vysílače, WDM přijímače a jejich kombinaceWDM transceiver, dále obecně označované jako subsystémy. Tyto subsystémy se obecně skládají z části optické, optoelektronické a elektronické. Jednotlivé části pak vykazují různé typy integrace. Optická část, můţe být provedena buď s vyuţitím mikrooptických prvků, a nebo je realizována prvky planární integrované optiky. Tato část je pak opticky navázána na integrovanou optoelektronickou a elektronickou sekci, jejíţ technologické provedení jsme jiţ popisovali v kap. 3.1.1. Všechny tyto sekce bývají umístěny na společné, nejčastěji Si, korundové nebo kompozitní podloţce. U nejednodušších jednovlnných subsystémů tvoří optickou sekci pouze vláknový optický vlnovod s jednoduchou mikrooptickou soustavou, jejíţ koeficient vazby musí být optimalizován, vzhledem k numerické apertuře navázaných optických a optoelektronických prvků. Autorem takových subsystémů, které vyuţívaly HIOS typu OE přijímač a OE vysílač realizované tlustovrstvou hybridní technologií byl autor viz. starší výzkumné zprávy [A.49] aţ [A.53]. Tyto hybridní optoelektronické moduly byly autorem pouţity pro optoelektronický vysílač a přijímač systému TOM (televizní optický multiplex), který přenáší ve vysoké kvalitě pět FM modulovaných kanálů pro TV signály. Tento systém stále pracuje mezi sněmovnou ČR a úřadem vlády a na dalších trasách optické sítě MetroNet, provozované společností GTS Novera a.s. U vícevlnných systémů tvoří optickou část optický multiplexně/demultiplexní (MUX/DEMUX) element nebo soustava elementů, dle toho zda jde o subsystém přijímací, vysílací nebo obousměrný. Optické část musí prostorově rozdělit optický WDM svazek přecházející z nadřazeného uzlu sítě (kupř. PON-FTTx) vlnového multiplexu na jednotlivé vlnové délky s minimálním vloţným optickým útlumem v příchozím, příp. odchozím směru (desetiny aţ jednotky dB) a s maximálním útlumem přeslechu mezi jednotlivými vlnovými kanály (větší neţ 10 dB). Pro účely sítí PON-FTTH se obvykle pracuje se dvěma, nebo třemi vlnovými délkami 1 = 1310 nm, 2 = 1490 nm, 3 = 1550 nm. Vlnový distribuční optický prvek pak bývá nazýván diplexer, nebo triplexer. Mikrooptická část bývá navrţena jako transmisně/reflexní soustava tenkovrstvých filtrů TFF [68], které nasměrují jednotlivé vlnové délky na sadu fotodiod nebo fotodetektorové pole a oddělí směr vysílacích vlnových délek od směru vlnových délek přijímacích. Nevýhodou tohoto řešení jsou relativně velké vloţné optické ztráty, které rostou s počtem vlnových délek a značné rozměry obvodu. Mikrooptické řešení navrţené autorem vyuţívá pro optickou demultiplexaci jediný mikrooptický objemový element - objemovou dvousystémovou transmisní holografickou mříţku VHGT (volume holographic grating triplexer) braggovského typu od firmy ONDAX. Návrh, realizace a měření přijímacího WDM mikrooptického systému bude uvedeno v kapitole 3.2.2. V mikrooptickém řešení HIOS se optický svazek šíří volným prostorem a z toho vyplývá značná citlivost těchto struktur na mechanické, fyzikální i chemické vlivy. Logickým pokračováním výzkumu tedy je převod mikrooptické části WDM transceiveru na řešení planární. V případě jednovidového (SM) řešení optické části 13

můţe být planární optický integrovaný obvod tvořen soustavou sériově zapojených planárních optických odbočovačů s tenkovrstvými filtry TFF [36]. Toto řešení má výhodu v tom, ţe optoelektronické části systému optoelektronické vysílače (OE vysílače) a optoelektronické přijímače (OE přijímače) jsou relativně separovány, tak ţe nedochází k vzájemnému elektrickému ovlivňování mikrovlnným rušením a přeslechy. Optická integrovaná část však vychází poměrně rozměrná. Další řešení vyuţívá soustavu směrových odbočnic DC (direkt couplers) [35], která pro demultiplexaci DWDM (density wavelength devided multiplex) bývá doplněna také fázovou optickou mříţkou (array waveguide grating – AWG) [69]. Toto řešení je výhodné z hlediska počtu demultiplexovaných vlnových délek, které mohou tvořit i hustý vlnový multiplex DWDM ( < 0,4 nm). Směrová rozbočnice se pak vyuţije pro připojení vlnových délek, vysílaných v odchozím směru. Nevýhodou tohoto řešení je technologická náročnost AWG prvku a jeho větší vloţný útlum. V nedávné době bylo publikováno řešení, realizované na polymeru Siloxan, pouţívající dvoustupňovou inrferenční rozbočnice CSS-MMI (cascaded step-index multimode interference) [70], kde v prvním stupni interferenční rozbočnice se připojuje záření OE vysílače do odchozího směru a ve druhém stupni je rozdělen příchozí směr na záření dvou vlnových délek pro OE přijímače. Vzhledem k malým hodnotám indexu lomu Siloxanu vycházejí rozměry vstupních a výstupních vlnovodů v přijatelných hodnotách 4x4 m. Vloţné ztráty jednotlivých řešení lze srovnat v tab. 3.1. Tab. 3.1 Vloţný optický útlum optických MUX/ DEMUX členů v závislosti na typu prvku pro vlnové délky λ1 = 1490 nm , λ 2 = 1550 nm a λ 3 = 1310 nm. MUX/DEMUX prvek

VHGT

TFF

CSS-MMI

AWG+DC

Vložný útlum [dB]

0,3 – 1,35

0,9

0,15-1,52

0,15 - 5

Přeslechy [dB]

12,4 - 18,2

18 - 22

15 - 18,5

35 - 45

Nové jednovidové řešení navrţené autorem vyuţívá kombinace jednostupňového planárního interferenčního filtru se směrovou vazební odbočnicí [A29], viz. kapitola 4.1.2. Dále je rozpracováno také multividové (MM) řešení optické části WDM transceiveru, které je tvořeno optickým výkonovým děličem s vlnovodnými filtry s Braggovskou difrakční mříţkou, viz kapitola 4.1.3. Optická část mikroopticky řešeného WDM transceiveru je pak navázána dekolimační mikročočkou na vláknový MM optický vlnovod standardního typu a přes kolimační zobrazovací systém na optoelektronické a elektronické části WDM transceiveru. Ty tvoří soustava OE přijímačů a OE vysílač, obsahující optoelektronické prvky PIN PD a Fabry-Perot LD, viz kapitola 3.1.1. Následuje elektrická část se zesilovači [46], modulátory [47] a další podpůrnou elektronikou [48]. Návrh topologie a technologie HIOS přenosového typu vyuţívá programové balíky různých typů. Jelikoţ HIOS obsahují optické, optoelektronické a elektronické integrované části, je přehled simulačních návrhových programů značně široký. Simulací jsou ověřovány topologie optických integrovaných obvodových částí, a také 14

elektrická zapojení optoelektronických a elektronických částí HIOS. V našem případě jde o návrh integrované optické části s optickými prvky, které provádí multiplexaci a demultiplexaci optického svazku, integrované optoelektronické prvky, které obsahují optoelektronické měniče a integrované elektronické prvky - modulátory, zesilovače a další podpůrnou elektroniku. Optoelektronické obvodové prvky při simulacích většinou nahrazujeme jejich elektrickými obvodovými modely, viz, kapitola 3.2.1.2, 3.2.1.4 a celek s elektrickou částí dohromady řešíme jako elektrický obvod. Pro topologický a technologický návrh optických integrovaných částí jsou v současné době k dispozici zejména programové balíky od firem RSoft nebo Optiwave. Z programových balíků R Soft měl autor k dispozici program Beam Prpogation (BMP) vyuţívající skalární diferenční metodu, vycházející z diferenčního řešení parciální diferenciální Helmholtzovy rovnice metodou konečných prostorových přírůstků. Tento balík se hodí převáţně pro modelování rozloţení jednosměrně se šířícího optického pole s pomalými změnami v ose šíření. Dále program FULL Wave (FW), který vychází z diferenčního řešení úplného souboru Maxwelových rovnic metodou konečných prostorových i časových diferencí a proto můţe řešit i přechodové časově omezené děje. Program Gratig MODE od RSoft pro modelování transmisních optických mříţek, které vychází z řešení rovnice rezonance fázových vektorů šířící se optické vlny a mříţkového vektoru. K návrhu optoelektronické a elektronické části, kde optoelektronické komponenty jsou nahrazeny elektrickými náhradními obvody lze pro stejnosměrný reţim a pro malé změny harmonických signálů vyuţít linearizovaných modelů a celek řešit je programy pro návrh mikroelektronických obvodů jako AutoCad, Orcad, Coventor. Pro mikrovlnné integrované obvody, kde je třeba pracovat i s modely s rozprostřenými parametry, jako je elektrické vedení, je výhodné pouţít programy Scopus nebo WinMIDE. který byl pouţit v našem případě. Tento program řeší optoelektronické a elektronické náhradní obvody jako soustavy rovnic, formulovaných v rozptylových S parametrech. Umoţňuje počítat jak přenosové, tak impedanční frekvenční charakteristiky a dokáţe také provádět jejich optimalizaci dle zadaných kritérií. Pro modelování optoelektronických součástek jsou vyuţívány lineární a nelineární elektrické obvodové modely, které jsou odvozeny z bilančních rovnic pro volné elektrické nosiče vodivostního resp. valenčního pásu polovodičů. Tyto rovnice jsou v literatuře označovány jako rychlostní rovnice [50], protoţe vyjadřují rychlosti změn koncentrací elektrických nosičů ve vodivostním, respektive valenčním pásu. Jde o soustavy obyčejných nelineárních diferenciálních rovnic. Z těchto rovnic pak lze odvodit elektrické nelineární náhradní obvody optoelektronických součástek (NNO) [51]. Jejich linearizací v okolí určitého pracovního bodu a zavedením Fourierovy transformace pak lze odvodit lineární náhradní elektrické modely s konstantními koeficienty (LNO) optoelektronických součástek jako multividových, jednovidových a jednofrekvenčních LD [52], komunikačních LED, PD a.p. a to alespoň pro omezené okolí pracovního bodu. Rychlostní rovnice lze vyuţít i pro modelování optoelektronických prvků při velkých změnách obvodových veličin [51]. Pak jde o řešení soustav obyčejných nelineárních diferenciálních rovnic, které se provádí v programech MAPLE nebo MATLAB. Lineárními i nelineárními elektrickými obvodovými modely optoelektronických součástek se autor zabýval [A15,A16]. Tyto elektrické obvodové modely lze vyuţít i pro modelování specielních optoelektronických součástek, vykazujících nelineární optické jevy jako pulsace případně bistabilní vlastnosti u laserových dioda (BLD). Příčinou těchto jevů jsou optické nehomogenity v aktivní vrstě nebo na zrcadlech, vlivem kterých dochází 15

v optickém rezonátoru k porušení stability vyzařování LD a ke Q spínání v aktivní vrstvě optického rezonátoru. Takto upravená LD dioda pak můţe pracovat jako generátor úzkých optických impulsů, tvarovač optického signálu nebo optický paměťový člen, při vyuţití hystereze watt-ampérové charakteristiky (WA charakteristiky) LD [56]. Modelováním vyuţívajícím elektrických lineárních modelů optoelektronických součástek v HIOS se autor zabýval a budou uvedeny v kapitole 3.2.1.4. Podrobným rozborem fyzikálních podmínek vzniku bistability u LD se autor zabýval v příloze H.

3.2 Výsledky vlastních prací autora resp. prací s účastí autora. 3.2.1 Mikrooptický hybridní integrovaný WDM transceiver Předmětem této kapitoly je především ukázat výsledky výzkumu v oblasti návrhu, topologie a technologie nového hybridního mikrooptického subsystému - WDM transceiveru, realizovaného na Katedře mikroelektroniky. Tento výzkum byl proveden za podpory prostředků z výzkumného záměru ČVUT FEL [G1] a grantu GAČR [G2]. Subsystém vyuţívá ve své optické části triplexní mikrooptický multiplexně/ demultiplexní prvek - objemovou braggovskou dvousystémovou optickou mříţku (VHGT-volume holographic grating triplexer), která byla realizována periodickou změnou indexu lomu, ve dvou vůči sobě pootočených rovinách dvěma interferujícími optickými laserovými svazky ve skle BK7 od firmy ONDAX. Subsystém pracuje s dvousměrnou kolimovanou zobrazovací soustavou, která opticky váţe MM vlákno a soustavu OE přijímačů a také OE vysílač. Kolimace optických svazků je nutná pro dosaţení konstruktivní interference a z toho vyplývající vysoké difrakční účinnosti mříţky, viz kapitola 3.2.1.2. Tato nová koncepce WDM je kryta patentem skupiny optoelektroniky pod vedením autora [A7]. Přijímací část WDM transceiveru byla realizována jako integrovaný uţitný vzor [A8]. Perspektivní vyuţití WDM transceiveru je v optoelektronických účastnických set-top-boxech pro sítě PON-FTTx. Provedení přijímací části WDM transceiveru bylo realizováno v mikrooptické hybridní formě a výsledky návrhu a měření byly publikovány zejména v pracích [A1] aţ [A6]. V této kapitole je proveden rozbor optických vlastností VHGT Braggova filtru získaných na základě výpočtů a měření. Dále byl proveden návrh a měření mikrooptické zobrazovací soustavy a optimálního propojení MM optického vlákna a optoelektronických PIN fotodiod (PIN PD). Dále byla provedena optimalizace dynamické odezvy z hlediska PIN PD a integrovaných obvodů (IO) OE přijímačů. Realizace přijímací řásti WDM transceiveru a základní měření přenosových modulačních a šumových charakteristik. V naší výzkumné činnosti byly provedeny příprávné práce a dílčí kroky pro návrh OE vysílače. Byla ověřena konstrukce OE vysílače jako součást systému pro přenos informace volným prostorem v diplomové práci [A13]. Dále byl proveden elektrický a topologický návrh obvodu optické stabilizační smyčky, regulující střední optický výkon OE vysílače [A14]. Pro optimalizaci dynamické modulační odezvy byl sestaven LNO laserové diody OE vysílače. Tento LNO byl rozšířen na elektrický model nového optoelektronického prvku, jakým je bistabilní laserová dioda (BLD), jejímţ vyuţitím se autor rovněţ zabýval [A15], [A16].

16

3.2.1.1 Topologický a technologický návrh přijímací části WDM transceiveru. Základem topologického řešení optické části mikrooptického hybridního WDM transceiveru resp. jeho přijímací části (WDM přijímače) [A9] je volba mikrooptického MUX/DEMUX prvku, který určuje řešní mikrooptické části tj. mikročočkového kolimačního systému a určuje rozmístění jednotlivých koncových mikromodulů OE přijímačů a OE vysílače. Pro VHGT Braggův filtr vychází kruhová topologie rozmístění těchto mikromodulů. Základní výhody transmisní VHGT můţeme shrnout do dvou bodů: A) Vysoká difrakční účinnost transmisní VHGT Braggova filtru, která povede k nízkým optickým vloţným ztrátám a z toho vyplývajícímu nízkému vloţnému útlumu. B) Velký difrakční úhel, který můţe významně zmenšit podélné rozměry WDM transceiveru. Další vlastnosti VHGT Braggova filtru a výpočty klíčových parametrů jsou diskutovány v příloze E. Ze závěrů, uvedených v této příloze vyplývá, ţe transmisní objemové mříţky jsou vhodnější jako optický demultiplexní prvek v porovnání s mříţkami reflexními pro svoji vyšší difrakční účinnost při vhodně zvolených parametrech mříţky. Jde především o poměr kosinu úhlu dopadu na indexové rozhraní uvnitř Braggovy mříţky cos n, indexové modulace mříţky n a tloušťky mříţky d vzhledem k Braggovské vlnové délce B. Vyuţívaný VHGT Braggův filtr je dvousystémová objemová transmisní mříţka, kde periodická změna indexu lomu je vytvořena holograficky jak jiţ bylo zmíněno ve dvou rovinách pootočených o definovaný úhel θdiff/2 symetricky od její optické osy. Materiál mříţky je borito-draselné sklo BK7, s antireflexními povlaky na aktivních plochách, které potlačují Fresnelovy reflexní ztráty [53]. Výrobce udává rovněţ závislost indexu lomu skla na vlnové délce, coţ umoţňuje přesný výpočet všech optických charakteristik zobrazovacího mikrosystému s VHGT Braggovým filtrem. Základní vypočítané a měřené topologické a optické parametry zobrazovací kolimační mikrooptické soustavy, difrakčního prvku VHGT jsou převzaty z doktorské práce [54], kterou autor vedl a byly publikovány v časopisech i na konferencích, viz kapitola 3.2.1.2. Mikrooptický zobrazovací systém provádí rozměrovou transformaci optického vzoru a obrazu mezi MMF vláknem a aktivními plochami PD a LD, a také rozšíření průměru optického svazku na hodnotu, zajišťující účinnou difrakci na VHGT. Je tvořen zobrazovací kolimační soustavou [A9], jejíţ návrh uvádí příloha F. Mikrooptická soustava je tvořena dvěma kolimačními cylindrickými mikročočkami a optickou mříţkou VHGT, přes kterou prochází optický kolimovaný svazek. VHGT obsahuje dva systémy Braggovských mříţek s indexovým promodulováním n = 0,033 procenta, pro vlnové délky 1490 a 1550 nm, navzájem pootočenými o úhel + 9° resp. - 9° vůči optické ose. Topologie mikrooptického systému WDM transceiveru je určena především vlastnostmi optického MUX/DEMUX triplexního prvku, který provádí prostorovou separaci jednotlivých optických vlnových délek. Srovnání vlastností různých řešení 17

tohoto prvku, jak mikrooptických, tak planárních bylo provedeno v kapitole 3.2.1. Toto srovnání ukazuje, ţe mikrooptický VHGT prvek má srovnatelné parametry vloţného útlumu a přeslechů, v porovnání s jinými mikrooptickými, nebo planárními triplexními prvky a vlivem velkého difrakčního úhlu můţe efektivně přispět ke zmenšení rozměrů návrhu. Optický svazek postupuje, viz obr. 3.1, v příchozím směru z multividového vlákna MMF pod prostorovým úhlem daným numerickou aperturou do válcové kolimační mikročočky. Po kolimaci prochází DEMUX VHGT prvkem, a po difrakci je na dekolimační čočce zaostřen na aktivní plochu PIN PD ze které je elektrický fotoproud veden na vstup impedančně přizpůsobeného mikrovlnného IO zesilovače. FFD jsou ohniska kolimačních čoček, D(0) je průměr optického svazku. Bylo odměřeno, ţe průměr optického svazku musí být minimálně 150 m pro dosaţení plné difrakční účinnosti VHGT mříţky.

Obr. 3.1 Mikrooptický kolimovaný zobrazovací systém WDM přijímače [A10]. Optický distribuční systém WDM transceiveru vyuţívá jeden MUX/DEMUX VHGT Braggův filtr se soustavou OE přijímačů a OE vysílačem s kruhovou topologií, viz obr. 3.2. Rozdělení celého systému na mikromoduly slouţí k optimálnímu nastavení optické zobrazovací soustavy mezi optickým mikromodulem a mikromoduly optoelektronickými na mikromanipulátoru, kde nastavování jednoho mikromodulu neovlivňuje mikromoduly ostatní. Citlivost soustavy na osové nastavení kolimačních čoček co se týče divergence kolimovaného svazku a jeho průměru je v desetinách milimetru a výsledky měření jsou uvedeny stejně jako měření difrakčních, přenosových, dynamických a šumových charakteristik přijímací části v kapitole 3.2.1.2.

18

Obr 3.2. Mikrooptický WDM transceiver s VHGT [A3]. K datu odevzdání práce byla realizována přijímací část WDM transceiveru, která můţe být vyuţívána i samostatně jeko WDM přijímač pro vlnové délky 1490 nm a 1550 nm. Celý topologický systém WDM přijímače viz obr 3.3 je rozdělen na tři části, které tvoří optický mikromodul a mikromoduly OE přijímačů. Konstrukční provedení WDM přijímače je na obr. 3.4. Mikromoduly jsou lepeny na pozlacenou kovarovou destičku pouzdra s vývody DIL 2x12 vývodů. Protoţe jde o laboratorní vzorek, nebyla prozatím řešena hermetizace s průchodkami pro optické vlákno.

Obr. 3.3 Topologické schema WDM přijímače. V další fázi prací předpokládáme sjednocení konstrukce optoelektronické části WDM přijímače resp. WDM transceiveru na jednu destičku se samostatným nastavováním pouze dvou PIN fotodiod (PIN PD) a dekolimačních čoček. Na této destičce mohou být rovněţ umístěny, některé další podpůrné elektrické obvody, jako obvody optické zpětnovazební smyčky pro LD OE vysílače a pod.

19

Obr. 3.4 Konstrukční provedení přijímací části WDM transceiveru s VHGT pro vlnové délky 1490 nm a 1550 nm. Optický mikromodul tvoří na korundový substrát s fixovaným konecm MM optického vlákna s optickým konektorem FC/PC, kolimační čočkou a VHGT Braggovým filtrem. Konec vlákna je zalepen v soustavě kovových trubiček pro dokonalé uchycení vlákna na mikromodulu. Přijímací a vysílací mikromoduly jsou realizovány alternativně planární tenkovrstvou hybridní technologií na korundovém substrátu v případě nízkoimpedančního řešení OE přijímačů a SMD technologií na nízkoztrátovém kompozitním substrátu Rodgers v případě transimpedančních OE přijímačů. Na mikromodulech OE přijímačů jsou osazeny dekolimační čočky, kde dochází k redukci průměru optických svazků ze 160 m na 40 m, který odpovídá rozměrům aktivní plochy InGaAs PIN PD od firmy Judson. PIN PD jsou od výrobce dodány v polopouzdrech na korundovém nosníčku, vhodném pro vsazení do mikrovlnných HIOS. Z tohoto nosníčku jsou PIN fotodiody propojeny elektricky krátkým páskovým vedením a IO zesilovače. OE přijímače jsou alternativně navrţeny tak, aby šířka pásma odpovídala 2,5 resp. 1,25 GHz. Šířka pásma je nastavena induktivní kompenzaci. Zkrácený výpočet této kompenzující vazby modulační charakteristiky OE přijímače [A11, A12] je uveden v dodatku G. 3.2.1.2 Realizace a měření přijímací části WDM transceiveru Na katedře mikroelektroniky byl realizován mikrooptický laboratorní vzorek HIOS WDM přijímače pro vlnové délky 1490 nm a 1550 nm. Výpočty, simulace i měření prokázaly dobrou schodu, jak je uvedeno v této kapitole a vyuţitelnost uvedeného laboratorního vzorku WDM přijímače s VHGT optickou mříţkou pro aplikace v oblasti informatiky. Výsledky výpočtů a měření na jednotlivých mikromodulech pak byly vedle publikací kupř. [A1], [A9], [A10], [A11], shrnuty také v doktorské disertační práci [54], jejímţ byl autor vedoucím. Veškeré výpočty, na které je poukazováno v této práci jsou provedeny v dodatku E a F. V rámci měření optické části byly ověřeny technické parametry difrakčního VHGT Braggovského filtru. VHGT má vysokou optickou spektrální selektivitu a její parametry, jako difrakční vlnová délka, Braggova mříţková perioda, index lomu jsou teplotně velmi stabilní - 0,01 nm/ oC. 20

Pro Braggovu vlnovou délku a difrakční úhel platí elementární vztah (3.1), který je odvozen v dodatku E,

B

2 sin

dif

2

(3.1)

kde je Braggova vlnová délka, je mříţková perioda and dif je difrakční úhel. Základním měřenými parametremy pro konstrukci optického mikromodulu byly difrakční úhly θdiff = 18.4o pro λ1 = 1490 nm a θdiff = 19.1o pro λ 2 = 1550 nm, které určily základní geometrii rozloţení optického mikromodulu a mikromodulů OE přijímačů. Velikost Braggovy konstanty byla určena výpočtem ze vztahu (3.1) 4,660 m a 4,671 m pro vlnové délky 1490 a 1550 nm. Pro měření byl pouţit měřič optického prostorového rozloţení pole Beam Profiler BP 104IR od firmy Thor Lab. Optické měřící pracoviště s desetiosovým mikromanipulátorem, piesoovladači posuvů, sadou laserových vláknových zdrojů záření a hlavou pro měření prostorového rozloţení pole je na obr. 3.4. Mikromanipulátor je vybaven osmi lineárními a dvěma rotačními posuvy s přesností nastavení do 1 m.

Obr. 3.4 Měřící pracoviště s mikromanipulátorem a s hlavou pro měření optického prostorového rozloţení pole Beam Profiler BP 104IR. Dále byl měřením určen podíl optického difraktovaného výkonu P1λ k celkovému výkonu vstupního záření PIN a z něj tzv. difrakční účinnost B respektive vloţné ztráty AF v dB a podíl optického výkonu záření difraktovaného do paritního směru P2λ k celkovému vstupnímu optickému výkonu tzv. optický kanálový přeslech Aλ, viz tab. 3.2, 3.3. Hodnoty měření klíčových parametrů difrakčních účinností VHGT pro vlnové délky λ1 = 1490 nm a λ 2 = 1550 nm byly ověřeny výpočtem dle vztahu (3.2). V dodatku E je vedle odvození vztahů (3.1) a (3.2) a výpočtu difrakční účinnosti také uvedeno porovnání objemových transmisních mříţek s mříţkami reflexními a výpočet tzv. Kloinova parametru Q pro mnohonásobnou difrakci u objemových optických mříţek.

21

Podle toto parametru lze rozhodnout o typu difrakce mezi Braggovskou a RamannNathovou B

sin 2 (

nD ) B cos n

(3.2)

kde n je Braggův úhel uvnitř systému objemové mříţky, n je velikost modulace indexu lomu, D je tloušťka mříţky a B je Braggova vlnová délka. Tab. 3.2 Měřené hodnoty difrakční účinnosti VHGT

268.7

[%] 73,21%

AF [dB] 1.35

659

75,0%

1.24

λ [nm]

PIN [μW]

P1λ [μW]

1550

367

1490

879

B

Tab. 3.3 Měřené hodnoty optických kanálových přeslechů VHGT λ [nm]

PIN [μW]

P1λ [μW]

P2λ [µW]

1550

360

268.7

151490

Aλ [dB] 12.44

1490

360

659

41550

18.29

Vedle měření charakteristik VHGT Braggovského filtru byly počítány a měřeny i parametry zobrazovací mikrooptické soustavy obr. 3.1. Optimální nastavení vzdáleností okraje vrchlíku kolimační čočky vzhledem k fasetě MM optického vlákna a okraje vrchlíku dekolimační čočky vzhledem k nasvícení aktivní plochy PD bylo 2,4 mm, kdyţ poloha ohniska čočky určená měřením byla FFD = 2,6 mm. Hodnoty vzdáleností jednotlivých prvků zobrazovací soustavy nastavené měřením jsou vţdy o 150 aţ 200 m menší, neţ teoretická hodnota, protoţe zobrazovací soustava nezobrazuje bod na bod, ale zobrazuje plochu jádra MM vlákna 50 m na aktivní plochu PIN PD 40 m, při nastavení průměru optického svazku nad 150 m, coţ je průměr potřebný ke vzniku difrakce na VHGT. Výsledky výpočtů ohniskové vzdálenosti FFD a vloţných ztrát A kolimačních čoček, tab. 3.4 lze porovnat s měřenými hodnotami, tab. 3.5 Tab. 3.4 Výpočet ohniskové vzdálenosti FFD, koeficientu reflexe R a optických vloţných ztrát kolimační čočky A . n

FFD [mm]

R2

A . [dB]

2A . [dB]

1550

1,4865

2,4927

0,03828

0,16952

0,3390

1490

1,4870

2,488

0,03834

0,16978

0,33956

1310

1,4885

2,476

0,03853

0,1706

0,34129

[nm]

22

Tab. 3.5 Měřené hodnoty vloţných ztrát kolimační čočky A . n

Pt [uW]

Pin [uW]

A . [dB]

1550

1,4865

367

380

0,151

96,578

1490

1,4870

861

890

0,144

96,741

1310

1,4885

835

860

0,128

97,093

[nm]

[%]

Dále byly odměřeny závislosti poloměru optického svazku D/2 a divergence optického svazku na osové vzdálenosti mezi fasetou MM vlákna a vrchlíkem kolimační čočky. Tyto závislosti ukazují obr. 3.5 a 3.6.

Obr. 3.5 Měřené závislosti poloměru optického svazku D/2 na vzdálenosti MM vlákna od kolimační čočky v ose z [A10].

Obr. 3.6 Měřené závislosti divergence vlákna od kolimační čočky v ose z [A10]. Z měřených závislostí je patrné, ţe vypočtené a odměřené ohniskové vzdálenosti skutečně odpovídají kolimovanému reţimu s minimální divergencí optického svazku 23

a s optimálním průměrem svazku, který musí leţet v oblasti Při menším průměru nedochází k difrakci, při větším se výrazně zvyšuje jeho divergence. Celkový měřený optický vloţný útlum a útlumy jednotlivých komponent optického zobrazovacího systému jsou patrné z grafu a tabulky, který je součástí obr. 3.7.

Obr. 3.7 Měřený vloţný optický útlum zobrazovacího mikrooptického systému pro λ 1 = 1310 nm, λ2 = 1490 nm a λ 3 = 1550 nm. Z výsledků je zřejmá nízká hodnota difrakčních ztrát i ztrát Fresnelovými odrazy na optických rozhraních čoček v porovnání s jinými multiplexně/demultiplexními prvky jako jsou TFF fitry, dvoustupňové interferenční fitry, případně AWG kombinované se směrovým vazebním členem DC, viz tab. 3.1. Optoelektrická část WDM přijímače je tvořena dvojicí OE přijímacích mikromodulů s dekolimačními válcovými mikročočkami, kde dekolimační mikročočky jsou stejného typu, jako je kolimačmí mikročočka v optickém mikromodulu. Byly navrţeny OE přijímače dvou typů - nízkoimpedanční OE přijímač s GaAs/InGaP HBT mikrovlnným IO v čipovém provedení od firmy Hittie pro modulační pásmo 2,5 GHz a transimpedanční OE přijímač s GaAs PHEMT mikrovlnným zesilovačem v SMD provedení pro pásmo 1,25 GHz. Oba přijímače pouţívají InGaAs PIN fotodiody firmy Judson s aktivní plochou 40 m, v polopouzdrech vhodných pro hybridní montáţ. PIN fotodiody přijímačů byly navázány na impedančně přizpůsobené vstupy zesilovačů induktivním přizpůsobovacím členem, který zajišťoval vzhledem ke kapacitám prostorového náboje fotodetektorů Cs~0,5pF optimální nastavené šířky pásma OE přijímačů. Matematické odvození hodnot kompenzačních indukčností a jejich ověření simulací v programu WinMIDE je uvedeno v dodatku G. Pro ověření přenosových a dynamických charakteristik byly mikromoduly OE přijímačů pro měření umístěny do mikrovlnných drţáků a pouzder obr. 3.8.

24

Obr. 3.8 Mikromodul OE přijímače v mikrovlnném drţáku pro měření dynamických charakteristik. Byly proměřeny charakteristiky přesnosové, nízkosignálové harmonické modulační, impulsní a šumové. Výsledky měření jsou shrnuty v tab. 3.6. Přenosové modulační charakteristiky nízkoimpedančního a transimpedančního OE přijímače byly odměřeny na profesionálním 20GHz network analyzátoru HP 8210. Pro měření impulsních odezev byl pouţit impulsní generátor tr = 300 ps a osciloskop Tektronix 7904 s 12 GHz vzorkovací jednotkou 7S12 a hlavami S6 s extendry. Porovnání měřených S21 frekvenčních charakteristik obou typů WDM přijímačů osazených výše uvedenými OE přijímači je na obr. 3.9.

Obr. 3.9 Měřené S21 frekvenční charakteristiky pro nízkoimpedanční a transimpedanční typ OE přijímače Tab. 3.6. Měřené parametry optoelektronických mikromodulů OE přijímačů

Nízkoimpedanční OEP Transimpedanční OEP

Přenos [V/W]

Mezní frekvence fT [GHz]

Náběžné doby tr [ps]

SNR [dB]

140

2,5

175

22

170

1,25

350

24

25

Výsledné parametry HIOS typu WDM přijímač byly proměřeny v našich laboratořích. Vyplývá z nich, ţe mikrooptická část subsystému i optoelektronická mikrovlnná část subystému vykazují velmi dobré vlastnosti, pokud jde o vloţné ztráty optického mikromodulu dosahují hodnot 1,5 aţ 1,8 dB podle vlnové délky, coţ se projevuje v dobrém poměru SNR resp. BER u WDM přijímače. Hodnoty útlumu přeslechů optické části byly 12,5 aţ 18,3 dB, coţ je plně postačující odstup pro předpokládanou míru chybovosti BER = 10-9. Pokud jde o dynamické vlastnosti bylo potvrzeno, ţe jak v nízkoúrovňovém harmonickém reţimu, tak v impulsním reţimu dynamické parametry vyhovují pro modulační rychlosti 1,25 resp. 2,5 Gb/s. Šumové charakteristiky určují optickou překlenutelnou vzdálenost, nebo pro zadanou chybovost BER = 10-9 optickou útlumovou rezervu. Zařazením proměnného optického atenuátoru byla změřena útlumová rezerva na vstupu WDM přijímače 2 dB resp. 5 dB dle typu OE přijímače, ze které vyplývá překlenutelnou vzdálenost, 8 resp. 20 km SM vlákna. Úroveň měřícího OE vysílače byla vţdy nastavena na 1mW pro optickou impulsní modulaci. Mikrooptické řešení WDM přijímače samozřejmě s sebou nese nutnost náročnějšího nastavení celé mikrooptické soustavy na mikromanipulátoru. Přesnosti nastavení vyplývající ze závislostí viz obr. 3.3 a 3.4 jsou v řádu desetin milimetru. Přesnost úhlového nastavení VHGT v horizontální a vertikální rovině je v řádu jednoho úhlového stupňe.

3.2.1.3 Bistabilní laserová dioda pro vysílací část WDM transceiveru Mikromodul optoelektronického vysílače tvoří InGaAsP/InP Fabry - Perot polovodičová laserová dioda (LD) s mikrovlnným injekčním sériovým modulátorem a optickou stabilizační smyčkou středního výkonu LD. Čip LD bude umíatěn na Cu pozlaceném nosníčku a prokontaktována na izolační sloupek. Kolmo na zadní zrcadlo bude umístěn čip velkoplošné monitorovací fotodiody (PD) pro stabilizaci středního optického výkonu. OE vysílač pracuje na vlnové délce 1310 nm a má v optické ose zařazenu kolimační čočku a optický mikroisolátor pro blokaci nedifraktovaného záření optické mříţky, které by opticky dočerpávalo aktivní oblast LD a způsobovalo vznik nekorelovaného optického šumu ve struktuře LD. Čip LD je osazen spolu s čipem monitorovacího PD optické stabilizační smyčky umístěn na zlaceném měděném nosníčku a kontaktována na izolační sloupek. Vedle Fabry – Perot laserové diody, jejíţ pouţití je běţné v integrovaných strukturách tohoto typu, byla pro optoelektronický vysílač variantně navrţena rovněţ bistabilní laserová dioda (BLD), obr. 5.3. Tento prvek vznikl technologickou úpravou LD, realizovanou na dvojité heterostruktuře InGaAsP/InP vymaskováním ostrůvkového děleného prouţkového kontaktu, coţ vytvoří nehomogenní čerpání aktivní vrstvy LD přes mnohonásobně dělený prouţkový lícový kontakt [A15].

26

Obr. 3.10 InGaAsP/ InP dvojitá heterostruktura se snímkem mnohonásobně děleného prouţkového kontaktu Tato BLD realizovaná na dvojité heterostruktuře má rozdělený prouţkový kontakt ze své lícové p – strany. Typ dotace jednotlivých vrstev je patrný z obrázku. BLD je realizována na klasické kvaternární dvojité heterostruktury (DH) InGaAsP/InP s mnohonásobně děleným prouţkovým kontaktem. Maskování lícového mnohonásobně děleného kontaktu je provedeno dle [55]. Vzdálenost mezi jednotlivými kontaktními ostrůvky je navrţena na 10 m, délka ostrůvků v ose symetrie je 30 m a šířka 10 m. Pro ověření bistability u zhotovených vzorků BLD byla navrţena impulsní metoda IBV (impuls bistability verification), publikovaná v [A16]. Protoţe BLD je sekvenční prvek, jehoţ vnitřní stav závisí na amplitudě a časování proudových injekčních impulsů lze bistabilní reţim ověřit metodou postupného nastavení a nulování BLD při současném monitorování výstupní zářivé odezvy metodou IBV. Statické a dynamické vlastnosti BLD, jako je převodní W-A charakteristika, elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu lze popsat řešením tzv. rychlostních rovnic, provedené v dodatku H dle [A15].

Obr. 3.11 Normovaná statická W-A charakteristika BLD s parametrem Základní vyzařovací vlastnosti BLD, lze popsat normovanou parametrickou W-A charakteristikou, obr 3.11, kde poměr vyjadřuje poměr osové délky generační a absorpční oblasti v aktivní vrstvě BLD. Normovacími parametry jsou prahová 27

proudová hustota Igth (3.3) a saturační koncentrace fotonů v absorpční oblasti Nphs (3.4). Hodnoty fyzikálních konstant byly voleny dle tab. 3.6 a byly určeny z technologických parametrů a odměřených dynamických vlastností LD stejného technologického provedení jako BLD. Poměr odpovídá rozměrovým parametrů maskování, kde se předpokládá rozšíření čerpané oblasti vlivem roztékání injekčního proudu pod kontaktem 10 m. Igth eVg Bg N og

ga gg

2

1 1g

N oa

1

N og

ph

ga gg

2

1 1g

N oa

1

(3.3)

Nk

ph

Ba ( N a N k ) ga

Nphs

(3.4)

Tab. 3.6 Optimalizované hodnoty fyzikálních konstant pro modelování W-A charakteristiky g [cm3∙s-1]

No [cm-3]

ph

[s] 1,5∙10-12

18

B [cm3∙s-1]

-6

2,15∙10

V [cm3]

Nk [cm-3]

[-]

[-]

1,5∙10-9

5,9∙1017

10-4

0,25

8∙10

1,3∙10-10

Matematické vyjádření W-A charakteristiky obr 3.11 je dáno soustavou tří nelineárních parametrizovaných rovnic (3.5) aţ (3.7), které lze získat statickým řešením soustavy tří rychlostních rovnic pro bilance volných elektrických nosičů ve vodivostním respektive valenčním pásu a fotonů. Tyto rychlostní rovnice a podmínky platnosti matematického modelu jsou uvedeny v dodatku H. Rychlostní rovnice vyjadřují bilanci volných nosičů ve vodivostním respektive valenčním pásu polovodičové aktivní vrstvy BLD za předpokládu, ţe v aktivní vrstvě v oblasti spontánně generovaného záření BLD převládají přímé bimolekulární rekombinační přechody volných nosičů v aktivní vrstvě, Ig

Ng

gg 2Bg

gg

eVgBg Ng 2

Nph

Nk 2

gg 2B g

Bg Nph

Nk 2

Nph 2

Nk Ng

B Na 2 1B g 2 a

ga N 0 Nph Bg

ga Nph Nk Na Ba

(3.5)

g g Ngp Bg

1/ 2

Nph

(3.6)

28

Na

ga Nph 2 Ba

ga Nph 2 Ba

Nk 2

2

Nk 2

gN oa Nph Ba

1/ 2

(5.7)

kde Ng je střední koncentrace volných nosičů v generační oblasti, Na je střední koncentrace volných nosičů v absorpční oblasti, Nph je střední koncentrace fotonů, N0 je koncentrace volných nosičů optické transparence v generační oblasti a absorpční oblasti, Nk je střední koncentrace dotace aktivní vrstvy, gg a ga jsou ziskové koeficienty generační a absorpční oblasti, Bg a Ba jsou efektivní rekombinační koeficienty bimolekulárních spontánních přechodů pro generační a absorpční oblast, je konstanta spontánního příspěvku do laserového vidu. Ig a Ia jsou proudy injektované do ziskové a absorpční oblasti, Vg V, Va V jsou objemy generační a absorpční oblasti, kde 1 2=1. BLD představuje optoelektronický zářič, realizovaný na dvojité heterostruktuře, který na principu nelineární závislosti absorpce v lokalizovaných oblastech aktivní vrstvy na koncentraci fotonů tzv. Q spínání, impulsně moduluje výstupní optický výkon BLD. Vlastní podmínka vzniku absorpční optické bistability u LD (3.8) je odvozena v dodatku H. Ra Rac

(3.8)

1

Ra je kritická rychlost fotonové absorpce na saturovatelných optických centrech v absorpční části aktivní optické vrstvy BLD, kterou lze vyjádřit (3.9), Rac je kritická rychlost fotonové absorpce na nesaturovatelných optických centrech. Tuto kritickou rychlost lze vyjádřit (3.10) a kritickou velikost absorpční oblasti (3.11). Vyuţitím vztahu (3.11) a hodnot fyzikálních konstant dle tab. 3.6, lze určit kritickou hodnotu velikosti absorpční oblasti 2k = 0,0084. Podmínka (3.8) vyjadřuje skutečnost, ţe pokud má dojít ke vzniku bistability u LD musí být nelineární chování LD dostatečně výrazné a tedy rychlost saturace saturovatelných absorpčních center musí být vyšší neţ rychlost absorpce nesaturovatelných optických ztrát. Ra

Rac

2k

ga gg g a N oa

(3.9)

g a N oa 1 a

1

ph

(3.10)

2

g

ph

ga gg

1 a

1

(3.11)

g

Další nutnou podmínkou pro splnění podmínky (3.8) je, ţe optický rezonátor musí být v reţimu Q-spínání, kterou lze vyjádřit vztahem (3.12). Tato podmínka však není postačující podmínkou vzniku bistability u laserových struktur. Je však příčinou časových nestabilit a pulsací ve vyzařování LD. 29

ga gg

a

1

(3.12)

g

Podmínka (3.12) je rovněţ odvozena v dodatku H. Je zde ukázáno, ţe ziskový koeficient generační a absorpční oblasti je nelineární funkcí koncentrace fotonů N ph dle (H.27) a (H.28). Odvození této podmínky předpokládá, ţe celkový ziskový koeficient Gt v závislosti na koncentraci fotonů vykazuje extrém typu maximum za předpokladu, ţe ziskový koeficient absorpční oblasti saturuje dříve neţ ziskový koeficient generační oblasti, dle obr. 3.12. Při zvyšování čerpání nad tuto mezní hodnotu dochází k poklesu celkového zisku v aktivní vrstvě BLD a ke vzniku záporné hodnoty diferenciálního zisku. Tato skutečnost ukazuje na destabilizaci vyzařování a vznik pulzací nebo pokud je splněna i podmínka (3.8), pak dochází ke vzniku bistability u LD.

Obr. 3.12 Závislost celkového ziskového koeficientu Gt na koncentraci fotonů Nph pro hodnoty fyzikálních konstant z tab. 3.6.

3.2.1.4 Lineární elektrický model bistabilní laserové diody BLD Náhradní lineární elektrický obvod BLD (ENO) pro malé změny signálu byl publikován v [A15] a je zobrazen na obr. 3.13. ENO vznikl linearizaci systému rychlostních rovnic, viz. dodatek H, za zjednodušujícího předpokladu, ţe doba ţivota spontánně rekombinujících nosičů g a a v aktivní i absorpční vrstvě BLD je konstantní a nezávislá na elektrickém čerpání. Linearizované rychlostní rovnice lze upravit na soustavu stavových rovnic (3.16) aţ (3.18), které mají tvar obvodových rovnic elektrického rezonančního obvodu, kde prvky C´a a R´a mají záporné hodnoty. Analýzou řešení tohoto systému se zabývá [56] a vyplývá z ní, ţe kdyţ vyuţijeme Laplaceovu transformaci a analyzujeme stabilitu soustavy výpočtem pohybu kořenů charakteristické rovnice soustavy stavových rovnic pro jednotlivé pracovní body BLD, dojdeme k závěru, ţe pro jistý interval pracovních bodů jeden ze tří kořenů přejde do pravé poloroviny komplexní roviny. Tento kořen se pohybuje po reálné ose. V tomto intervalu má BLD aperiodickou astabilní časovou odezvu na skok proudového

30

buzení. Při vzniku pulsací u LD dochází k posunu dvou komplexně sdruţených kořenů do pravé poloroviny komplexní roviny.

Obr. 3.13 Elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu BLD Rg a R´a je modifikovaný difuzní odpor, Cg a C´a jsou modifikovaná difuzní kapacita generační a absorpční oblasti, L je indukčnost, Rs je tlumící odpor, K1 a N1 jsou transformační konstanty, ug , u´a (je napěti v uzlu 2´ ),ig , igr , igc a iL jsou sigálové obvodové napětí a proudy v ziskové oblasti, mg a ma jsou technologické konstanty [56]. Jak je patrné ze vztahů (3.19) aţ (3.24) jsou všechny elektrické modifikované obvodové prvky funkcemi fyzikálních proměnných koncentrace nosičů v generační oblasti N g , absorpční oblasti N a ,nebo koncentrace fotonů N ph , ve zvoleném pracovním bodě W-A charakteristiky. V ENO jsou obvodové proměnné pro malé změny signálu přímo funkcemi fyzikálních proměnných pro malé změny signálu dle vztahů (3.13) a (3.15). ug

mgVT

ng Ng

(3.13)

ua

maVT

na Na

(3.14)

iL

pg g ( N g

N0 g )eVg

(3.15)

kde p je optickým výkon pro malé změny, proud v absorpční oblasti ia = 0, VT =kT/q = 25,9 mV je termické napětí při pokojové teplotě a ua N1ua . Obvodové prvky C´a a R´a zastupují v ENO vliv absorpční oblasti BLD a mají záporné hodnoty. Pokud jde o malé změny signálu lze časovou derivaci v rovnici (3.14) poloţit rovnu nule a v ENO pak zůstane poze modifikovaný odpor se zápornou hodnotou, který svědčí o moţnosti vzniku pulsací ve výstupním záření takové LD. Indukčnost L v ENO je spojena s přeléváním energie mezi fotonovými populacemi a elektrickými nosiči, při rychlých dynamických změnách buzení optického rezonátoru LD a se vznikem foton-elektronové rezonance. Odpor Rs je prvek tlumící a zastupuje příspěvek spontánního záření do laserového vidu. Vedle toho, ţe tlumí nestabilní projevy LD jako jsou pulsace nebo bistabilita má příznivý vliv u LD na tlumení relaxačních zákmitů při impulsním buzení LD. Pro LD bez absorpčních center, kdy platí 2=0 a pak 1=1 přechází ENO do formy běţného ENO pro LD, který se redukuje na dvě modifikované diferenciální rovnice. 31

Obvodové prvky C´a a R´a jsou nulové a ENO tvoří pouze modifikovaný difuzní odpor Rg, modifikovaná difuzní kapacita Cg , indukčnost L a tlumící odpor Rs. Na základě ENO lze nejen analyzovat dynamické charakteristiky LD a BLD, ale lze jím také vyjádřit stabilitu vyzařování LD a typ zapojení vnějších obvodů elektrického injekčního modulátoru, vhodné pro potlačení neţádoucích dynamických efektů modulace na LD, jako jsou relaxační překmity při impulsních modulacích, vznikající vlivem foton-elektronové rezonance v optickém rezonátoru LD resp.BLD.

dug dt

1 ig Cg

ug Rg

dua dt

1 ia Ca

ua Ra

diL dt

1 ug L

N 1ua

iL

(3.16)

K 1 iL

(3.17)

R si L

(3.18)

kde

Rg

1

Cg

1

Ca

(3.19)

g g N ph

g

Ra

1

_

1

_

(3.20)

g a N ph

a

_

e 2Vg Ng mgkT

Cg

(3.21)

_

e 2Va N a makT

Ca

L

(3.22)

_

Cg 1g N g Nog g

Rs

L

1

gg

K1

I gth eVg

g 1

gg N g

( N oa N a ) N og ) 1(Ng 2

1

_

g g N ph

(3.23)

_

2

ga N a

(3.24)

(3.25)

32

2

mg N a (

g a N ph )

(3.26)

a

N1 1

ma N g (

g g N ph ) g

Hodnoty prvků ENO byly vypočítány pro tři význačné pracovní body A, B a D na simulované W-A charakteristice obr. 3.13. Pro porovnání jsou v charakteristice uvedeny i hodnoty měřené W-A charakteristiky BLD, odměřené metodou IBV. Hodnoty prvků ENO jsou uvedeny v tab. 3.7.

Obr. 3.14 Měřené a vypočítané W-A chrakteristiky BLD (P= k Nph , k=8,7∙10-17 [W; cm-3 ; W/ cm-3]) Tab. 3.7 Prvky elektrického náhradního obnvodu BLD pro male změny signálu

Cg [nF]

Rg [ ]

Ca [nF]

Ra [ ]

P1

7,9

0,16

7

51

P2

7,3

0,14

1,1

1,6

Pmax

6,7

0,05

1,8

0,2

L [pH]

Rs [m ]

K1 [-]

N1 [-]

P1

4,4

2006

1,120

0,020

P2

0,27

1,3

0,970

0,150

Pmax

0,07

0,03

0,530

0,280 33

Z vypočítaných prvků ENO vyplývají tyto závěry: Modifikovaný difuzní odpor Rg pro BLD resp. LD je téměř o řád niţší neţ u běţných diod a klesá s rostoucím proudem Ig. Z toho vyplývá velmi nízká hodnota časové konstanty g , která bude ovlivňovat dynamiku LD resp. BLD, především dispersi impulsů. Rezonanční kmitočet foton-elektronové resonance bude leţet v oblasti gigahertzů. Tlumící odpor Rs bude velmi mírně tlumit relaxační zákmity a ovlivňovat polohu rezonančního kmitočtu. Tyto závěry platí pro nadprahovou oblast buzení BLD resp. LD. BLD s těmito parametry bude vykazovat bistabilitu a hysterezi W-A charakteristiky, coţ je patrné i ze simulované a měřené W-A charakteristiky a lze ji vyuţít jako optoelektronický vysílač a tvarovač optické impulsní modulace s pamětí. Výše uvedená analýza byla provedena pro lineární optoelektronické prvky typu LD, ELD a PD a pod, byly vytvořeny lineární obvodové modely uvedených optoelektronických součástek, které byly zařazeny do výuky v předmětu A0M34NFO pro návrh optoelektronických mikrovlnných systémů přenosového typu v programovém systému WinMIDE.

3.2.2 Planární hybridní integrovaný WDM transceiver Logickým pokračováním výzkumných prací v oblasti WDM HIOS přenosového typu byl návrh planární verze HIOS - WDM transceiveru. Předmětem této kapitoly je především ukázat výsledky topologického a technologického návrhu tohoto subsystému. Topologické a technologické systémové řešení WDM transceiveru vzniklo v rámci řešení grantu [G2] a výzkumného záměru [G1] a bylo postupně publikováno v [A1], [A4], [A17], [A18] a následně i patentováno [A7]. Navrţené uspořádání WDM transceiveru obr. 3.7, vychází opět z kruhové topologie uspořádání optické a optoelektronické části. Optická planární část je rozpracována v rámci výzkumných prací na grantu [G3] ve dvou variantách. První varanta řeší optickou část jako SM vlnově selektivní integrovaný polymerový obvod, realizovaný spojením směrového vazebního členu a MMI filtru, kapitola 4.2.5. Ve druhé variantě je optická planární část navrţena jako MM integrovaný obvod s optickými výkonovými děliči, realizovanými na skle s difuzními vlnovody zhotovenými výměnou iontů Ag+-Na+ a optickými vlnovodnými filtry s Braggovskými polymerovými mříţkami, viz kap. 4.2.6. Druhá varianta vznikla ve spolupráci s VŠCHT. Obě varianty jsou v současné době rozpracovány jsou ve stádiu technologického návrhu. Dílčí práce byly publikovány v [A19,A20,A21,A22,A23]. Optoelektronickou část tvoří soustava dvou OE přijímačů, popsaná jiţ v kapitole 3.2.1.1, 3.2.1.2 a OE vysílač s modulačními a podpůrnými elektronickými obvody, popsaný v 3.2.1.3.

34

Obr. 3.7 Planární hybridní integrovaný WDM transceiver Naše práce byly v první etapě zaměřeny na topologický a technologický návrh optické části WDM planárního transceiveru, kterou představuje planární triplexní MUX/DEMUX člen. Při návrhu byla předpokládána realizace triplexeru na polymerových materiálech ENR SU-8 a PMMA. Jednovidová varianta je tvořena MMI filtrem pro rozbočení vlnových délek 1490 nm a 1550 nm, na kterých pracují dva OE přijímače [A24] a směrového vazebního členu, pro navázání vlnové délky 1310 nm, na které pracuje OE vysílač. Celkový návrh triplexního filtru viz obr. 3.8, včetně vlivu vazby obou komponent byl zpracován v publikaci [A21]. Při návrhu, provedeném simulací v program BPM, byly zjištěny klíčové rozměry triplexeru. Ze simulací vyplývá optický vloţný útlum a útlum přeslechů na příslušných bránách triplexeru, viz kapitola 4.2.5.

Obr. 3.8 Topologické návrhové schéma WDM obousměrného triplexního filtru. Druhou variantou, na které se v současné době intenzivně pracuje, je varianta multividová. Tato varianta předpokládá vyuţití vlnovodných filtrů, viz kapitola 4.2.6 umístěných do ramen optického multividového výkonového děliče. Vlnovodné filtry jsou navrţeny do jednotlivých ramenech výkonového děliče, kde dochází k reflexi vlnových délek odpovídající příslušnému řádu Braggovy difrakce. Optoelektronická část WDM transceiveru s dvojicí OE přijímačů viz. kapitola 3.2.1, a OE vysílačem. Vzhledem k nízké impedanci LD musí být do mikrovlnného páskového vedení vřazen 35

SMD odporový čip 50 Jedno z moţných řešení modulačních obvodů bylo publikováno v diplomové práci [A13]. Pracovní bod LD musí být stabilizován opticky vázanou zpětnovazební smyčkou stabilizující střední optický výkon LD. Toto zapojení s IO ADN 2830A od firmy Advance Devices bylo navrţeno v bakalářské praci [A14]. Obě tyto práce vedl autor.

36

4. VÝZKUM VYBRANÝCH POLYMEROVÝCH STRUKTUR INTEGROVANÉ OPTIKY Výzkum a vývoj v oblasti technologie optických polymerních integrovaných obvodů (OPIO) je významný ne jen ve vyuţití nových organických materiálů pro oblast planárních optických integrovaných obvodů, kde v důsledku velké různorodosti polymerů a jejich vlastností lze dosáhnout optimalizace charakteristik dané struktury pro zvolenou oblast aplikace, ale nese sebou i významné zjednodušení a tím i zlevnění technologických postupů při realizaci OPIO. Především jde o technologii nanášení jednotlivých funkčních vrstev, kde se lze vyhnout tzv. těţkým technologiím jako je kapalná nebo plynná epitaxe, difuze, různé chemické postupy s navazujícím mokrým nebo suchým leptáním a následné napařování nebo naprašováním vrstev. U organických integrovaných obvodů lze vrstvy nanášet jednoduchou metodou rotačního lití (spin-coatingem) s vyuţitím UV litografie, laserové litografie nebo elektronové litografie. Vedle těchto postupů lze vyuţít postupů prostorového profilování tepelným tvářením, elektrickým polem, laserovou ablací, reaktivním iontovým leptání (RIE) a pod. Pro vytvoření motivu se u některých polymerů dají vyuţít fotopolymerní vlastnosti a tím vynechat operaci nanášení a odstraňování rezistu. Pokud se navíc vyuţije polymeru jako substrátu, lze z technologie odstranit procesy, spojené s mokrým leptáním. Motiv optického planárního obvodu lze do substrátu vytvarovat pomocí výše uvedených tvářecích metod, nebo u motivů větších rozměrů lze vyuţít obrábění CNC technologiemi nebo vytlačit mechanicky pomocí razníku s poţadovaným motivem [27].

4.1 Současný stav a vývoj problematiky 4.1.1 Vybrané optické polymerní materiály pro integrovanou optiku Optické polymery jsou materiály vhodné pro realizaci součástek integrované optiky, jako jsou jednovidové, multividové planární vlnovody, optické výkonové děliče, interferenční filtry, Braggovské optické mříţky, směrové vazební členy apod. Jejich rozměry se mohou pohybovat od submikronových rozměrů do stovek mikrometrů. Optické ztráty jsou závislé na vlnové délce a tato závislost je poněkud odlišná od dielektrických materiálů integrované optiky, realizovaných na Si a jeho sloučeninách jako SiO2 a Si3N4, se pohybuje od 0,01 dB/ cm na 400 nm aţ po několik dB/cm pro 1600 nm. Jejich útlum tedy roste s vlnovou délkou, coţ činí tyto materiály perspektivní i pro informační integrované obvody, pracující ve viditelné oblasti vlnových délek. Součástky integrované optiky, realizované na polymerech zahrnují jak pasivní tak i dynamické součástky, které mají v integrovaných planárních strukturách funkci vlnovodnou, směrovací, filtrační, spínací atd. Optické polymery jsou navrhovány a produkovány po celém světě a mnohé jsou dostupné i komerčně. Třídy polymerů, vyuţívaných pro integrovanou optiku jsou akryláty, polyamidy a olefíny (cyklobuteny). Přehled některých významnějších uvádí Tab. 4.1.

37

Tab. 4.1 Vybrané polymerové materiály pro integrované optické struktury s indexy lomu a měrným útlumem pro vlnovou délku =650 nm [40].

materiál

index lomu [-]

útlum [dB.cm-1]

Hexamethylsiloxan Polymethylmethakrylát (PMMA) Vinylmethylsilan Polymetylmetacrylimid (PMMI) Polyurethan Polyester Epoxid Polystyren

1,4 1,49 1,53 1,54 1,56 1,57 1,58 1,58

0,1 <1 0,1 1 1 1 1 1

Fotorezist Shipley AZ1350 Epoxy novolak rezin (ENR SU8)

1,62 1,6

10 <1

Akrylátové polymery vykazují velmi malé ztráty rozptylem optického záření, vykazují také nízké polarizační ztráty v rozsahu vlnových délek 400-1600 nm, které se vyuţívají pro optické sdělování. Na obr. 4.1 jsou dobře patrná útlumová minima, která se nacházejí v oblasti optických útlumových oken vyuţívaných pro optické sdělování.

. Obr. 4.1 Absorpční ztráty Acrylátového polymeru [27] _____ 100% CH vazby, ------- 30% CH vazby, ……. 20% CH vazby Vyuţitím kopolymerizace z vybraných monomerů lze potom řídit indexy lomu polymerů v širokém rozsahu od 1,3 aţ 1,6. Řízení hodnoty a průběhu indexu lomu pak umoţňuje vytvářet step-indexové i gradientní vlnovodné struktury s velmi 38

přesným nastavením hodnoty indexu lomu kupř. polymery Ormoclad, Ormocor. Také závislost optických ztrát na vlnové délce lze velmi dobře řídit nastavením procenta C-H skupin, jejich nahrazením v molekulách fluoridovými nebo chloridovými, viz obr. 4.1. Těmito způsoby se dosáhne v polymerových řetězcích sníţení vibrační energie molekul polymerů a posunutí absorpční hrany polymerů nad 2 m a tedy mimo telekomunikační vlnové délky. Touto částečnou halogenizací lze posunout hodnoty útlumu aţ o řád. Jiţ před zahájením spolupráce mezi pracovištěm pro výzkum optických polymerových materiálů VŠCHT a Katedrou mikroelektroniky FEL ČVUT v Praze na studiu fyzikálních vlastností optických polymerových materiálů a i v jejím průběhu byla publikována řada prací [57-60], týkajících se ovlivňování indexu lomu a povrchové morfologie PMMA optické kvality a kompozitu PMMA+PS (polymethylmethakrylát + polystyren) elektrickým polem a teplotou zaloţených na Taylorově teorii. Tím byla dána moţnost navázat v grantovém projektu GAČR [G2], na tyto výsledky, které byly souborně publikovány ve zprávě k řešení grantového projektu [A27], jehoţ byl autor hlavním řešitelem. Tím byla dána moţnost vytváření kanálkových nebo hřebenových optických planárních vlnovodů a následně periodických polymerových mříţek Braggovského typu. Popsané postupy vychází z jevu dříve zkoumaného Taylorem [61] a dalšími [62], [63], kteří teoreticky i experimentálně ověřili tvar povrchu kapky i povrchové blány dielektrických tekutin vystavené silovému působení elektrického pole. Bylo ukázáno, ţe při překročení určité prahové intenzity elektrického pole dochází ke geometrickému zformování povrchu této tekutiny do tvaru konického kuţele s ostrým vrcholem, jehoţ výška je úměrná intenzitě elektrického pole. Z výše uvedených prací nově vyplynulo, ţe působením elektrického pole intenzity do 8 kV/cm dochází k výraznému natáčení elektrického dipólu molekul u zkoumaného PMMA, coţ má za následek zvýšení indexu lomu v rozsahu 1,41-1,48, tedy k elektrooptickému jevu. Tato změna indexu lomu je pro vlnové délky nad 450 nm téměř vlnově nezávislá. Rovněţ byl prokázán termooptický jev, tedy změna indexu lomu polymeru PMMA s teplotou, pro hodnoty teploty menší neţ teplota skelného přechodu Tg = 112°C [65]. Chemický strukturální vzorec PMMA je uveden na obr. 4.2.

Obr. 4.2 Chemický strukturální vzorec polymethylmethakrylátu (PMMA) Problémem zůstává, ţe tyto změny jsou pro PMMA dlouhodobě časově a tepelně nestabilní. Zvýšení stability změny indexu lomu s dobou stárnutí a teplotou lze dosáhnout vytvořením kompozitní struktury PMMA+PS. Přidáním polárního PMMA do nepolárního PS, kde optimální hodnoty jsou 7-10%, se dosáhne zvýšení stability 39

indexu lomu v rozsahu 330 hodin i pro teploty do 363 K. Byly rovněţ prokázány změny povrchové morfologie a její orientace v závislosti na orientaci vnějšího elektrického pole určité orientace. Jeho optický útlum se zvyšuje v blízké infračervené (NIR) oblasti záření. Parametry a vlastnosti PMMA a PMMA+PS gradientních vlnovodů byly publikovány v [57], [A28]. Jelikoš PMMA má velmi dobrou mechanickou odolnost a vhodnou velikost indexu lomu, byl rovněţ vyuţit jako krycí plášťová vrstva ENR a PMMI planárních optických vlnovodů, viz dále. Vedle PMMA byl pro realizaci optických planárních vlnovodů pro viditelné pásmo (VR) a NIR odzkoušen další acrilátový polymerový materiál – Polymethylmethacrylimid (PMMI) s obchodním označením Pleximid. Tento teplotně odolný materiál má teplotu skelného přechodu T g = 150°C [65], má dobré optické transparentní vlastnosti a mechanickou pevnost. Hodnota indexu lomu se pohybuje v pásmu VR a NIR rozsahu 1,51 – 1,56, dle individuální modifikace. Jeho strukturální chemický vzorec je na obr. 4.3.

Obr. 4.3 Chemický strukturální vzorec polymethylmethacrylimid (PMMI) Další důleţitou skupinou polymerů, která byla studována v souvislosti s realizací optických planárních pasivních i aktivních vlnovodů a dalších větvených struktur jsou epoxypolymery, zvláště Epoxidový rezist ENR s obchodním označením Epoxy Novolak Rezín (SU8) [64]. Tato skupina polymerových rezistů se objevila teprve nedávno a oproti akrylátovým polymerů vyniká vysokou teplotní stabilitou do teplot T g = 230°C a fotoindukčními vlastnostmi, umoţňujícími zjednodušit fotolitografický proces na pouhou expozici polymerové vrstvy přes masku ultrafialovou lampou. Další výhodou je poměrně vysoký index lomu v rozsahu 1,58 – 1,61. Přijatelné jsou rovněţ hodnoty útlumu optické vrstvy v oblasti VR a v oblasti optických telekomunikačních vlnových délek NIR v rozsahu 0,25 dB aţ 1,7 dB/cm. I u těchto polymerů byl prokázán termooptický jev řádu -1,87x10-4 /°C pro teploty 20 aţ 70 °C a rovněţ dvojlom, kde diference indexů lomu TE a TM byly 1-2x10-4 [64]. Strukturální chemický vzorec ENR je uveden na obr. 4.4.

40

Obr. 4.4 Chemický strukturální vzorec Epoxy Novolak Resinu (ENR) [64] V oddělovací vrstvě bývá vedle SiO2 pouţit také polymerový materiál Cytop(Cyclic Transparent Optical polymer), který má velmi nízkou hodnotu indexu lomu 1,340 – 1,337 pro NIR pásmo vlnových délek. Důvodem je nahrazení dielektrické oddělovací vrstvy planárního vlnovodu, která je realizována oxidací Si a má tloušťku 2 aţ 3 m polymerovou vrstvou, čímţ lze odstranit jednu technologickou vakuovou operaci (termickou oxidaci) operací jednodušší realizovanou spin-countingem, a tak realizovat polymerový vlnovod z čistě polymerových funkčních vrstev. Cytop je materiál s posunutou absorpční hranou oproti PMMA z 3,3 m na 7,7 m, má niţší optické ztráty ve VR a je teplotně stabilnější [66]. V nedávné době se objevily polymerové materiály Ormoclad/Ormocore, jejichţ index lomu lze chemickou cestou měnit a tím připravit polymerové rozhraní s přesně nastavenou diferencí indexu lomu. Tyto materiály jsou východiskem pro zhotovení optických polymerových vlnovodů optickou UV litografií. V důsledku velké diference indexů lomu vycházejí rozměry většiny polymerových optických vlnovodů v řádu jednotek m, coţ způsobuje problémy při litografickém zapisování motivu, kde je třeba pouţít drahou elektronovou litografii. Na našem pracovišti jsou prováděny první práce v tomto směru [67]. 4.1.2 Vybrané opticky aktivní polymerové materiály. Opticky aktivní vláknové a planární vlnovodné struktury, které za vhodných podmínek mohou zesilovat optické záření jsou velmi významné pro konstrukci i optických kvantových generátorů, zesilovačů záření, nebo kompenzátorů optických ztrát v optických dielektrických, nebo polymerových vlnovodech. Opticky aktivní materiál vyuţívá ionty aktivátorů, nejčastěji prvků vzácných zemin viz tab. 4.2. A to především těch, které jsou opticky aktivní v oblastech druhého 1300 – 1330 nm, nebo třetího 1530 – 1560 nm optického útlumového okna křemenných vlnovodů. Vyuţívané prvky vzácných zemin jsou trojmocné ionty ze skupiny lanthanoidů. Schopnost generovat při optickém čerpání optické záření tzv. fotoluminiscence je 41

skryta v nedostatečně obsazené slupce 4f, která je lokalizována uvnitř atomu aktivátorů. Vnější plně zaplněné slupky 5s a 5p pak fungují jako stínění slupky 4f od perturbací (kupř. tepelných) vnějších polí atomů základního materiálu. Proto také Starkovo štěpení úrovní, pod vlivem matrice - atomů základního materiálu, je malé a z toho vyplývají relativně malé emisní a absorpční příčné průřezy této slupky (10-21cm2) a z toho vyplývající dlouhé luminiscenční relaxační časy (ms). Vliv nejbliţších atomů materiálové matrice, do které jsou umístěny opticky aktivní ionty (aktivátory) na jejich absorpční a vyzařovací vlastnosti popisuje experimentálně teoretická Judd-Ofeltova teorie [75,76]. Přechody mezi jednotlivými energetickými úrovněmi atomů aktivátorů vycházejí z interakcí spin-spin a spin-orbit [25]. Úrovně jsou označovány v Russel-Sandersově notaci 2S+1LJ , kde S je celkový spinový moment, L je celkový orbitální moment a J je celkový úhlový moment, daný vektorovým součtem S + L = J. Krystalové pole základního materiálu podstatně ovlivňuje optické vlastnosti aktivátorů tím ţe dochází ke štěpení energetických úrovní na multiplety, nazývané Starkův rozptyl. Abychom dosáhli zesílení záření s vyuţitím atomů vzácných zemin, zabudovaných jako aktivátory do základního materiálu musíme tyto atomy excitovat čerpacím zářením vhodné vlnové délky, aby záření bylo v dostatečné míře absorbováno na těchto atomech a bylo dosaţeno inverze obsazení stavů elektronů základní hladiny vzhledem k hladině s vyšší energií slupky 4f. Tyto atomy pak relaxují do základního stavu přes multifononovou emisi, kde tyto procesy probíhají s časovými konstantami excitovaných stavů řádu 1 ns aţ 100 s, nebo přes emisi fotonů, a to především u přechodů s větší přechodovou energií a s dlouhými relaxačními časy. Zesilovaný optický signál, jehoţ vlnová délka bude odpovídat při vhodném výběru atomů aktivátoru některé z vlnových délek vyuţívaných v telekomunikacích, bude zesilován mechanismem stimulované emise záření na atomech aktivátorů, jejichţ koncentrace vzhledem k atomům základního materiálu musí být přiměřeně volena,~10-15%, aby nedocházelo k jejich vzájemnému shlukování (klastrování) a párovým interakcím, které pak způsobí zhášení fotoluminiscence. Tento jev se nazývá koncentrační zhášení, které můţe být způsobeno celou řadou procesů, jako je up-konverze, nebo absorpce na excitovaných stavech atomů aktivátorů. Existuje jiţ velké mnoţství prací, které umisťují ionty vzácných zemin do dielektrických matric, jako jsou sodná, nebo hlinitá skla, teluridová skla, příp. LiNbO 3 [92] aţ [94]. Záměrem našich výzkumných prací bylo experimentálně ověřit vliv polymerové organické matrice na proces vzniku zářivé luminiscence v atomech aktivátorů, a to především pro vlnové délky 1300 a 1550 nm, uţívané v telekomunikacích, měřením absorpčních a luminiscenčních spekter různých koncentrací některých vybraných atomů vzácných zemin v polymerových základních materiálech typu ENR a PMMA. K dispozici máme 14 atomů vzácných zemin, viz tab. 4.2, které se liší především obsazením slupky 4f. Všimněme si nejdříve iontů Er3+, které se nejčastěji vyuţívají u optických zesilovačů pro vlnovou délku 1550 nm [71-74]. U těchto atomů se pro zesilování vyuţívá přechodů elektronů ve slupce 4f, kterých je 11, a tři stavy jsou neobsazené a tím vyuţitelné pro optickou excitaci.

42

Tab. 4.2 Vzácné zeminy a jejich atomové číslo, elektronová konfigurace na příslušných hladinách a spinový základní term [110]. Atomové číslo 58 59 60 61 62 63

Typ vzácné zeminy RE3+ Cerium - Ce Praseodymium - Pr Neodymium - Nd Promethium - Pm Samarium - Sm Europium - Eu

Obsazenívnějších Základní term 3 slupek RE3+ RE3+ 2 4f15s25p6 F5/2 4f25s25p6 3

2

6

4

2

6

5

2

6

6

2

6

7

2

6

4f 5s 5p 4f 5s 5p 4f 5s 5p 4f 5s 5p

64

Gadolinium - Gd

4f 5s 5p

65

Terbium - Tb

4f85s25p6

66 67 68 69 70

Dysprosium - Dy Holmium - Ho Erbium - Er Thulium - Tm Ytterbium - Yb

3

H4

4

I9/2

5

H5/2 7

F0

8

S7/2

7

F6

9

2

6

10

2

6

11

2

6

12

2

6

3

13

2

6

2

4f 5s 5p

6

H15/2 5

4f 5s 5p 4f 5s 5p 4f 5s 5p 4f 5s 5p

I4

6

4

I8

I15/2 H6

F7/2

Tří hladinový systém energetických úrovní přechodů pro slupku 4f u atomu Er 3+ je na obr. 4.5. Významné přechody jsou zde vyznačeny šipkami. Z toho diagramu vyplývá, moţnost čerpání absorpcí optické energie v atomu Er3+ a to přechodem 4I15/2 - 4I11/2 s vyuţitím záření 980 nm, nebo lze vyuţít pásu 4I13/2 a zajistit čerpání absorpcí záření 1480 nm přechodem mezi úrovněmi 4I15/2 - 4I13/2. Tato optická čerpání se nejčastěji zajišťují polovodičovými laserovými optickými pumpami. Následným emisním přechodem 4I13/2 - 4I15/2 s energií 0,8 eV, je generace záření 1 530 nm. Poměrně široký gap zabraňuje tepelnému zhášení luminiscence. Luminiscenci v oblasti 1550 nm lze také vyvolat kombinací dotace ionty Er 3+/Yb3+. Zde se vyuţívá rezonance mezi hladinami 4I11/2 u Er3+ a 4F5/2 u Yb3+. Zvýšením koncentrace Yb3+ v polymeru na úkor iontů Er3+dochází úrovňovým přechodem 2F7/2 - 2F5/2 k absorpci optického záření v oblasti 980 nm.

43

Obr. 4.5 Energetické úrovně přechodů v atomu Er3+ [A29]. Tato energie je v důsledku výše zmíněné rezonance předána z úrovně 4F5/2 na úroveň 4I11/2 a výše popsaným způsobem dojde ke generaci záření 1550 nm. Intenzitu záření ovlivňuje matrice, tedy typ polymeru, do kterého jsou ionty vzácných zemin zabudovány. Naše výzkumy prokázaly, ţe pro PMMA můţe v koncentracích mezi 1 aţ 10% částečně Yb nahrazovat Er. Proces kodotace erbia yterbiem se někdy dokonce jeví jako aktivnější, co se týče intenzity luminiscence, neţ generace záření samotným erbiem, protoţe absorpční příčný průřez tohoto přechodu u Yb3+je aţ desetkrát větší [77-78]. Hladinový model celého systému je znázorněn na ob. 4.6.

Obr. 4.6 Energetické úrovně přechodů v komplexu atomů Er3+ a Yb3+ [A29]. I zde se podobně jako v dielektrických materiálech a sklech projevuje při vyšších koncentracích shlukování (klastrování) atomů aktivátorů, které přes procesy vzájemné interakce iontů aktivátorů jako kooperativní up-konverze, energetické migrace a nebo cross-relaxace vede ke zhášení luminiscence.

44

Pro zesilování optického záření v oblasti 1300 nm se běţně vyuţívají ionty Nd3+ nebo Pr3+ [79-81]. Pro neodymium se vyuţívá ke generaci záření přechod 4F3/2 - 4I13/2, zatím co pro praseodymium přechod 1G4 – 3H5. Tato vlnová délka se vyuţívá především proto, ţe silikátová optická vlákna pro tyto vlnové délky vykazují minimální chromatickou disperzi. Nízký optický zisk v silikátových vláknech však vedl k tomu, ţe pro optické zesilovače se vyuţívají dotace výše uvedenými prvky vzácných zemin v teluridových a dalších typech vláken [80]. Další moţností, pro zesilování záření v oblasti 1300 nm je vyuţít iontů dysprosia Dy3+[81]. Ke generaci záření 1300 nm dochází přechodem z dubletu 6H9/2/6F11/2 na hladinu 6H15/2, který má vyšší absorpční koeficient i příčný průřez neţ metastabilní hladiny 1G4 pro praseodymium, obr. 4.7.

Obr. 4.7 Energetické úrovně přechodů v atomu Dy3+ [A31]. Celá řada prací věnovaná opticky aktivním dielektrickým materiálům se zabývá výzkumem na křemenných sklech dotovaných Bi [83]. Velmi zajímavou vlastností je vlnová širokopásmovost fotoluminiscence, která překrývá téměř celou oblast vlnových délek druhého a třetího optického okna. Prokázali jsme, ţe při dotování polymerových materiálů Bi3+ nebylo této širokopásmovosti dosaţeno. Tato fotoluminiscence probíhala v oblasti vlnových délek 1280 nm aţ 1300 nm. Další zvýšení optického výkonu fotoluminiscence na sklech, jak uvádí práce [84], lze dosáhnout vyuţitím kodopantů (Dy3+, Tu3+, Yb3+). Jako matrice opticky aktivních materiálů planární integrované optiky se většinou vyuţivají dielektrické materiály, jako jsou fosfátová, sodnofosfátová a sodná skla, LiNbO3 a také Al2O3/Si a také specielní skla [80-81]. Pro teoretické posouzení vlivu polymerové matrice na optickou luminiscenční aktivitu iontů 4fN vzácných zemin jsme vyuţily srovnání vlastností dielektrických a polymerových matric podle Judd-Ofeltovy teorie, viz dodatek A. Jsou zde porovnány hodnoty Judd-Ofeltových koeficientů t kde t=2,4,6 a příčných průřezů abs resp. abs pro námi zkoumaný polymer ENR [85] a některé dříve zmíněné dielektrické materiály, jako jsou různé typy skel a LiNbO3 dotované ionty vzácných zemin Er3+/ Yb3+ [74]. Z porovnání vyplývá, ţe polymerové matrice ENR jsou vhodné pro vlnovodné zesilovače. Výzkum fotoluminiscencích spekter však ukazuje, ţe je třeba nastavit vhodně poměr dopantu a kodopantu. Integrované planární vlnovodné zesilovače na dielektrických materiálech, pracujících na vlnové délce záření 1540 nm a vyuţívající atomů Er 3+ jako aktivátoru, jiţ byly 45

realizovány. Jako příklad lze uvést planární optický zesilovač s vlnovody Al2O3/Si a se ziskem 20 dB [77], obr. 4.8. O dalších publikovaných planárních zesilovačích na silikátových a nebo fosfátových sklech je referováno v [86]. Zesilovač pouţívá bifilární čtvercovou meandrovou topologii opticky aktivního vlnovodu, interferenční filtry na vstupu a na výstupu pro multiplexaci čerpacího a signálového záření a na výstupu odfiltrování čerpacího záření na kruhovém rezonátoru. Z ním následuje interferenční dělič se čtyřmi výstupy. Vyuţití bifilární topologie je velice úsporné na místo vzhledem k délce opticky aktivního vlnovodu.

Obr. 4.8 Planární vlnovodný optický zesilovač realizovaný dielektrickou vrstvou Al2O3 dotovanou Er [77].

4.1.3 Optické polymerní planární struktury integrované optiky pro informatiku Mnoţství struktur integrované optiky, které se vyuţívají v optických a optoelektronických integrovaných informačních systémech a subsystémech je v současné době značně široké. V našem případě se budeme zabývat vybranými hřebenovými a kanálkovými typy polymerových optických vlnovodů [87], vlnově selektivními pasivními součástkami integrované optiky tzv. triplexery, vyuţitelné pro optickou část hybridních POIO přenosového typu, které umoţňují slučovat a rozdělovat vlnové informační toky u vlnových multiplexů s malým počtem vlnových nosných, označované jako CWDM. V našem případě jde o tři vlnová pásma, vyuţívaná v optických místních sítích PON-FTTx [88] a to 1310, 1490 a 1550 nm, které se mohou přes triplexer šířit různými směry, tedy od vstupu na výstup, ale některé (v případě sítí PON vlnová délka 1310 nm i protisměrně) a součástka musí zajistit dostatečné oddělení optických výstupů s minimálními přeslechy z jednoho vlnového kanálu do druhého. V první etapě byl proveden návrh souboru součástek, pro zajištění vlnově selektivního rozdělení výše uvedených vlnových délek. Náš záměr byl veden především myšlenkou nahrazení mikrooptické vlnově selektivní části HIOS WDM transceiveru, realizovanou dvousystémovou objemovou holografickou mříţkou (VHG) částí, realizovanou strukturami planární integrované optiky. Optických planárních duplexních a triplexních struktur na SiO 2/Si nebo na Si byla publikována celá řada. Struktury vyuţívají systému postupně řazených optických planárních odbočovačů s TFF filtry, které vychází nejrozměrnější [36], dále kombinace několika směrových vazebních členů [35] někdy doplněných s Braggovskými mříţkami, nebo s fázovou optickou mříţkou AWG (array wave grating) [69]. Tyto struktury vyuţívají kontrastu indexu lomu n = 0,3 - 1,5%. Optické 46

integrované obvody na polymerech pracují s velkým kontrastem indexu lomu n = 3 16%, coţ umoţňuje realizovat ostře zahnuté vlnovodné linie při malém vloţném útlumu vyzařováním, zajišťuje dobré oddělení navazujících optoelektronických částí, sniţuje vazební ztráty při vazbě na optické křemenné vlákno a ve výsledku také zmenšuje optickou část. Polymerové triplexní členy vyuţívají především jedno nebo dvoustupňových multividových interferenčních členů (MMI) [70]. V našem případě bylo navrţeno nové SM řešení, které kombinuje vlnově selektivní MMI filtr [A59], navrţený pro vlnové délky 1490nm a 1550 nm, se směrovým vazebním členem, který zajišťuje zavedení vlnové délky 1310 nm ve zpětném směru do triplexní struktury [A60], kap. 4.2.5. S výhodou lze vyuţít vysokou směrovost, kterou tento prvek vykazuje. V současné době pracujeme na technologickém návrhu MM řešení triplexeru s optickým výkonovým děličem a s vlnovodnými filtry umístěnými na jeho ramenech. Návrh vychází z vlnovodných filtrů s Braggovskou mříţkou, viz kap. 4.2.6.

4.2 Výsledky vlastních prací autora resp. prací s účastí autora 4.2.1 Optické polymerní planární struktury na katedře mikroelektroniky Optické polymery viz kap. 4.1 jsou atraktivní materiály pro výrobu optických struktur, jak jiţ bylo výše uvedeno, pro snadnou realizaci, nízkou cenu a také dobré parametry optimalizovaných optických struktur. V rámci řešení výzkumného záměru [G1] a grantů GAČR [G2], MPO-TIP [G3] byly zkoumány některé nové postupy ovlivňování vlastnosti optických polymerů, jako indexu lomu polymerové vrstvy a povrchové morfologie, působením elektrického pole za působení zvýšené teploty a tepelného profilování polymerové vrstvy laserovým svazkem. V našich výzkumných pracích jsme rovněţ sledovali optickou aktivitu vybraných polymerových materiálů PMMA a ENR, dotovaných vybranými prvky vzácných zemin Er3+, Yb3+, Tm3+ a Dy3+, které vykazují optickou fotoluminiscenci především v telekomunikačních pásmech vlnových délek druhého a třetího optického okna. Další práce pak byly věnovány výzkumu polymerových materiálů dotovaných Bi a jejich porovnání s materiály, kde vedle Bi, který zde byl obsaţen v koncentraci do 1% byly jako kodopanty uţity prvky Dy3+, Ce3+ a Y3+. O výsledcích výzkumu vzorků opticky aktivních polymerových materiálů viz odst. 4.2.3. V části našeho výzkumu týkajícího se návrhu, realizace a měření vlastností vybraných polymerových planárních součástek integrované optiky byl proveden návrh a stanoveny technologické postupy realizace, s ohledem na vyuţitelnost těchto součástek pro hybridní integrované optoelektronické struktury (HIOS), viz. kap. 3. Cílem bylo nahradit mikrooptickou část HIOS planárními polymerovými strukturami integrované optiky. S ohledem na vlastnosti studovaných optických akrylátových a epoxidových polymerových materiálů byly zvoleny z celé řady zkoušených materiálů polymery PMMA, PMMI a ENR, které jsou vhodné pro realizaci planárních optických polymerových vlnovodů a dalších planárních součástek jako optických výkonových a vlnových děličů, směrových vazebních členů, optických Braggovských vlnovodných mříţek a.p. Jako perspektivní materiály v našem dalším výzkumu pak jsou Ormoclad/Ormocore pro moţnost nastavení i velmi malých rozdílů indexu lomu chemickou cestou, které umoţňují dosáhnout u SM optických struktur rozměrů, vhodných pro realizaci motivů UV litografií.

47

Na počátku jsme se zaměřili na návrh geometrických parametrů polymerních planárních celoplošných 2D a 3D laterárně vymezených optických vlnovodů. Návrh rozměrů vycházel z numerického řešení disperzní rovnice a vlnové rovnice pro jednotlivé vrstvy planárního vlnovodu. Ten byl dále upřesněn simulací s vyuţitím programového balíku BeamPROP (BMP)od firmy R Soft, které vyuţívají skalárního řešení Helmholtzovy rovnice metodou konečných prvků. Některé specielní MM vlnovody pak byly navrţeny programem Opticad, který řeší optické objekty paprskovou metodou. Simulace v programu BMP resp. FullWAVE (FW), který pracuje s úplným vektorovým řešením Maxwelových rovnic, byly vyuţity také k návrhu sloţitějších planárních struktur integrované optiky, jako je SM vlnový triplexní člen s kruhovými rezonátory. Pro MM řešení pak výkonový dělič s vlnovodnými filtry. Těchto prvků bylo vyuţito pro řešení planárního optického triplexního členu pro optickou část WDM transceiveru. Technologický návrh optických planárních součástek vycházel z výše uvedených optických polymerů a řešil metody realizace těchto součástek. Pro optické součástky, realizované z vybraných typů polymerů, byla pouţita optická UV litografie, u omezeného počtu vybraných vzorků elektronová litografie. Vlastnosti navrţených a realizovaných vzorků jsou uvedeny v kap. 4.2.4. a 4.2.5. Variantně byl pro realizaci optického hřebenového planárního vlnovodu PMMA odzkoušen nový postup vyvinutý na spolupracujícím pracovišti VŠCHT, spočívající v ovlivňování polárních vlastností molekul (indexu lomu) polymeru PMMA a jeho povrchové morfologie elektrickým polem za současného působení teploty [A15], viz kap. 4.2.2. Řešení vlnově selektivních planárních polymerových optických prvků s vyuţitím Braggovských vlnovodných mříţek, vhodných jak pro informatiku, tak pro senzoriku probíhá v současnosti řešeném grantu MPO-TIP [G3], orientovaném na periodické planární struktury. Při řešení grantu bylo vyuţito nové patentované metody zhotovení planárních optických mříţek tepelně mechanickým tvářením polymeru laserovým svazkem, vyvinuté na VŠCHT v Praze [89]. Tato metoda umoţňuje vytváření periodických polymerových mříţek aţ do submikronových rozměrů teplo indukujícím zářením, viz dílčí výzkumná zpráva [A37]. Braggovské vlnovodné mříţky byly realizovány ve dvou základních variantách. Tepelným tvářením hřebene polymerového vlnovodu ENR a tepelným tvářením polymeru PMMA, naneseného na dielektrický skleněný kanálkový vlnovod s výměnou iontů Ag+ Na+. Zvolené postupy a první výsledky jsou uvedeny viz kap. 4.2.6 4.2.2 Technologie realizace optických vlnovodů a Braggovských mříţek ovlivňování indexu lomu a povrchové morfologie optických polymerů. V rámci výzkumných prací na grantu [G2] bylo navázáno na významné výsledky výzkumných prací realizovaných na VŠCHT při výzkumu ovlivňování indexu lomu [58] a povrchové morfologie [57] opticky transparentního PMMA vyplývajících z Taylorovy teorie s cílem vyuţít tyto jevy pro realizaci kanálkových a hřebenových optických vlnovodů, nanovlnovodů a Braggovských mříţek resp. nanomříţek [89]. V rámci těchto přípravných prací bylo zjištěno, ţe v rozsahu působení elektrického pole do 12 kV/cm lze ovlivnit index lomu v rozsahu 1,41 aţ 1,475. Rovněţ probíhá působením elektrického pole změna povrchové morfologie v rozsahu koeficientu povrchové nerovnosti Ra = 0,12 aţ 0,28.

48

Na pracovišti VŠCHT ve spolupráci s FEL ČVUT byly v rámci řešení grantu [G2] ověřeny a rozpracovány nové technologické postupy realizace struktur integrované optiky zaloţená na tvarovém zpracování polymerních tenkých vrstev PMMA (polymethylmetakrylat) s vyuţitím silového působení elektrického pole za teploty, blízké teplotě tavení polymeru (Tf = 275°C). Polymerní vrstva byla vyhřátá po celé ploše a současně bylo lokálně aplikováno elektrické pole pomocí elektricky vodivé masky ve tvaru úzkého prouţku po dobu 2 hodin. V místě silového působení elektrického pole došlo k vytaţení části polymerní vrstvy [A28]. Po zchladnutí v elektrickém poli lze tímto způsobem tvarovat polymerní vrstvu do útvarů s mikroskopickými rozměry (stovky nm aţ desítky mikrometrů) a tak ji vyuţít pro konstrukci hřebenového vlnovodu případně dalších sloţitějších prvků integrované optiky obr. 4.9.

Height (µm)

4

2

0

800

900

1000

1100

Length (µm)

a)

b)

Obr. 4.9 Kanálkový vlnovod PMMA vytvořený za působení teploty a selektivní el. pole [A28]. a) Fotografie z optického mikroskopu b) Záznam z Talystepu vytaţené části polymerní vrstvy v řezu.

49

Pro ověření vlnovodných vlastností byly vytvořeny vzorky obloukových vlnovodů a Y rozbočnice, do kterých bylo zavedeno záření 633 nm, prokazující ohyb resp. rozbočení záření, vzniklé vlnovodnými vlastnostmi hřebenového polymerového vlnovodu, viz. obr. 4.10 a,b. a)

b)

1 mm

A

1 mm

B

C Obr. 4.10: Vedení záření 633 nm elektricky a tepelně profilovaným hřebenovou vlnovodnou strukturou [A28] a)Obloukový vlnovod b) rozbočení Y- A) Maska, B) realizovaná Y rozbočnice, C) rozbočená světel stopa 50

V rámci řešení grantového projektu [G3] viz. výzkumná zpráva [A36] je rozpracován i další technologický postup [89], zaloţený na tvarovém zpracování polymerních tenkých vrstev s vyuţitím tepelného a současně silového působení laserového svazku. Tento jev je opět zaloţený na Taylorově teorii [61] a umoţňuje realizaci polymerních periodických struktur s mikronovými a submikronovými rozměry, coţ umoţní realizaci vlnově selektivní termoopticky profilované Braggovské mříţky a mříţek s dlouhou periodou, viz. obr. 4.11, konstrukci opticky selektivního vlnovodného filtru [A35] a následně, s vyuţitím MM planárního výkonového děliče [90], také MUX/DEMUX vlnové rozbočnice.

Obr. 4.11: Vlnovodný filtr s Braggovskou mříţkou [A35] Technologie realizace polymerních Braggovských mříţek je následující, viz. obr. 4.12 [89]. Na křemíkové podloţce s vrstvou SiO2 je metodou spin-coating připravena vrstva PMMA, nebo ENR (SU8). Na tuto vrstvu metodou dip-coating byla nanesena tenká vrstva porfyrinu, který velmi účinně absorbuje záření v oblasti vlnových délek 400 aţ 420 nm. Tato struktura byla podrobena periodickému ohřevu pomocí zaostřeného laserového svazku konfokálního mikroskopu s vlnovou délkou 405 nm, který skenuje plochu aţ 2000x200 m. Vzorek struktury s polymerní vrstvou se současně mechanicky pohybuje ve směru skenovaného svazku. Polymerní vrstva je takto periodicky tepelně lokálně ohřívána (dáno rychlostí skenování laserového svazku) na teplotu větší neţ teplota měknutí Tf.. Při současném mechanickém pohybu dochází i k periodickému tlakovému působení a tím i periodické změně tloušťky vrstvy.

Obr. 4.12: Schéma působení skenovaného laserového svazku a současného mechanického pohybu vzorku na tvarování polymerní vrstvy [A36].

51

Periodicita či mříţková konstanta takto připravených mříţek je aţ 0,3 m. Je zřejmé, ţe je v technologických moţnostech této metody tj. volbou skenovací rychlosti laserového svazku a rychlosti pohybu vzorku, dosáhnout mříţkové konstanty i řádu desetin aţ několik desítek mikrometrů. Změnou rychlosti pohybu vzorku lze plynule měnit i mříţkovou konstantu, coţ je zásadní výhodou pro optimalizaci Braggovské mříţky s prostorově modulovaným profilováním. Příklady vyrobených periodických struktur (optických nanomříţek) jsou uvedeny na obr. 4.13 a obr. 4.14. Lze předpokládat vyuţití takto vyrobených mříţek jako optických filtrů, a nebo jako vazebních mříţek k navázání optického signálu do kanálkových vlnovodů. Tento popsaný postup bude rozpracován a vyuţit k ověření polymerních periodických struktur s mikronovými a submikronovými rozměry, coţ umoţní realizaci vlnově selektivní termoplasticky profilované Braggovské nanomříţky a mříţky s dlouhou periodou, vyuţitelné pro konstrukci opticky selektivního filtru a následně MUX/ DEMUX vlnové rozbočnice.

Obr. 4.11. Povrch a hloubkový profil připravené polymerní mříţkové struktury z AFM mikroskopu [A36].

Obr. 4.12. Povrch a hloubkový profil připravené polymerní mříţky, fotografie z konfokálního mikroskopu [A36]. Výhodou navrţeného postupu je moţnost výroby náročných periodických polymerních nanostruktur mimořádně jednoduchým postupem. Postup umoţňuje přípravu mříţek s velmi přesnou, předem určenou polohou, geometrickou orientací, periodicitou a amplitudou. Aplikace současného monitoringu odraţeného laserového záření poskytuje moţnost definovat pozice mříţky s přesnosti 10 nm a její orientací 52

s přesností 1°. Periodicita mříţek se můţe měnit od stovek nanometrů do desítek mikronů. Amplituda mříţek se pohybuje od několika do stovek nanometrů. Není třeba sloţité a náročné elektronové litografie či holografie a neméně náročného leptání pomocí reaktivního iontového tvarování povrchu polymeru (RIE Reactive Ion Etching). Výše uvedený postup řeší i jeden z klíčových prvků integrované fotoniky, protoţe jej lze vyuţít jako optický reflexní filtr nebo optický vazební prvek pro navázání záření do polymerního vlnovodu Pro kvalitní slučování nebo oddělování hustého spektra vlnových délek jsou zapotřebí součástky s velmi účinnou difrakcí, coţ také umoţňuje výše popsaný princip.

4.2.3 Výzkum spektrálních vlastností vybraných polymerových materiálů dotovaných opticky aktivními ionty vzácných zemin, bizmutu, ceria a yttria. Studium opticky aktivních polymerových materiálů probíhal na katedře mikroelektroniky ve skupině optoelektroniky od roku 2005. Okrajově byly v těchto letech také zkoumány optické vlastností aktivních dotací polovodičových materiálů zejména GaN a uhlíku [A37], [A38]. Pro naše výchozí výzkumné práce byl zvolen PMMA [A39], se kterým byly na našich pracovištích největší zkušenosti a ENR jako perspektivní polymer s nízkým útlumem v telekomunikačních útlumových oknech, vysokou stabilitou parametrů a vyšší hodnotou indexu lomu [A30]. Vzorky vrstev polymerů, byly připraveny metodou spin-counting na Si, Si/SiO2, nebo skelných podloţkách. Výchozím materiálem pro dotace aktivátory byly chloridy a fluoridy některých vzácných zemin, které byly rozpuštěné ve vhodném roztoku, a přidané do polymeru s objemovými koncentracemi mezi 1 aţ 20%. Tenké vrstvy polymeru PMMA a ENR byly dotovány vzácnými zeminami - Er3+ [A29], Er3+/Yb3+ [A30], Dy3+ [A31], Tm3+ [A32], Ho3+, Eu3+, Nd3+ [A33]. Náš výzkum byl zaměřen na experimenttální určení optimálního mnoţství dotace pro maximální luminiscenci s ohledem na typ dotace a typ základního polymeru. Při vyšších mnoţstvích dotujícího aktivátoru docházelo totiţ ke zhášení luminiscence vzájemným ovlivňováním atomů aktivátorů klastrováním [91], viz 4.1.2. Byla sledována infračervená absorpční spektra FT-IR na přítomnost C-H a O-H sloţek s vyuţitím Bruker IFS 66/v FTIR spektrometru, transmisní spektra na UV-VISNIR spektrofotometru Shimadzu UV-3600 a luminiscenční spektra, měřená při pokojové teplotě i při podchlazení 4K (He), Z měření v infračervené oblasti vyplývá přítomnost uhlíko-vodíkových (C-H) a vodíko-kyslíkových (O-H) sloţek spojených s hydroskopickými vlastnostmi, jak vlastních polymerových materiálů, tak ve větší míře s fluoridy a chloridy výše uvedených vzácných zemin, které jsou silně hydroskopické [A23] a přítomnost těchto iontů výrazně ovlivňovala absorpci vzorků v rozsahu 2800 aţ 3600 cm-1, viz obr. 4.13. Z obrázku, uvedeného jako příklad absorpční spektrální odezvy, jsou patrná spektrální maxima O-H vazeb na 3349 resp. 3380 cm-1 a C-H vazeb polymerové matrice na 2953 resp. 2965 cm-1[A48]. Další absorpční maxima 2953 resp. 2965 cm-1 vznikají od C-H vazeb polymerové matrice.

53

Obr. 4.13 Infračervená absorpční spektra a) PMMA vzorků dotovaná Er 3+ s vyuţitím ErCl2 , b) ENR vzorky dotované Nd3+ s vyuţitím NdCl2 [A33]. Pokud však tyto spektrální absorpční charakteristiky nezasahují do NIR, tedy nad 5000 cm-1, nedojde k ovlivnění fotoluminiscenčních spekter iontů vzácných zemin pro námi sledovaná optická pásma, navíc tato absorpce byla velmi slabá. Z naměřených transmisních spekter je dobře patrná přítomnost některých absorpčních pásů odpovídajících termům v atomech daného aktivátoru. Tyto úrovně jsou charakteristické poklesy transmise. V [A29] byly uvedeny transmisní spektra závislosti velikosti absorpce na koncentraci vzácné zeminy v polymeru PMMA dotovaného Er3+ a Yb3+ a také polymeru ENR s dotací Nd3+ a Dy3+. Vybraná odměřená transmisní spektra aktivátorů, která odpovídají vzácným zeminám u nichţ byla následně pozorována také fotoluminiscence jsou dále hodnocena a vybraná uvedena na obr. 4.14. a obr. 4.15.

Obr. 4.14 Transmisní spektra PMMA dotované a) Er3+ ionty, b) Er3+ + Yb3+ ionty (Er3+ je 1%) [A29]. 54

V první řadě jde o pět úrovní Er3+ s výrazným absorpčním pásem 2H11/2 pro vlnovou délku 520 nm, ve druhém Er3+/Yb3 jde o pás 2F5/2 od atomů Yb3+ pro vlnovou délku 980 nm, která se vyuţívá pro čerpání Er-optických zesilovačů. Ke generaci záření 1550nm dochází pak u obou typů dotace přechodem 4I13/2 - 4I15/2, který však nebyl danou metodou měření zaznamenán.

Obr. 4.15 Transmisní spektra polymeru ENR dotované a) Nd3+ ionty, b) Dy3+ (Er3+ je 1%) [A33]. Transmisní spektrum Dy3+,viz. obr. 4.15, je charakterizováno absorpční pásy 6F7/2 pro vlnovou délku 906 nm a 6F3/2 pro 807 nm. Z hlediska aplikace pro optické zesilovače je pak významný přechod 6H9/2 / 6F11/2 - 6F15/2 pro generaci záření 1300 nm. Studovaná luminiscenční spektra byla měřena jak při podchlazení na 4K, tak při pokojové teplotě. U vzorků s aktivátory Eu3+ a Nd3+nebyla ani při podchlazení pozorována fotoluminiscence, u vzorků Tm3+ v ENR matrici byla při podchlazení na 4K sledována velmi slabá odezva při čerpání 632,8 nm (He-Ne laser) na vlnových délkách 1074 a 1420 nm. Měřená luminiscenční spektra ukázala na nejvyšší účinnosti luminiscence pro oblast třetího optického okna u PMMA a ENR matrice s aktivátorem Er3+ a s ko-dopantem Yb3+. Zvyšováním koncentrace Er3+ v dotačním disolventním roztoku na 10% a nebo kombinací 1% opticky aktivního Er3+ s 10% ko-dopantu Yb3+, bylo dosaţeno podstatného zvyšení luminiscence v oblasti 1550 nm. Pro oba polymery mělo zvýšení dotace nad 10% za následek pohasínání luminiscence, vznikající klastrováním atomů aktivátorů. Odměřená fotoluminiscenční spektra jsou na obr. 4.16, 4.17. Čerpání pouţívá polovodičový laser 980 nm a zářivá odezva přechodu 4 I13/2 -4I15/2 je na 1540 nm případně 1538 nm.

Obr. 4.16 Fotoluminiscenční spektra PMMA s dotací a) Er3+ ionty, b) Er3+ + Yb3+ ionty (Er3+ je 1%) [A33]. 55

Pro ENR však zvyšování ko-dotace Yb3 nad 5% jiţ nemá vliv na intenzitu fotoluminiscence, viz obr. 4.17. Ovlivňování vlnové délky typem matrice lze také dokumentovat na posuvu spektrálního maxima na 1538 nm.

Obr. 4.17 Fotoluminiscenční spektra ENR s dotací a) Er3+ ionty, b) Er3+ + Yb3+ ionty [A33]. Pro oblast druhého optického okna byla fotoluminiscence sledována u polymeru ENR s dotací ionty Dy3+ přechod 6H9/2 / 6F11/2 - 6F15/2 pro podchlazení 4K [A31], [A33]. Excitace byla zajišťována polovodičovým laserem 827 nm a He-Ne laserem 632,8 nm. Při podchlazení na 4K byla fotoluminiscence pozorována pro čerpání oběma vlnovými délkami a to silnější pro 1340 nm při čerpání 632,8 nm, kde optimální mnoţství Dy3+ bylo 10% a slabší také na 1309 nm při buzení 827 nm. Zde optimální koncentrace aktivátoru byla 15%. Fotoluminiscenční spektrální průběhy jsou uvedeny na obr. 4.18. Na průběhu je patrný vliv zhášení fotoluminiscence pro dotaci 15% Dy3+vlivem předotování polymeru ENR atomy aktivátoru.

Obr. 4.18. Fotoluminiscenční spektra polymeru ENR s dotací Dy3+ při podchlazení na 4K a) excitační vlnová délka 632 nm, b) excitační vlnová délka 827 nm [A33].

56

Dlší výzkumné práce byly zaměřeny na oblast fotoluminiscence v polymerech typu ENR dotovaných Bi, viz obr 4.20 [A40]. Na tyto úvahy nás přivedla rozsáhlá řada publikovaných prací, věnovaných fotoluminiscenci na křemenných sklech dotovaných Bi [83]. Velmi zajímavou vlastností je vlnová širokopásmovost fotoluminiscence, která překrývá téměř celou oblast vlnových délek druhého a třetího optického okna. Při dotování polymerového materiálu ENR prvkem Bi 3+ nebylo této širokopásmovosti dosaţeno. Tato fotoluminiscence probíhala v okolí oblasti vlnových délek 1280 nm aţ 1300 nm. Oproti dotacím s Dy3+ však nebylo třeba měřené vzorky podchlazovat a měření probíhala při pokojové teplotě. Zvýšení optického výkonu fotoluminiscence jak uváděla práce [84] a další, lze dosáhnout vyuţitím kodopantů (Dy3+, Yb3+). Měřením fotoluminiscenčních spektrech ENR dotovaného Bi bylo moţno tyto závěry potvrdit. Jako kodopant bylo vyuţito Dy3+, Ce3+, Y3+, které dle uvedených prací mohou mít velký koaktivační účinek. Jako u předchozích měření byla nejdříve změřena transmisní spektra ENR dotovaného 1% koncentrací Bi. Příklad transmisních spekter s kodopanty je uveden na obr. 4.19. Z měření při vyšších koncentracích Dy3+ jsou dobře patrné polohy jednotlivých absorpčních pásů při nižších koncentracích však pásy mizí. Transmisní spektrum dobře ukazuje polohy pěti absorpčních pásů, z nichž výrazné jsou pásy 2F5/2 odpovídající 804 nm a 2F7/2 odpovídající 906 nm. Měření neprokázalo existenci absorpčního pásu 6H5/2 odpovídající vlnové délce 973 nm. Měření ukazuje i přítomnost spektrálního pásu X odpovídajícího vlnové délce 1436 nm. Tento pík je spojen s existencí disprosia a mohl by odpovídat pásu 6H11/2. Na měření transmise pro kodopanty Ce3+, Y3+ nejsou patrné žádné absorpční píky, což bylo očekáváno, protože tyto prvky nemají pro měřené vlnové délky žádné absorpční pásy. Měření fotoluminiscenčních spekter při pokojové teplotě jsou uvedena na obr. 4.20 až obr. 4.22.

Obr. 4.19 Transmisní spektra polymeru ENR dotovaného Bi (Bi je 1%) při různých koncentracích kodopantů a) Dy3+ ionty, b) Ce3+a Y3+ ionty [A40].

57

Obr. 4.20. Fotoluminiscenční spektra pro ENR dotovaný Bi při pokojové teplotě. a) excitační vlnová délka 980 nm, b) excitační vlnová délka 808 nm [A40].

Obr. 4.21 Fotoluminiscenční spektra pro ENR dotovaný Bi (Bi dotace je 1%) při pokojové teplotě. Jako kodopant je Ce3+, a) excitační vlnová délka 980 nm, b) excitační vlnová délka 808 nm [A40].

58

Obr. 4.22 Fotoluminiscenční spektra pro ENR dotovaný Bi (dotace 1%) při pokojové teplotě a čerpací vlnové délce 808 nm, a) jako kodopant je Di 3+, b) jako kodopant je Y3+ [A40]. Z naměřených výsledků je patrné, ţe fotoluminiscenci v ENR výrazně ovlivňuje přítomnost Bi při měření bez kodopantů a projevuje se pohasínání fotoluminiscence podobně jako v ostatních případech dotací při koncentraci nad 15%. Při přítomnosti kodopantů jako jsou lanthanoidy Ce3+, Di3+, ale také Y3+ dochází nezávisle na procentním obsahu Bi v polymeru ENR k aktivaci fotoluminiscence při pokojové teplotě. Maximální procentní obsah kodopantu, kdy docházelo k zhášení fotoluminiscence je opět 15 aţ 20%. Dotace ENR polymeru Bi s fotoluminiscencí v oblasti 1280 až 1300 nm může být využitelné především u planárních polymerových optických zesilovačů a vlnovodových laserů pracujících v oblasti druhého optického okna.

4.2.4 Návrh a realizace vybraných typů optických polymerových planárních vlnovodů U optických planárních vlnovodů bez aktivátorů pro propojování dalších optických členů v optických a optoelektronických integrovaných obvodech byl výzkum zaměřen na návrh a realizaci optických polymerových vlnovodů s útlumem srovnatelným s planárními vlnovody na dielektrických materiálech jako je SiO2, SI3N4, optická skla nebo LiNbO3, s kvalitní fasetou, stabilními optickými vlastnostmi a snadnou realizací ve výrobě [A4]. K financování těchto prací bylo vyuţito prostředků z grantů [G2] a výkumného záměru [G1]. Geometrické rozměry byly určeny primárně návrhem s vyuţitím modifikované dispersní rovnice [95], ze které lze stanovit příčné rozměry planárního vlnovodu, počet vedených vidů a kritickou tloušťku. Navrţené rozměry pak byly ověřeny a doladěny simulací v programu BMP od firmy R Soft. V rámci výpočtů a následných simulací, které byly podkladem pro technologický návrh a byly neustále zpřesňovány se ukázalo, ţe oba příčné rozměry vlnovodů tedy tloušťka h a šířka w vycházela pro vyuţité typy polymerů a jednovidový (SM) reţim v okolí, nebo dokonce pod 1 m viz tab. 4.2 aţ 4.4. Tato skutečnost je následkem relativně velkého kontrastu indexu lomu na rozhraních jádra a pláště polymerových vlnovodů n~3 – 59

15 % a ukazovala na problémy s litografickou fází realizace optických SM planárních vlnovodů a také s optickou vazbou do těchto vlnovodů při navázování záření z vláknových optických vlnovodů a nebo optoelektronických polovodičových zářičů. Vlastní vlnovodné struktury byly následně realizovány ve dvou topologických variantách - jako hřebenové planární vlnovody, obr. 4.23 a,c nebo kanálkové vlnovody, obr. 4.23 b. Výchozím materiálem jádra vlnovodu byl vzhledem k výborné dlouhodobé stabilitě parametrů a fotorezistivní, vlastnostem vybrán v prvé řadě polymer – Epoxy novolak resin (ENR) NANOTM SU-8 a SU-10 (Micro Resist Technology GmbH), variantně byl vyuţit polymethylmethakrylimid (PMMI) Pleximid, který má výhodnější parametry z hlediska optického útlumu v NIR oblasti, neţ kupř. PMMA. Pro SU8 hřebenové i kanálkové polymerové vlnovody byla vyuţita UV litografie, motivy byly realizovány na podloţkách Si s odělovací mezivrstvou SiO2 [A41], a variantně na GaAs s odělovací mezivrstvou SiO2 nebo z vyuţitím polymerového materiálu CYTOP [A42], pouze hřebenová varianta. Při realizaci kanálkových vlnovodů byl uplatněn technologický postup Fischbeckův [96], který předpokládá leptání motivu v oddělovací vrstvě, která se následně vyplní polymerem, který tvoří jádro vlnovodu. Tato vrstva musí být nanesena ve větší tloušťce, dle hloubky kanálku, přesný technologický postup realizace vlnovodů, viz. [A43]. Vyuţitím polymeru CYTOP v oddělovací vrstvě jsme sledovali především zjednodušení technologie realizace optických planárních vlnovodů o proces termické oxidace křemíku, nebo chemického napařování oddělovací vtstvy SiO2 na GaAs (PECVD). Jako krycí vrstvy bylo uţito polymeru PMMA. Oddělovací mezivrstva slouţí k nastavení podmínek totálního odrazu, tedy sníţení indexu lomu, mezi substrátem a jádrem planárního vlnovodu. Tloušťka oddělovací vrstvy musí zaručit, aby energie evanescentní vlny vyvázřená do substrátu byla dostatečně malá (< 0,1%). Monokrystalická podloţka GaAs (100) umoţňuje relativně snadno vyrobit štípáním kolmou a opticky kvalitní hranu kanálkového vlnovodu pro vstupní a výstupní fasetu vlnovodu. Vlnovody z polymeru PMMI byly provedeny pouze v kanálkové variantě, která předpokládá maskování a leptaní oddělovací vrstvy a ne aktivního jádra vlnovodu. Toto je také výhoda trohoto postupu, který do aktivní vrstvy jádra nezanáší ţádné povrchové poruchy, vzniklé jeho odleptáváním. Výsledky návrhu, realizace a měření jsou uvedeny v [A44].

60

Obr. 4.23. Polymerové optické planární vlnovody a) Hřebenový vlnovod ENR na Si podloţce s oddělovací vrstvou SiO2 b) Kanálkový vlnovod ENR na Si podloţce s oddělovací vrstvou SiO2 c) Kanálkový vlnovod ENR realizovaný na polymerní podloţce Cytop K návrhu geometrických rozměrů polymerových optických vlnovodů pro daný počet vidů lze pouţít 2D nebo 3D model [95], který je však nepoměrně sloţitější a předpokládá šíření tzv. hybridních vidů HEmp, EHmp. V našem případě, kdy je vrstva jádra většinou velmi tenká, ve směru kolmém na laterární můţeme šíření elektromagnetivké vlny vyjádřit 2D aproximací. Pro určení kritických rozměrů vlnovodu pro šíření jediného vidu v jádře optického vlnovodu byly vyuţity pro TE vlnu vztahy (4.3), (4.4) a pro TM vlnu (4.5), (4.6), které lze odvodit z dispersní rovnice (4.2). Tato rovnice je odvozena z podmínky příčné fázové rozonance formulované rovnicí (4.1) [112].

2k fx h

fs

fc

2m

(4.1)

kde kfx je průmět modulu vlnového vektoru optické vlny do příčného směru vlnovodu stotoţněného s osou x, fs a fc jsou fázové posuvy při totálním odrazu na dielektrických rozhraních mezi jádrem, pláštěm a substrátem, m je celé číslo m = 0,1,2,3…

61

k0 h n

2 f

neff

2

2

nf

arctg

neff

2

n 2f

nS

nS2 neff

arctg

2

2

nf

neff n 2f

nC

2

nC2 neff

2

m

(4.2)

kde neff je efektivní index lomu, je koeficient závislý na polarizaci. Pro TE je =0, pro TM je =1. Grafickým nebo numerickým řešením dispezní rovnice (4.2) pak lze určit závislost efektivního indexu lomu neff na normované vlnové délce, která váţe pro dané geometrické rozměry vlnovodu počet šířených vidů. Pokud předpokládáme, ţe ns > nc pak pro mezní podmínku vedení vidu platí ns = nf. Z toho jednoduchou matematickou úpravou dispersní rovnice (4.2), lze odvodit vztahy pro určení kritické tloušťky jádra vlnovodu hcm a počtu vedených vidů m pro vlnu TE (4.3), (4.4) a kritické šířky vlnovodu wcm a počtu vedených vidů p pro vlnu TM (4.5), (4.6). Pro kritickou vlnovou délku c platí vztahy (4.7), (4.8). Těchto závislostí bylo vyuţito k určení kritických rozměrů hcm a wcm pro TE a TM vlnu polymerových hřebenových i kanálkových vlnovodů, viz obr. 4.1 pro jednovidové šíření optické vlny [A43]. Odvozené vztahy pro tloušťku substrátové a plášťové vrstvy hclad,m a hsub,m a jejich odvození je uvedeno v dodatku B. Pro TE vlnu platí m

Int

2

h n 2f

nS

2

1

hcm

n 2f

2

nS

m

2

nC2

n 2f

0

0

2

nS

arctg

nS

arctg

nS 2

2

nC2

n 2f

nS

2

(4.3)

(4.4)

Pro TM vlnu platí p

Int

2

h n

2 f

nS

1

2

arctg

0

wcm

0

2

n 2f

nS

2

p

arctg

2

nf

nS

nC

nf nC

2

2

nC2

n 2f

nS

2

nC2

nS n 2f

nS

2

2

(4.5)

(4.6)

Mezni vlnovou délku 0c pro TE vlnu lze vyjádřit jednoduchou úpravou z výše uvedených rovnic (4.7)

0c

2 h n 2f

nS

2

m

arctg

nS n 2f

2

nC2 nS

2

(4.7)

Pro TM vlnu platí

62

0c

2 h n

2 f

nS

2

m

nf

arctg

2

nC

nS n 2f

2

nC2 nS

(4.8)

2

kde hcm resp. wcm je mnimální tloušťka respektive šířka vlnovodné vrstvy pro m–tý resp. p-tý vid, m resp. p je počet vidů, np resp. ns jsou index lomu pláště a substrátu, nf je index lomu jádra vlnovodu, je vlnová délka záření ve vakuu vedeného optickým vlnovodem. Při návrhu byly vyuţity indexy lomu pro jednotlivé polymerové materiály, které uvádí tab. 4.3. Pro jednovidový ţebrový vlnovod, kde m=1 a vybrané vlnové délky jsou vyčíslené hodnoty tlouštěk uvedeny v tab. 4.4.

Tab. 4.3 Tabulka měřených indexů lomu v závislosti na vlnové délce pro vyuţité materiály optických planárních vlnovodů [97].

,

Wavelength (nm)

Cytop

SiO2

PMMA

PMMI (8805)

SU8(ENR)

650

1,339

1,465

1,486

1.529

1,598

850

1,339

1,460

1,481

1,523

1,589

1310

1,338

1,456

1,478

1,519

1,582

1550

1,337

1,456

1,477

1.518

1,582

Tab. 4.4 Geometrické rozměry SM ţebrového vlnovodu ENR s pláštěm PMMA a SiO2 dielektrickou oddělovací vrstvou pro TE0 , TM0 vlnu [A32]. Wavelength (nm)

hc0 ( m)

hSub,0 ( m)

hClad,0 ( m)

wc,0 ( m)

650

0,7

0,78

0,90

0,51

850

0,74

1,03

1,2

0,68

1310

1,15

1,61

1,89

1,06

1550

1,36

1,91

2,23

1,25

63

Tab. 4.5 Geometrické rozměry SM ţebrového vlnovodu ENR s pláštěm PMMA a Cytop polymerovou oddělovací vrstvou pro TE0 , TM0 vlnu [93]. Wavelength (nm)

hc0 ( m)

hSub,0 ( m)

hClad,0 ( m)

wc,0 ( m)

650

0,45

0,53

1,09

0,37

850

0,60

0,70

1,45

0,50

1310

0,93

1,09

2,29

0,78

1550

1,10

1,30

2,72

0,92

Z výsledků návrhu je patrné, ţe rozměry vlnovodů jsou mimo moţnosti realizace běţnou UV litografií a bylo by je moţno realizovat pouze elektronovou litografií se suchým leptáním, která má ovšem jistá rozměrová omezení, co se týče velikosti motivů. Poněkud lépe vychází hřebenový vlnovod s SiO2, protoţe kontrast indexu lomu oddělovací a vlnovodné vrstvy je menší. Jde o důsledek relativně velkého kontrastu indexů lomu =0,104 u rozhraní ENR/PMMA aţ 0,244 u ENR/Cytop pro 1310 nm. Dalším problémem u takto konstruovaných vlnovodů je přímé navázání optického záření do planárního vlnovodu z vlákna, nebo z aktivní vrstvy polovodičové LD přes fasetu optického vlnovodu. Tuto vazbu je moţné realizovat prostřednictvím Braggovské mříţky, nebo vlnovodného planárního klínu [113]. Srovnatelné parametry a jednodušší realizaci lze dosáhnout vyuţitím jednovidových kanálkových vlnovodů viz obr. 4.1b. Metodou návrhu těchto vlnovodů jsme se také zabývali v [A44]. Základem je známý Fischbeckův návrh [93], vyuţívající kanálek v oddělovací vrstvě t, který je následně zalit polymerovou vrstvičkou definované tloušťky h. Vztah odvozený Fischbeckem určující poměr šířky kanálku w a tloušťky vlnovodné vrstvy h pro jednovidový reţim je uveden v (4.9). w h

t h

(4.9) 2 t 1 h Rovnice platí za podmínky (4.10), která zaručuje dostatečné vlnovodné vlastnosti kanálku, vzhledem k tloušťce vlnovodné vrstvy. 0,3

h

(4.10)

2t

Šířku kanálku w pak lze určit ze vztahu (4.11) modifikací vztahu pro krytickou tlošťku vlnovodné vrstvy (4.4) w

0

2 n

2 f

nS

2

(4.11)

Sníţení velkého kontrastu indexu lomu u vlnovodů s ENR jádrem bylo realizováno návrhem jednovidových kanálkových vlnovodů s PMMI jádrem. Výsledky výpočtů pro 64

3D model PMMI 8813 kanálkový vlnovod uvádí tab. 4.6. Výsledky návrhu klíčových parametrů hcm a wcm jádra vlnovodu vycházely větší o 20 aţ 25%. Tab. 4.6 Geometrické rozměry SM kanálkového vlnovodu PMMI 8813 s pláštěm PMMA a SiO2 dielektrickou oddělovací vrstvou pro HE01 vlnu [A44]. Wavelength (nm)

t ( m)

h ( m)

hSub ( m)

hClad ( m)

w ( m)

650

0,74

1,35

0,97

1,23

0,65

850

0,97

1,76

1,27

1,62

0,85

1310

1,50

2,73

1,95

2,52

1,31

1550

1,78

3,24

2,32

2,98

1,55

Z toho vyplývá, ţe ačkoli hodnoty klíčových parametrů kanálkového vlnovodu vychází příznivěji neţ u hřebenových vlnovodů, stále trvá nutnost vyuţití elektronové litografie se suchým leptáním. Dále výpočty ukazují na nutnost realizace oddělovací vrstvy v tloušťce aţ 6 m, aby se do ní vešel i vlnovodný kanálek a vrstva současně plnila i oddělovací funkci [A45]. Technologické postupy realizace obou typů optických planárních vlnovodů se dosti zásadně liší, jak jiţ bylo naznačeno [A42]. U hřebenového vlnovodu byl polymer ENR na substrátu Si/SiO2 respektive Si/Cytop plošně odstředěn metodou spin-counting a následně vytvořen motiv integrované struktury běţným UV litografickým procesem s následným odleptáním, kterým byly vytvořeny vlnovody s šířkou hřebene 5 m aţ 100 m a s tloušťkou 2 m. Vlnovod byl překryt polymetylmetakrylátem (PMMA), který tvořil plášť. U kanálkových vlnovodů je nejdříve vytvořen ve vrstvě SiO2 kanálek maskováním a leptáním, na který je opět metodou spin-counting nanesena vrstva polymeru ENR resp. PMMI a následně ochranná krycí vrstva PMMA. Výpočtem bylo určeno, ţe v rozsahu vlnových délek 650 aţ 1550 nm se pro námi realizovaný nejuţší vlnovod 5 m vidové sloţení mění v rozsahu 9 aţ 3 vidy TE,TM [97]. Pro stanovení útlumu optických vlnovodů se nejčastěji pouţívá rozptylová metoda, nebo metoda dvou délek. Obě metody byly vyuţity pro stanovení průměrného měrného útlumu vyrobených vzorků. Výsledky měření ukazují, ţe průměrné hodnoty měrných útlumů hřebenových a kanálkových vlnovodů Si/SiO2 /ENR/PMMA a GaAs/SiO2 /ENR/PMMA se pohybují v rozsahu 3,2 dB/cm aţ 1dB/cm pro vlnové délky 650 nm aţ 1550 nm [A41], [A42], [A43]. Nejlepší vzorky dosahovaly hodnot kolem 0,5 dB/cm. V případě vlnovodů na substrátech Si/Cytop a GaAs/Cytop se optický útlum pohyboval kolem 5 dB/cm. Vyšší optický útlum v tomto případě je způsoben větší drsností povrhu na rozhraní CYTOP - vlnovod. Výsledky ukazují, ţe ENR polymer je útlumově optimalizován pro vyuţití v informatice ve vlnových pásmech VIS a NIR. Ukázky vyrobených MM polymerových hřebenových vlnovodů na Si a GaAs substrátu jsou na obr. 4.24. Z obrázku je patrno, ţe vlnovody jsou kvalitní a bez viditelných poruch.

65

Obr. 4.24 Fotografie realizovaných ENR hřebenových vlnovodů [A42] a)10 x 10 m na křemíku, oddělovací vrstva SiO2 , bez krycí vrstvy b)5 x 5 m na GaAs, oddělovací vrstva Cytop, krycí vrstva PMMA Záznam příčného profilu realizovaných ENR hřebenových vlnovodů z Talystepu ukazuje moţnosti UV litografie. Jsou patrné zešikmení bočních hran 5 m vlnovodů, obr. 4.25.

Obr. 4.25 Příčný profil realizovaných ENR hřebenových vlnovodů z Talystepu [99] V práci [100] byly provedeny výpočty týkající se moţnosti realizace jednovidových polymerových vlnovodů s čtvercovými průřezy, které rozměrově odpovídají běţným rozměrům telekomunikačních optických vláken 4x4 a 9x9 m, coţ by sníţilo vazební ztráty a zjednodušilo technologii výroby takových optických planárních vlnovodů. Pro realizaci by u těchto vlnovodů bylo uvaţováno s novými polymerovými materiály OrmoClad a OrmoCor, které umoţňují vyuţitím ředidel (kupř. Ormothin 08) modifikovat index lomu OrmoCladu na hodnoty velmi blízké OrmoCoru a tím zvětšit příčné rozměry vlnovodu pro dosaţení jednovidového reţimu. Bylo vypočítáno, ţe pro rozsahy vlnových délek 1,3 aţ 1,55 m musí být rozdíly indexu lomu n = 0,009 aţ 0,012 pro první příčný rozměr a n = 0,002 pro druhý větší příčný rozměr. Po přikročení k realizaci těchto vlnovodů depozičními testy vrstev se však objevily technologické problémy, především pokud jde o homogenitu polymerových vrstev, na jejichţ odstranění se v současné době pracuje. 66

Výzkumné práce, týkající se polymerových planárních vlnovodů byly zaměřeny rovněţ na návrh, realizaci a měření multividových vlnovodů. Důvody byly technologické a také konstrukční. Větší rozměry vlnovodu umoţňovaly vyuţít optickou UV litografii, která byla k dispozici na spolupracujícím pracovišti VŠCHT. Větší rozměry pak umoţňují planární vlnovod navázat s vysokou účinností optické vazby na standartizované typy optických vláken. Návrhem a realizací multividových hřebenových vlnovodů, realizovaných na polymeru ENR se substrátem Si/SiO2 resp. Si/Cytop se zabývala práce [97]. Pro optimalizaci topologie jsme vybaveni simulačním programem OptiCAD, který řeší optické objekty paprskovou metodou. V optickém multividovém vlnovodu se vedle sloţek vidů TE a TM objeví rovněţ tzv. hybridní vidy EHmp a HEmp, které obsahují všech šest sloţek elektromagnetického pole a liší se polarizací. Pro návrh vlnovdů byly stanoveny rozměry vlnovodu t = w = 5 m a t = w = 50 m. Z výpočtů vyplývá, ţe pro vlnové délky 650 aţ 1550 nm lze očekávat šíření 9 a 3 vidů resp. 98 a 39 pro TE a TM vidy. Tloušťky oddělovací vrstvy substrátu a pláště byly pro výše uvedené vlnové délky vypočteny v rozsahu hSub = 1.35 – 2.14 m resp. hClad = 2,02 – 2.56 m pro uţší vlnovod a hSub = 1.76 – 3.87 m resp. hClad = 4.92 – 7.46 m pro 1% vyzařování z vlnovodu. Optický útlum planárních vlnovodů byl zjišťován měřením rozptylu záření monitorovaného vláknovou sondou a alternativně metodou dvou délek pro MM vlnovody t = w = 50 m a t = w = 100 m. Průměrné hodnoty v dB/cm uvádí tab. 4.7. Tab. 4.7 Průměrné hodnoty měřeného optického útlumu u MM vlnovodů 50 x 50 m a 100 x 100 m pro metodu měření rozptylu a metodu dvou délek [97]. Wavelength (nm)

50 x 50 ( m)

100 x 100 ( m)

50 x 50 ( m)

100 x 100 ( m)

650

-

3,63

-

-

850

3,54

4,62

-

-

1310

1,97

2,83

0,7

0,79

1550

3,74

2,45

2,32

1,01

rozptylová metoda

metoda dvou délek

V hodnotách je patrný velký rozptyl vzniklý technologií realizovaných vzorků, metodikou měření a také kvalitou faset optických MM vlnovodů. Vlivem rozptylu energie do velkého počtu vidů jsou měrné útlumy větší neţ u vlnovodů s výrazně menšími příčnými rozměry. Na obr. 4.26 je fotografie realizovaných ENR hřebenových MM vlnovodů bez krycí vrstvy [97]. Fotografie jejich faset jsou na obr. 4.27. Je zde dobře patrné menší podleptání strukur.

67

Obr. 4.26 Fotografie MM vlnovodů z ENR na podloţce Si/SiO2, 5x zvětšení, rozměrů a) 5 x 5 m, b) 50 x 50 m, c) 100 x 100 m [97].

Obr. 4.27 Fotografie faset MM vlnovodů z ENR na podloţce Si/SiO2, 10x zvětšení, rozměrů a) 100 x 100 m, c) 50 x 50 m [97].

4.2.5 Návrh vybrané polymerní planárních triplexní struktury V souvislosti s řešením grantového projektu [G2] se náš výzkum vedle planárních optických vlnovodů, realizovaných na polymerových materiálech, zabýval také návrhem vybraných struktur integrované optiky pro planární triplexer. Důvodem byla myšlenka převedení mikroopticky řešené části hybridního WDM transceiveru viz 3.2.1 na planární formu, vyuţitím triplexního planárního optického členu, který náhradí objemovou VHG mříţku. Nově navrţené SM řešení planárního WDM triplexního členu kombinuje vlnově selektivní multimódový interferenční filtr (MMI filtr), navrţený pro příchozí vlnové délky 1490 a 1550 nm [A28] a také 1310 a 1550 nm [A33] se směrovým vazebním členem (DC členem), který zajišťuje zavedení vlnové délky 1310 nm a nebo 1490 nm ve zpětném směru [A29]. Toto řešení vyuţívá vysokou směrovost a vlnovou selektivitu, kterou směrový vazební prvek vykazuje. Další nové řešení, na kterém v současnosti pracujeme kombinuje planární optický výkonovým děliče

68

s vlnovodnými filtry s Braggovskou mříţkou, viz. kap. 4.2.6 umístěnými na jeho ramenech. Multimódový interferenční člen můţe pracovat jako optický výkonový dělič [102], nebo vlnově selektivní MMI filtr [103]. Princip činosti multimódového interferenčního výkonového děliče nebo MMI filtru je zaloţen na principu zrcadlení vstupního optického pole, které se opakuje v periodických záznějových vzdálenostech L od vstupu do interferenční oblasti a to v jednom nebo vícenásobných mnohačetných zrcadleních aţ k jejímu konci. Předpokládejme 2D zobrazení v příčné ose x. Pak podmínku fázové rezonance v interferenční oblasti lze vyjádřit fázovou dispersní rovnici (4.12) 2 k xm

2 m

k02 neff

(4.12)

kde kxm je průmět modulu vlnového vektoru m-tého vidu optické vlny do příčného směru vlnovodu stotoţněného s osou x a m fázová konstanta šíření m-tého vidu, neff je efektivní index lomu. Fázovou konstantu šíření m pak můţeme vyjádřit dle (4.13)

2 0

k neff

m

2

(m 1) We

2

(4.13)

kde We je efektivní šířka interferenční oblasti pro základní vid Rovnici (4.13) lze upravit za podmínky (4.14) s vyuţitím Taylorova rovoje binomického členu pod odmocninou a zanedbání členů druhého a vyššího řádu do aproximativního tvaru (4.15)

m

k 0 neff

(m 1) We

k0 neff

(m 1) 2 2 4neff We

(4.14)

(4.15)

0

Vyjádřeme záznějovou vzdálenost L která odpovídá vzdálenosti, na které dva nejniţší vidy, šířící se v interferenční oblasti s fázovými konstantami a , tvoří zázněj s fázovým rozdílem Tuto vzdálenost pak můţeme vyjádřit vyuţitím vztahu (4.15). Po jednoduché úpravě dostaneme vztah (4.16), který nám váţe délku a šířku interferenční oblasti [102].

4neff We

L 0

1

3

2

(4.16)

0

Pokud vyjádříme záznějovou vzdálenost m-tého vidu m - lze usoudit, viz příloha C, ţe zobrazovací vzdálenost zrcadlení LI pro konstruktivní interferenci je trojnásob69

kem záznějové vzdálenosti L , pak délka interferenční oblasti LI pro dvě vlnové délky a musí vyhovovat (4.17)

LI

p(3L

,

1

)

q(3L

,

2

(4.17)

)

kde p a q jsou celá nezáporná čísla. Pokud chceme, aby filtr byl co nejkratší, coţ se projevuje příznivě na velikosti přeslechů vlnových délek, musí být parametry p a q co nejmenší. Při restriktivní interferenci, kdy některé vidy nejsou vybuzeny, lze dle [103] vyjádřit délku interferenčního děliče LI, konstruovaného pro dvě vlnové délky a , dle rovnice (4.18).

LI

pL

,

( p q) L

1

,

(4.18)

2

kde p je sudé přirozené číslo a q je liché přirozené číslo. Tato varianta návrhu však vede na větší délky MMI filtru, který má horší parametry, vloţného útlumu a přeslechů [103], proto se jí nebudeme zabývat. Pomocí koeficientů p a q lze vyjádřit parametr zkrácení kMMI, který udává nejmenší násobek, kterým lze vynásobit záznějové vzdálenosti L tak, aby interferenční délka byla společná pro obě vlnové délky (4.19).

k MMI

9L

,

1

L

LI

,

2

3L q

,

1

3L

,

2

p

(4.19)

Výpočty a simulace byly provedeny pro technologické řešení MMI filtru viz. obr. 4.28 se substrátem Si/SiO2, s jádrem ENR a pláštěm PMMA [A47]. V simulovaných rozměrových tabulkách je efektivní šířka interferenční oblasti We, která platí pouze pro vid 0, nahrazena symbolem WI.

Obr. 4.28 Topologické návrhové schéma MMI filtru 1x2 [A20]

70

Výsledky optimalizovaných simulací rozměrů MMI filtrů 1x2 viz. obr. 4.28 pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm a parametrů vloţného útlumu AV1,k (dB) a přeslechů AP1,k (dB) v programu BMP R Soft, kde k = 1,2 označuje číslo výstupu na MMI filtru, jsou uvedeny v tab. 4.8. Struktura MMI filtru 1490 nm a 1550 nm realizovaná elektronovou litografií je na obr. 4.29. Optické vlnovody jsou široké 1,1 m. Jde o první testovací vzorek. Fotografie je zkrácena. Tab. 4.8 Výsledky simulací rozměrů, parametrů vloţného útlumu AV1,k a přeslechů AP1,k MMI filtru 1x2 pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm [104]. (nm)

hc ( m)

wc ( m)

Wi ( m)

Li ( m)

1490 nm AV1,2 (dB)

1490 nm AP1,1 (dB)

1550 nm AV11 (dB)

1550 nm AP1,2 (dB)

1490x1550

1,2

1,1

8,5

2696

1,19

20

1,80

17

1310x1550

1,3

1,3

8,4

19001

2,36

20

2,52

13,18

1310x1490

1,19

1,06

8,55

16783

1,87

>20

>20

2,08

Obr. 4.29 Fotografie MMI filtru 1490 a 1550 nm realizovaného na substrátu Si/SiO2, s jádrem ENR a pláštěm PMMA elektronovou litografií. Optické vlnovody jsou široké 1,1 m. Fotografie je zkrácena. Výsledky optimalizovaných simulací rozměrů DC členu viz obr. 4.29 pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm a parametrů vloţného útlumu AV1,k (dB) a přeslechů AP1,k (dB) v programu BMP R Soft, kde k = 1,2 označuje číslo výstupu na DC členu, jsou uvedeny v tab. 4.9 a tab. 4.10.

Obr. 4.29 Topologické návrhové schema DC členu [104]. 71

Tab. 4.9 Výsledky simulací rozměrů, DC členu pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm [104]. Ld ( m)

LS ( m)

L0 ( m)

wC ( m)

hC ( m)

LC ( m)

6355

5343

8,08

1,1

1,2

2,4

Tab. 4.10 Výsledky simulací parametrů vloţného útlumu AV1,k a přeslechů AP1,k DC členu pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm [104]. 1490 nm AV1,2 (dB)

1490 nm AP1,1 (dB)

1550 nm AV1,1 (dB)

1550 nm AP1,2 (dB)

1,19

20

1,80

17

Tab. 4.10 Výsledek součtu parametrů MMI filtru a DC členu pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm. 1310 nm AV1,2 (dB)

1310 nm AP1,1 (dB)

1310 nm AP1,3 (dB)

1490 nm AV2,1 (dB)

1490 nm AP2,3 (dB)

1490 nm AP2,1 (dB)

1550 nm AV2,3 (dB)

1550 nm AP2,1L (dB)

1550 nm AP2,1P (dB)

0,46

19,2

19,2

2,16

21

14

2,8

18

14

Jako hlavní úkol v oblasti návrhu bylo, vytvořit topologický a technologický návrh WDM triplexeru. Simulací v programu BMP R Soft, byly optimalizovány rozměry triplexního planárního členu s MMI filtrem 1x2 a směrovým vazebním členem vzhledem k mnimálním hodnotám vloţnému útlumu AVi,k (dB), přeslechů APi,k (dB) a optimální vzdálenosti offsetu Lo, kde index i=1,2 a k=1L,1P,2,3 (L je levá strana, P je pravá strana). Planární WDM triplexer pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm se substrátem Si/SiO2, s polymerovým jádrem SU8 a pláštěm PMMA je na obr. 4.30.

72

Obr. 4.30 Topologické návrhové schéma WDM triplexeru pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm [A20].

Na obr. 4.31, obr 4.32 jsou zobrazeny příklady rozloţení základního vidu optického pole a přeslechu ve WDM triplexeru pro = 1490 nm a = 1550 nm.

Obr. 4.31 Simulace prostorového rozloţení optického pole v rovině XZ a amplitudy v optické cestě WDM triplexeru pro vlnovou délku 1490 nm [A20].

73

Obr. 4.32 Simulace prostorového rozloţení optického pole v rovině XZ a amplitudy v optické cestě WDM triplexeru pro vlnovou délku 1550 nm [A20]. Hodnoty amplitudy optického pole byly vyuţity pro stanovení vloţného útlumu A Vi,k a přeslechů APi,k. Šířka w = 1,2 m a výška h = 1,2 m vlnovodů jsou voleny tak, aby se optickými vlnovody šířil pouze základní vid pro vlnové délky 1310 nm, = 1490 nm a = 1550 nm. Část označená jako „coupling part“ byla 5 mm. Další rozměry jsou výsledkem optimalizovaných simulací rozměrů planárního WDM triplexeru vzhledem k minimálním hodnotám vloţného ůtlumu a přeslechů AV1,k a AP1,k. Vzhledem k parametrům optických vlnovodů bylo předpokládáno, ţe WDM triplexer bude realizován elektronovou litografií. Parametry jsou uvedeny v tab. 4.11, 4.12. Tab. 4.11 Výsledky simulací rozměrů WDM triplexeru pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm v programu R Soft BMP [A20]. w ( m)

h ( m)

LI ( m)

We ( m)

LD ( m)

LC ( m)

L0 ( m)

1,2

1,2

1912

8,4

2804

1,2

5-7,5

Tab. 4.12 Výsledky simulací parametrů vloţného útlumu AVi,k a přeslechů APi,k WDM triplexeru pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm a ofset L0= 6 m v programu R Soft BMP [A20].

1310 nm AV1,2 (dB)

1310 nm AP1,1 (dB)

1310 nm AP1,3 (dB)

1490 nm AV2,1 (dB)

1490 nm AP2,3 (dB)

1490 nm AP2,1 (dB)

1550 nm AV2,3 (dB)

1550 nm AP2,1L (dB)

1550 nm AP2,1P (dB)

1,18

36,4

36,4

1,63

24,8

23,05

3,13

24,35

23,38

74

Hodnoty v tab. 4.10 vznikly pouze sečtením hodnot tab. 4.8 a 4.9. Je zajímavé porovnat tyto hodnoty individuálně optimalizovaných prvků MMI filtru a DC členu s optimalizovanou simulací WDM triplexem jako celku, viz tab. 4.12. Je patrné, ţe celkově optimalizovaný triplexer má niţší hodnoty přeslechů a srovnatelné hodnoty vloţných útlumů v příchozím směru, coţ je důleţité z hlediska citlivosti celého WDM transceiveru. Pouze vloţný útlum v odchozím směru je o 0,7 dB vyšší. Jelikoš jsme na straně OE vysílače není hodnota tohoto útlumu kritická. Pokud zvyšujeme ofset v rozsahu L0= 6 – 7,5 m mění se hodnoty vloţného útlumu v rozsahu 2,92 aţ 12,2 dB. Dochází zde k rychlému navýšení vloţného útlumu v důsledku optických ztrát vyzařováním a optickým útlumem na propojovacích vlnovodech obou prvků WDM triplexeru, pokud naopak sniţujeme ofset pod hodnotu 6 m, zvyšují se hodnoty přeslechů mezi MMI filtrem a směrovým vazebním členem, tedy výše uvedená hodnota ofsetu je hodnotou optimální. Z výsledků simulací dále vyplývá, porovnáme-li tabulky 4.6 a 4.7, ţe rozměry MMI filtru navázaného optickým vlnovodem na směrový vazební člen jsou tímto propojením ovlivněny a to především pokud jde o záznějovou délku L . Dále simulace ukazují, ţe koeficienty p a q nevycházejí přesně jako celá čísla, coţ je způsobeno především zjednodušujícími předpoklady, které jsme pouţili při odvození vztahu (4.16). Vztah obsahuje efektivní šířku interferenční oblasti We, která je polarizačně a vidově závislá v důsledku různé hloubky vniku vidů na rozhraních interferenční oblasti, jak popisuje GoosHahnchenův posuv. Další zjednodušení vyplývá z toho, ţe efektivní šířka platí pouze pro základní vid s konstantou šíření . Ze simulací vyplynuly tyto aproximované hodnoty parametrů p a q koeficientu zkrácení interferenční oblasti kMMI (4.19), viz příloha C, pro vlnové délky délky 1490 a = 1550 nm u samostatného MMI filtru a MMI filtru vřazeného do WDM triplexního členu, realizované na polymeru ENR viz. tab. 4.13 a 4.14. Tab. 4.13 Hodnoty délky interferenční oblasti LI , koeficientů p a q a koeficientu zkrácení kMMI pro vypočtené záznějové délky L u samostatného MMI filtru. LI ( m)

3L ( m)

3L ( m)

p

q

kMMI

2696

308,4

296,5

8,74

9,09

33,92

Tab. 4.14 Hodnoty délky interferenční oblasti LI , koeficientů p a q a koeficientu zkrácení kMMI pro vypočtené záznějové délky L MMI filtru ve WDM triplexeru. LI ( m)

3L ( m)

3L ( m)

p

q

kMMI

1912

308,4

296,5

6,2

6,45

47,82

75

Z výsledků je patrné, ţe dochází k významnému zkrácení délky MMI filtru, které se zvyšuje vřazením filtru do WDM triplexeru 1,4 krát. Variantně v našem výzkumu předpokládáme uţití dielektrických materiálů jako je sklo pro konstrukci WDM triplexem a to hlavně z důvodu řešení, realizovatelného běţnou UV litografií. Publikován jiţ byl návrh a simulace vlnovodné struktury [105] a MMI děliče [A46] v programu BMP s kanálkovými difuzními vlnovody na skle s výměnou iontů Ag+ Na+, kde lze dosáhnout SM reţimu pro rozměry w = h = 4 m při kontrastu indexu lomu n = 3%. Rovněţ fasety vlnovodů lze realizovat v optické kvalitě pouhým leštěním a při zanoření kanálku na cca 30 m lze provést i efektivní vazbu na optické vlákno. Tyto práce byly publikovány ve spolupráci s SQS Vláknová technika a.s. 4.2.6 Návrh a realizace vybraných typů polymerových planárních Braggovských mříţek a vlnovodných filtrů Rozpracována optické planární části WDM transceiveru v rámci výzkumných prací na grantu [G3] vedlo na dvě řešení. První varianta řeší optickou část jako SM vlnově selektivní integrovaný polymerový obvod, viz kap. 4.2.5. Ve druhé variantě je optická planární část navrţena jako MM integrovaný obvod s planárními optickými výkonovými děliči a optickými vlnovodnými filtry s Braggovskými polymerovými mříţkami. Tato druhá varianta vznikla ve spolupráci s VŠCHT. Pro realizaci vlastních optických vlnovodných filtrů, byly zvoleny dvě technologické formy, z nichţ první vyuţívala kanálkového optického vlnovodu na křemičitém skle s výměnnou iontů, jejichţ technologie byla rozpracována jiţ v prácích [105], na kterém byla z lícové strany vytvořena PMMA mříţka metodou tepelného tváření [89]. Druhá varianta vyuţívá polymerní hřebenový optický vlnovod na substrátu Si/SiO2, jádrem ENR a pláštěm PMMA, kde optická mříţka je vytvořena prostorovou profilací hřebene vlnovodu. Základ vlnovodného filtru podle první varianty tvoří optický difuzní kanálkový vlnovod na skleněném substrátu I1T (sodnovápenaté křemičité sklo). Tento vlnovod byl připraven v SQS Vláknová optika a.s. technologií výměny iontů, viz obr. 4.33.

Obr. 4.33 Optická mříţka PMMA na skle s kanálkovým vlnovodem připraveným výměny iontů Ag+-Na+ (nf je index lomu jádra vlnovodu, ns je index lomu substrátu) [106]. Na tuto skleněnou podloţku s vytvořeným kanálkovým vlnovodem byla metodou spin-coating deponována vrstva PMMA objemově dotovaná vhodnou koncentrací meso-tetraphenylporfirynu. Připravená polymerní vrstva tloušťky cca 5 µm byla 76

podrobena periodickému tepelnému tváření pomocí zaostřeného laserového svazku konfokálního laserového rastrovacího mikroskopu Olympus LEXT s pracovní vlnovou délkou odpovídající absorpčnímu pásu dotujícího barviva (402nm). Polymerní vrstva byla takto periodicky tepelně lokálně ohřívána (dáno rychlostí skenování laserového svazku) na teplotu větší neţ teplota měknutí Tf. Při současném mechanickém pohybu podlošky došlo i k periodickému tlakovému působení a tím i k periodické změně tloušťky vrstvy a vzniku optické mříţky. Tato PMMA optická difrakční mříţka, která je součástí lícového pláště vlnovodu, ovlivňuje šíření záření v difuzním vlnovodu vazbou na optickou evanescentni vlnu, která z jádra vlnovodu v tenké vrstvě cca 2-3 µm vystupuje a interaguje s optickou mříţkou. Snímek dielektrického kanálkového vlnovodu s realizovanou PMMA opticko mříţkou je na obr. 4.34.

Obr. 4.34 Fotografie difuzního kanálkového vlnovodu na skleněné podloţce s PMMA optickou Braggovskou mříţkou [A35]. Druhá technologická varianta vlnovodného filtru vyuţívá prostorově profilovanou optickou difrakční mříţku realizovanou na hřebenovém polymerovém vlnovodu ENR realizovaném na substrát Si/SiO2. Polymerová vrstva je nanesena opět pomocí spincoutingu na substrát. Fotolitograficky je potom ve vrstvě ENR vymaskován hřebenový vlnovod, na které je vytvořena optická mříţka tepelným profilováním laserovým paprskem na konfokálním mikroskopu obr. 4.35.

Obr. 4.35 Optická mříţka na hřebenovém polymerovém vlnovodu ENR na Si/SiO2 (nf je index lomu jádra vlnovodu, ns je index lomu substrátu) [106].

77

Detail hřebenu ENR optického vlnovodu s mříţkou je zobrazen na obr. 4.36. Ze snímku lze vypozorovat dobře litograficky sesazenou mříţku s hřebenem optického vlnovodu uprostřed snímku.

Obr. 4.36 Snímek detailu hřebenu s mříţkou na vlnovodu ENR [A35]. Pro nastavení mříţkové konstanty vlnovodových filtrů byly provedeny výpočty mříţkové konstanty ze vztahů pro 1. aţ 6. difrakční řád Braggovy reflexe odvozené z Braggových difrakčních rovnic, dodatek D. Účinné vyvázání optické vlny z planárního optického vlnovodu, šířící se podle osy z, je určeno podmínkou fázové rezonance mezi fázovou konstantou vedené optické vlny , fázovou konstantou difraktované optické vlny d a fázovou konstantou mříţky K = 2 / kde je mříţková konstanta. Rovnice fázové rezonance (4.20) pak váţe konstanty šíření vedené a prostorové vlny d

i

(4.20)

qK

kde q je řád vyzařování optické mříţky, pro který platí q Pro výpočet vlnové délky předpokládáme, ţe d (4.21)

1, 2, 3.......

pro Braggovu reflexi vyjdeme ze vztahu (4.20), kde a úhel vyzařování zpětné reflexe = 900. Pak platí

2 neff

2 neff

B

2

q

kde q

1, 2, 3.......

(4.21)

B

Po zjednodušení lze psát jednoduchý vztah (4.22) pro mříţkovou konstantu B

2neff

q

(4.22)

78

Pro reflexi 1. řádu q = 1 platí na mříţce fázový diagram, viz obr. 4.37.

Obr. 4.37 Fázový diagram Braggovy reflexe v 1. řádu Pro reflexi 2. řádu nastane v 1. řádu vyzářování pod úhlem 00 a současně dochází k Braggově reflexi ve 2. řádu, viz fázový diagram obr. 4.38.

Obr. 4.38 Fázový diagram Braggovy reflexe ve 2. řádu s vyzařováním v 1. řádu Pro výpočet mříţkové konstanty pro 6. řád Braggovy reflexe, na který je nastaven vyrobený vlnovodný filtr vyjdeme z (4.22) a dostáváme (4.23)

3 B neff

(4.23)

U 6. řádu Braggovy reflexe dochází oproti 1. řádu k šestinásobnému navýšení velikosti konstanty mříţky vzhledem k dané vlnové délce difraktovaného záření. Toho můţeme vzuţít u námi navrhovaných filtrů, kde mříţková konstanta pro vlnové délky 1310 aţ 1550 nm vychází pro polymerové materiály u 1. difrakčního řádu 500 79

nm. Nevýhodou vyuţití reflexí vyšších řádů je zvýšení vloţného útlumu filtru sníţením transmise energie přes filtr o vyzařování niţších difraktovaných řádů z mříţky jak ukazuje obr. 4.38. Pro mříţku vyuţívanou ve 2. řádu reflexe je vyzařování energie z 1. řádu do 1 dB [106]. Vypočtené mříţkové konstanty pro první i druhý difrakční řád ukazuje tab. 4.15. Tab. 4.15 Vypočítané hodnoty mříţkových konstant pro 1. aţ 6. difrakční řád, PMMA mříky na difuzním vlnovodu ze skla s výměnou iontů Ag+-Na+ , neff = 1,51 [nm] 1.řád

[nm]

1550

1490

1310

500

481

423

1026

987

868

1540

1480

1301

2053

1974

1735

2566

2467

2169

3003

2887

2538

2.řád

[nm] 3.řád

[nm] 4.řád

[nm] 5.řád

[nm] 6.řád

[nm]

. V dodatku D jsou s vyuţitím Braggových difrakčních rovnic podrobně rozebrány a vypočítány mříţkové konstanty a difrakční úhly pro různé případy difrakčního vyzařování na polymerových mříţkách PMMA a ENR vytvořených na Si/SiO2. Z výpočtů vyplývá a měřeními, viz dále to bylo povrzeno tab. 4.15, ţe vzhledem k technologickým moţnostem metody tepelného a mechanického tváření polymerů, viz. kap. 4.2.2, která umoţňuje realizovat mříţkovou konstantu hodnoty >0,7 m (odpovídá vlnovým délkám nad 2,168 m) je moţno pro realizaci vlnovodných filtrů pro telekomunikační pásmo vyuţít pouze 2. a vyšší řády Braggovské reflexe. První řád padá pro námi zvolené materiály do oblasti vlnových délek středního infračerveného pásma a nemůţe proto být vyuţit. S vyuţitím 2. a vyšších řádů je spojeno vyzařování, které zvyšuje vloţný útlum vlnovodných filtrů. Dle vypočtů však tento útlum představuje hodnotu do 1- 4 dB [106]. Dále byly provedeny simulace závislosti difrakční spektrální účinnosti a spektrální pološířky FWHM periodické Braggovské transmisní vlnovodné mříţky na geometrických konstantách vlnovodného filtru v programu Gratig MODE od fy.RSoft. Tento program slouţí primárně pro simulaci mříţek reflexního typu s reflexí 1. řádu, 80

bez vyzařování ve vyšších řádech. V případě optických mříţek s primární funkcí jako vlnovodný filtr, kde je vyuţita Braggova reflexe v 2. řádu lze výsledky, co do závislosti maxima a pološířky FHWM pásma difrakční účinnosti na změny délky mříţky L a procentního poměru hloubky modulace h/T, vztáhnout i na mříţky vlnovodné. Konstanta T je tloušťka vlnovodné vrstvy jádra. Výsledky převzaté z diplomové práce [88] jsou uvedeny na obr. 4.37 a obr. 4.38, u které byl autor vedoucím.

Obr. 4.37 Spektrální závislost relativní difrakční účinnosti v závislosti na vlnové délce , kde parametrem je poměr h/T (kde h je prostorové promodulování mříţky, T je výška hřebenového optického vlnovodu a L je délka mříţky). Vyuţitím simulace programu Grating MODE byl sledován vliv velikosti vybraných mříţkových konstant a vybraných hodnot amplitudy promodulování mříţky na polohu vlnové délky transmisního pólu B a pološířku transmisního pólu FWHM u mříţky PMMA, tab. 4.16. Tab. 4.16 Vypočítané hodnoty Braggovské vlnové délky a spektrální pološířky BW v závislosti na vybraných hodnotách mříţkové konstanty a konkrétních hodnot promodulování h/T.

[ m]

0,53

0,53

0,8

1

1,2

h/T[ ]

0,8/3

1,2/3

0,2/3

0,2/3

0,2/3

1,55

1,55

2,32

2,87

3,415

8

22

3,5

5

6

B

[ m]

FWHM [nm]

81

1,2

1,4

1,4

1,4

2

0,8/3

0,2/3

0,8/3

1,2/3

0,8/3

3,408

3,938

3,936

3,408

6,44

FWHM [nm]

17

5

24

50

-

[ m]

8

22

3,5

5

6

[ m] h/T [ ] B[

m]

Obr 4.38 Spektrální závislost relativní difrakční účinnosti v závislosti na vlnové délce , kde parametrem je délka mříţky L vlnovodné vrstvy. Tloušťka vlnovodné vrstvy je T = 3 µm, hloubka modulace je h = 0,4 µm. Ze simulací vyplývá, ţe velikost promodelování pro dosaţení dostatečné difrakční účinnosti musí být minimálně 30% a délka mříţky 300 m. Pro ověření vlastností vlnovodných filtrů byla měřena transmisní charakteristika jednoho z prvních vzorků filtru s PMMA mříţkou na difuzním vlnovodu ze skla s výměnou iontů Ag+-Na+ v závislosti na vlnové délce. Průběh simulovaných hodnot difrakční účinnosti vlnovodných mříţek ukazuje, ţe existuje poměrně úzké reflexní pásmo vlnových délek, kde difrakce nastává. Pro zjištění polohy difrakčního maxima resp. pólu transmisní charakteristiky bylo provedeno panoramatické spektrální měření se širokospektrálním optickým zdrojem HL-2000-HP-232 a optickým spektrálním analyzátorem Yokogawa AQ6370C v pásmu vlnových délek 900 nm – 1600 nm, viz. obr. 4.39.

82

Obr 4.39 Transmisní spektrální charakteristika optické PMMA vlnovodné mříţky realizované na difuzním vlnovodu na skle, průběhy MER1,MER2 a reference. Na obr. 4.39 je patrný útlumový pól pro vlnovou délku λ = 1187 nm, při které dochází k Braggově difrakci s reflexí 6. řádu na PMMA optické vlnovodové mříţce. Poloha tohoto pólu odpovídá mříţkové konstantě, která byla 2,35 m. V tomto případě dochází k přenosu energie z kanálku do pláště PMMA optické mříţky evanescentním polem tak, ţe dochází k viditelnému poklesu v transmisní charakteristice. Maximální útlum přenosového pólu je 10dB pro vlnovou délku 1187 nm, coţ odpovídá difrakční účinnost PMMA optické mříţky > 90 %. Spektrální pološířka FHWM byla 25 nm. Střední hodnota vloţného útlum vzorku v pásmu 900 - 1100 nm byla 6 dB, v pásmu 1250 - 1600 nm pak 4 dB. Tento útlum je vlnově málo závislý a skládá se z vloţného útlumu optické vazby na fasety optického vlnovodu, z útlumu optického vlnovodu a z vyzářeného difrakčního optického výkonu 1. aţ 5. řádu z optické PMMA mříţky.

83

5.

ZÁVĚRY A MOŢNOSTI VYUŢITÍ VÝSLEDKŮ

V oblasti výzkumu hybridních integrovaných optoelektronických struktur přenosového typu HIOS byla navrţena a patentována nová topologie uspořádání optické a optoelektronické části WDM transceiveru resp. WDM přijímače, viz. kap. 3.2.1. Tato topologie vychází z koncepce kruhového uspořádání optoelektronických částí s jedním MUX/DEMUX optickým prvkem, který je umístěn ve středu hybridní HIOS. WDM transceiveru je řešen ve dvou technologických variantách, a to jako mikrooptický integrovaný obvod a planární integrovaný obvod. Mikrooptické řešení vyuţívá triplexní člen ve formě objemové holografické dvousystémové Braggovy mříţky (VHG), s mikrooptickým kolimovaným zobrazovacím systémem, který transformuje optický svazek mezi optickým vláknem a optoelektronickou částí WDM transceiveru. Braggova VHG mříţka byla zvolena pro svou vysokou difrakční účinnost cca 73-75%, která sniţuje vloţný útlum optické části na řádově desetiny dB a velký difrakční úhel 18,4° aţ 19,1°, který se přízmivě projeví ma zkrácení optické části mikrooptického WDM transceiveru. V oblasti návrhu byly z maticové zobrazovací rovnice vypočítány optimální ohniskové vzdálenosti zobrazovací soustavy a její celkový vloţný optický útlum, který vyšel asi o 11 % větší, neţ při měření, kde pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm byly naměřeny hodnoty 0,29 1,83 dB. Měřené hodnoty optických kanálových přeslechů 12,4 a 18,3 dB jsou na úrovni vyhovující z hlediska přenosu informace s chybovostí 10-9. Navrţený WDM transceiver byl realizován na úrovni přijímací části pro vlnové délky 1490 a 1550 nm. Celková citlivost přijímací části je dle našich měření je SNR = 22-24 dB pro šířku pásma 1,25 aţ 2,5 GHz s minimální optickou útlumovou rezervou 2-5 dB. V pokračování těchto prací bude WDM transceiver doplněn mikromodulem, OE vysílače zajišťujícího vysílání vlnové délky 1310 nm ve zpětném směru. Zde bude naším úkolem nastavit kolimační soustavu vysílače tak, abychom zavedli kolimovaný laserový parsek přes dekolimační čočku do MM vlákna. Mikrooptické řešení pak bude nahrazeno řešením optické části jako planární optický integrovaný člen. Bylo navrţeno nové jednovidové (SM) planární řešení, které kombinuje MMI filtr a směrový vazební člen a toto řešení bylo optimalizováno z hlediska vloţného útlumu a přeslechů programem BMP R Soft. Parametry vloţného útlumu a přeslechů se pohybovaly pro vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm v hodnotách 1,2 aţ 3,1 dB a 23,1 aţ 36,4dB, coţ jsou hodnoty srovnatelné s jinými řešeními pokud jde o vloţný útlum a v hodnotě přeslechů překonávající mnohá jiná řešení triplexních členů pro WDM transceiveru. Technologie planárního triplexeru byla navrţena pro polymerovou strukturu optických jednovidových hřebenových resp. kanálkových vlnovodů s jádrem z epoxypolymeru SU-8 (ENR), pláštěm s polymetylmetakralátu (PMMA) a substrátem Si/SiO2. V důsledku velkého kontrastu indexu lomu n = 0,08 bude třeba vyuţít pro realizaci planárního triplexního členu elektronové litografie s klínovými nebo mříţkovými vazebními členy, aby bylo moţno uskutečnit optickou vazbu na vlákno a na optoelektronickou část WDM transceiveru. Dalším řešením je změnit typ polymeru na polymer s menším nastavitelným kontrastem indexu lomu kupř. Ormoclad/Ormocore, který umoţňuje nastavení konterastu na hodnoty n = 0,002 - 0,01, nebo pouţít pro realizaci optické části dielektrický materiál. Variantně v současné době pracujeme ve spolupráci s SQS Vláknová technika a.s. na SM řešení prvků planární integrované optiky vyuţívající kanálkové difuzní vlnovody na skle s výměnou iontů Ag+ Na+, kde lze dosáhnout jednovidového 84

reţimu pro rozměry w = h = 4 m při kontrastu indexu lomu n = 0,03. Pro realizaci takových vlnovodů lze jiţ uplatnit optickou litografii. Rovněţ fasety vlnovodů lze realizovat v optické kvalitě pouhým leštěním a při zanoření kanálku na cca 30 m lze provést i efektivní vazbu na optické vlákno. První práce v této oblasti, jiţ byly publikovány, viz kap. 4.2.5, 4.2.6. Řešení optického triplexeru je také moţné řešit multimódově (MM). Zde chceme vyuţít při řešení triplexní části planární výkonový dělič s polymerovámi vlnovodnýmí filtry, realizovanými Braggovskými mříţkami, viz. kapitola 4.2.6. Jde o mříţky vzniklé novou technologií vyvinutou na VŠCHT. Reflexní účinnosti na těchto jiţ realizovaných mříţkách jsou vyšší neţ 90%, coţ odpovídá optickému útlumu v pólu >10 dB. Práce se také věnuje výzkumu nových fyzikálních metod ovlivňování indexu lomu a povrchové morfologie polymerů působením teploty a elektrického pole. Na této problematice stejně jako na Braggovských mříţkách spolupracujeme s VŠCHT, ústavem inţenýrství pevných látek, pracovištěm Doc. Huttela, kde byla vyvinuta metoda prostorového tvarování PMMA a ENR elektrickým polem za současného působení teploty. Bylo odzkoušeno ovlivňování indexu lomu elektrickým polem do 12 kV/cm v rozsahu 1,41 aţ 1,475, coţ je n = 0,065. Tyto změny jsou dostatečné pro konstrukci optických vlnovodů. Problémem zůstává dlouhodobá stabilita změny indexu lomu PMMA, kterou lze zvětšit přidáním polystyrénu. Na našem pracovišti proběhla měření takto experimentálně tvarovaných optických struktur, viz. kap. 4.2.2. Některá optická měření, prokazující vlnovodné vlastnosti realizovaných optických strukur. Teoretické zdůvodnění elektrického prostorového tvarování polymerů elektrickým polem vychází z Taylorovy teorie. Vyuţitím této technologie by bylo moţno realizovat hřebenové nanovlnovody o submikronových rozměrech. Pro ověření vlnovodných vlastností byly vytvořeny vzorky obloukových vlnovodů a vlnovodů tvaru Y, do kterých bylo zavedeno záření 633 nm, prokazující ohyb a rozdělení záření v důsledku vlnovodných vlastností hřebenového polymerového vlnovodu. Tyto experimenty proběhly v optické laboratoři na pracovišti katedry mikroelektroniky. Na VŠCHT byla také nově vytvořena metoda na realizaci planárních optických polymerových mříţek Braggovského typu. Bylo prokázáno prostorové tvarování polymerových vrstev pokrytých porfirínem a to tepelným působením laserového svazku 403 nm z konfokálního mikroskopu. Porfirín v této spektrální oblasti silně absorbuje záření této vlnové délky. Pokud docházelo k vzájemnému pohybu svazku i podloţky bylo moţno vytvořit optickou Braggovskou mříţku o periodě 0,7 aţ 3 m a promodulování do 200 nm. Vlastnosti těchto mříţek byly rovněţ proměřeny na našem pracovišti. Realizací této polymerové mříţky na jádru případně plášti planárního optického vlnovodu viz. kap. 4.2.5 lze vytvořit optický vlnovodný filtr a nebo teplotní případně tlakový senzor. Výzkum spektrálních vlastností vybraných polymerových opticky aktivních materiálů pro optické zesilovače viz. kap. 4.2.3 jsme orientovali na materiály ENR a PMMA dotované prvky vzácných zemin Er3+, Er3+/Yb3, Dy3+ a také Bi s kodotací Dy3+, Ce3+, nebo Y3+. Tento výzkum byl veden snahou o ověření vlastností polymerové matrice dotované vybranými typy aktivátorů a její schopností podporovat fotoluminiscenci při optickém čerpání. Byla měřena emisní a absorpční spektra dotovaných polymerových materiálů a stanoveny dotační limity koncentrace jednotlivých dopantů, vzhledem k velikosti fotoluminiscenční odezvy v pásmu blízkého infračerveného pásma (NIR) a zhášení fotoluminiscence. 85

Z teoretických výpočtů, opírajících se o Judd-Ofeltovu teorii vyplývá, ţe pokud jde o klasické dielektrické materiály (sodná a fluoridová skla, lithium niobat) vyuţívané jako matrice a polymerového materiály ENR dotované Er3+/Yb3+, pak hodnoty JuddOfeltových koeficientů t (t=2,4,6), odráţejících vlasnosti matrice, tak absorpčních a emisních průřezů dopantů, umístěných v příslušných matricích abs, a emit , jsou řádové hodnoty těchto koeficientů velmi blízké. Vliv matrice na chování polymerů dotovaných aktivátory je menší neţ u dielektrických materiálů a závisi na obsahu dopantu a kodopantu. S obsahem kodopantu klesá, viz. příloha A. Z toho vyplývá, ţe polymerová matrice ENR nebo PMMA dotovaná prvky vzácných zemin je vhodným prostředím pro generaci NIR záření při vhodném optickém čerpání. Tento teoretický závěr byl také prokázán výsledky měření transmisních spekter, viz. kap. 4.2.3. Z nejnovějších výsledů měření vyplývá, ţe fotoluminiscenci dotovaného polymeru lze měřit jak při podchlazení, tak pro pokojovou teplotu u klasických dopantů iontů Er3+a Er3+/Yb3, v oblasti 1538 aţ 1540 nm při čerpání 980 nm a to pro matrice jak ENR, tak PMMA. Ionty Dy3+ v polymerové matrici ENR vykazovalo slabou fotoluminiscenci při podchlazení na 4K na 1325 nm při čerpání 632 nm. U všech těchto materiálů se projevoval progresivní charakter fotoluminiscence v závislosti na koncentraci dotace do 10%. Při vyšších hodnotách dotace aktivátoru se projevovalo zhášení fotoluminiscence vlivem klustrování. Novým aktivátorem polymerové ENR matrice, jehoţ pouţití ještě nebylo publikováno je Bi s kodopanty Dy3+, Ce3+, Y3+. Měřením fotoluminiscenčních spekter při pokojové teplotě byla prokázána výrazná fotoluminiscence samotného Bi na vlnové délce 1300 a 1280 nm při čerpacích vlnových délkách 980 a 808 nm. Zhášení se projevovalo při koncentracích dotace nad 15% a záviselo také na typu kodopantu. Podobně se choval ENR. Pouze při čerpání vlnovou délkou 808 nm docházelo ke zhášení luminiscence aţ pro koncentrace kodopantu Ce3+ nad 20%. Koncentrace Bi byla 1%. Pro kodopanty Dy3+ a Y3+ byla generována spektrální odezva fotoluminiscence pouze pro čerpání 808 nm v oblasti 1280 nm. Na základě transmisních absorpčních spekter byl určen typ přechodů pro kodopant Dy3+ v Bi, u kterého docházelo při čerpání k absorpčnímu přechodu 6H15/2 na 6F5/2 odpovídající 808 nm a při přechodu 6 H9/2/6F11/2 na základní hladinu 6H15/2 bylo generováno záření 1280 nm. Jako perspektivní dopanty ENR a PMMA pro konstrukci optických zesilovačů je moţno označit Er3+/Yb3 pro pásmo 1550 nm a také Bi se svými kodopanty pro pásmo 1300 nm.

86

Práce autora s bezprostředním vztahem k řešené problematice [A1]

V. Jeřábek, J. A. Armas, V. Prajzler: Hybrid Microoptical WDM Receiver for PON Communication, Advances in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 10, No. 2, 2012, s. 95-100.

[A2]

V. Jeřábek, I. Hüttel: Theoretical Model of the Bistable Semiconductor Laser Diode Based on the Rate Equations, Radioengineering, Vol. 20, No. 2, 2011, pp. 486-492.

[A3]

V. Jeřábek, I. Huttel, V. Prajzler, K. Bušek, J. Armas Arciniega: Design and construction of a WDM transceiver with VHGT using hybrid integration technology, Physica Status Solidi(C), WILEY - VCH Verlag Gmb, Vol. 8, No. 9, 2011, pp. 2938-2941.

[A4]

V. Jeřábek, Ivan Hüttel, Václav Prajzler, V. Karel Bušek: Design and Construction Transceiver Module Using Polymer PLC Hybrid Integration Technology. New, Advanced Technologies, Edited by A. Lazinica, Vukovar: In-Tech, 2010, pp. 153-162.

[A5]

V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prajzler, K. Bušek, P. Seliger, “Design and Construction of a VHGT-Attached WDM Type Triplex Transceiver Module Using Polymer PLC Hybrid Integration Technology”. Proceedings of SPIE Photonics, Devices, and Systems IV – 27-29 August 2008, Prague, Volume 7138 pp. 713814-1 - 713814-5.

[A6]

J.Armas, V.Jerabek: Microwave Optoelectronic Receiver with MMIC HBT Amplifier, WSEAS Transactions on Electronics, vol. 3, No. 3, 2006, pp. 210213.

[A7]

Patent V. Jeřábek, V. Prajzler, K. Bušek, J. Armas Arciniega, Integrovaný optoelektronický transceiver pro účastnickou stranu sítě typu PON-FTTH, České vysoké učení v Praze Fakulta electrotechnická, Úřad průmyslového vlastnictví, Praha, ČR. Číslo patentu 302 146, 2010.

[A8]

Uţitný vzor - V. Jeřábek, V. Prajzler, K. Bušek, J. Armas Arciniega, Integrovaný optoelektronický transceiver pro účastnickou stranu sítě typu PON-FTTH, České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, Úřad prům. vlastnictví, Praha, ČR, číslo dokumentu 20719, 2010.

[A9]

J. A. Armas, V. Jeřábek, D. Mareš: Mikrooptický systém s vysokou účinností pro WDM hybridní optoelektronické přijímače, Slaboproudý obzor, Volume 64, No. 1, s. 16-18, 2010.

87

[A10] V. Jeřábek, V. Prajzler, J. Armas Arciniega, D. Mareš: The Microoptical and Microwave Design and Construction of a WDM Receiver with Bragg Volume Grating Using Hybrid Integration Technology. Proceedings of 13th International Symposium on Microwave and Optical Technology - ISMOT 2011], Prague, 2011, p. 101-105. [A11] J.Armas, V.Jeřábek: Microwave Optoelectronic Receiver with MMIC HBT Amplifier, WSEAS Transactions on Electronics, vol. 3, No. 3, 2006, pp. 210213. [A12] V. Jeřábek, J. Armas Arciniega: Hybridní optoelektronický přijímač s gigahertzovou šířkou pásma. Slaboproudý obzor. 2009, roč. 65, č. 3, s. 22-25. [A13] P. Seliger – Optická přenosová linka pro 1 Gb ethernet, Diplomová práce, Praha 2006. [A14] L. Vančura - Optická stabilizace reţimu integrovaného laserového vysílače, Bakalářská práce, Praha, 2010. [A15] V. Jeřábek, I. Hüttel: Theoretical Model of the Bistable Semiconductor Laser Diode Based on the Rate Equations, Radioengineering, Vol. 20, No. 2, 2011, pp. 486-492. [A16] V. Jeřábek, V. Prajzler, Z. Burian, I. Huttel: Experimental Method for Verifying the Bistability and Theoretical Model of the Semiconductor Laser Diode use the Rate Equations, International J.of Microwave and Optical Technology, vol. 2, No.1, pp. 45-53, 2008. [A17] V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prajzler, K. Bušek,: Design and construction WDM type triplex optical receiver module using system multimode polymeric PLC hybrid integration technology. Proceedings of the 9th WSEAS International Conference on Applied informatics and communications, August 2009, Moskva, pp. 178-181. [A18] V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prajzler, K. Bušek, P. Seliger: Design and Construction of a VHGT-Attached WDM Type Triplex Transceiver Module Using Polymer PLC Hybrid Integration Technology. Optics and Photonics 2008, Proceedings of SPIE, August 2008, Prague, vol. 7138, p. 713814-1713814-5. [A19] O.Barkman, V.Jeřábek, V.Prajzler: Design and Modeling of Multimode Interference Power Splitters Made By Ion Exchange in Glass, 24th Conference on Optical Communications 2012, Conference Proceedings, Prague, 2012, p. 74-76, ISBN 978-80-214-4539-0. [A20] Karel Bušek, Vítězslav Jeřábek, Václav Prajzler: Design of the Planar Optical MMI Filter, Electronic Devices and Systems EDS 2012, Proceedings International Conference 2012, 2012, Brno, pp. 151-154, ISBN 978-80-2144539-0.

88

[A21] K. Bušek, V.Jeřábek, V.Prajzler: The Planar Optical Wavelength Selective System wth The MMI Filter and The Directional Coupler, 24th Conference on Optical Communications 2012, Conference Proceedings, Prague, 2012, p. 7476. [A22] V. Prajzler, H. Tůma, J. Špirková, V. Jeřábek, Design and Modeling of The Symetric 1 X 3 Optical Polymer Planar Power Divider, Electronic Devices and Systems, Brno, 2010, p. 1-4. [A23] D. Mareš, V.Jeřábek, V.Prajzler: Design and Properties of Planar Polymer Waveguide Bragg Grating Filter, 24th Conference on Optical Communications 2012, Conference Proceedings, Prague, 2012, p. 64-68. [A24]

V. Jeřábek, I. Hüttel, V. Prajzler, K. Bušek, J. Seliger: WDM planární optoelektronický polymerový přijímač, Sborník konference OK 2009, s. 55-62, 2009.

[A25] V.Prajzler, O. Lyutakov, O. Tůma, I. Hüttel, J. Špirková, V. Jeřábek: Design, Fabrication and Measurement Polymethylmethacrylate Optical Waveguides Prepared by Modification of Surface Profile by Applying Electric Field, ElectroScope, vol. 5, No. 3, 2010, pp. 1-5. [A26] L. Vančura - Optická stabilizace reţimu integrovaného laserového vysílače, Bakalářská práce, Praha, 2010. [A27] V. Jeřábek, I. Hüttel: „ Nové součástky hybridní integrované optiky zhotovené planární hybridní technologií“, závěrečná zpráva grantu GAČR 102/06/0424, Praha, únor 2009. [A28] O. Lyutakov, I. Hüttel, V. Prajzler, V. Jeřábek, A. Jančárek, V. Hnatowitz, V.Švorčík: Pattern Formation in PMMA Film Induced by Electric Field, Journal of Polymer Science-Part B: Polymer Physics, Vol. 47, No. 12, 2009, pp.1131– 1135. [A29]V. Prajzler, I. Hüttel, O. Lyutakov, J. Spirkova, J. Oswald, V. Jerabek: Optical Properties of PMMA Polymer Doped with Er3+ and Er3+/Yb3+ Ions, Journal of Physics, Conference Series 100, 2008, p.1-4. [A30] V. Prajzler, I. Hüttel, O. Lutakov, J. Spirkova, J. Oswald, V. Jerabek: Infrared Photoluminescence of Er3+ and Er3+/Yb3+ Doped Epoxy Novolak Resin, International Journal of Microwave and Optical Technology, July 2007, Vol. 2, No. 2, p: 236-240. [A31] V. Prajzler, V. Jerabek, I. Hüttel, O. Lyutakov, J. Spirkova, V. Machovic, J. Oswald, J. Zavadil: Optical Properties of Dy3+ Doped Epoxy Novolak Resin Proceedings Paper, DOI: 10.1117/12.793788, vol: 7061, Optics and Photonics 2008, 10-14 August 2008, San Diego, California.

89

[A32] V. Prajzler, I. Hüttel, J. Spirkova, O. Lyutakov, J. Oswald, V. Jerabek: Spectroscopic and Photoluminescence Study of Epoxy Novolak Resin Polymer Doped with Er3+, Tm3+ and Er3+/Yb3+ ions, MACRO 2008, The 42ad IUPAC World Polymer Congress, Polymers at Frontiers of Science and Technology, June 29 - July 4, Taipei International Convention Center, South Korea. [A33] V. Prajzler, O. Lyutakov, I. Hüttel, J. Oswald, V. Jerabek: Optical and Spectroscopic Properties of Polymer Layers Doped with Rare Earth Ions, Advance in Lasers and Electrooptics, Vukovar: In-Tech, 2010, s. 59-68. [A34] D. Mareš, V.Jeřábek, V.Prajzler: Design and Properties of Planar Polymer Waveguide Bragg Grating Filter, 24th Conference on Optical Communications 2012, Conference Proceedings, Prague, 2012, p. 64-68. [A35]Ing. Michal Písařík, V. Jeřábek, I. Huttel: „ Výzkum a vývoj technologie polymerních optických vlnově selektivních prvků pro informatiku a senzoriku“, dílčí výzkumná zpráva grantu MPO-TIP FR-TI3/797, Praha, 2011. [A36] Z.Švitorka, V. Jeřábek, I. Hüttel „ Výzkum a vývoj technologie polymerních optických vlnově selektivních prvků pro informatiku a senzoriku“, přihláška grantu MPO-TIP, Praha, červenec 2010. [A37]

V. Prajzler, V. Jeřábek, I. Hüttel, E. Alves, Ch. Buchal, J. Špirková, J. Oswald, V. Peřina, H. Boldyryeva, J. Zavadil: Implantation of Er3+/Yb3+ Ions into GaN, WSEAS TRANSACTIONS on ELECTONICS, Issue 4, Volume 3, April 2006, s. 262-267.

[A38]

V. Prajzler, I. Hüttel, J. Špirková, J. Oswald, V. Peřina, V. Machovič, V. Jeřábek: Properties of Sputtered Carbon Layers Containing Erbium and Ytterbium Ions, Electronic Devices and Systems EDS2006, Proceedings International Conference 2006, September 14-15 2006, Brno, s. 403-408.

[A39] V. Prajzler, V. Jerabek, O. Lyutakov, I. Huttel, J. Spirkova, V. Machovi, J. Oswald, D. Chvostova, J. Zavadil: Optical properties of erbium and erbium/ytterbium doped polymethylmethacrylate, Acta Polytechnic Journal of Advanced Engineering, Vol. 48, 2008, s. 14-21. [A40]V. Prajzler, I. Hüttel, O. Lyutakov, J. Špirková, V. Jeřábek: „Fabrication and properties of multi-mode epoxy novolak resin polymer optical waveguides“, MOC08 - The Fourteenth Microoptics Conference - Technical Digest. 25.927.9.2008 Brussels, Belgium, The Optical Society of Japan, The Japan Society of Applied Physics, 2008, p. 158-159. [A41] V. Prajzler, O. Lyutakov, T. Veselý, J. Bárna, I. Hüttel, P. . V. Prajzler, O. Lyutakov, I. Huttel, J. Spirkova, J. Oswald, V. Machovic, V. Jerabek: „Optical Properties of Bi-Doped Epoxy Novolak Resin Containing Ce, Dy, and Y Ions“, J. Appl. Polym. Sci., Vol. 125, No. 1, 2012, pp. 710-715. [A42] Machač, V. Jeřábek: „Polymerní optické planární vlnovody z epoxy novolak resinu“, Slaboproudý obzor, Volume 64, No.1, str. 1-6, 2010. 90

[A43] V. Prajzler, O. Lyutakov, I. Hüttel, J. Báma, J. Špirkova, P. Nekvindová, V. Jeřábek: Simple way of fabrication of Epoxy Novolak Resin optical waveguides on silicon substráte, Physica Status Solidi(C), Vol. 8, No. 9, 2011, pp. 2942-2945 [A44] V. Prajzler, J. Klapuch, O. Lyutakov, I. Hüttel, J. Špirková, P. Nekvindová, V. Jeřábek: Design,Fabrication and Properties of Rib Poly(methylmethacrylimide) Optical Waveguides, Radioengineering, Vol. 20, No. 2, 2011, pp. 479-485. [A45] V. Prajzler, O. Lyutakov, I. Hüttel, T. Veselý, P. Machač, V. Jeřábek: Designed and Fabrication of ENR Polymer Rib Optical Waveguides, ElectroScope, 2009, Vol. 5, No. 3, pp. 67-71. [A46] O.Barkman, V.Jeřábek, V.Prajzler: Design and Modeling of Multimode Interference Power Splitters Made By Ion Exchange in Glass, 24th Conference on Optical Communications 2012, Conference Proceedings, Prague, 2012, p. 74-76. [A47] V.Prajzler, O. Lyutakov, I. Hüttel, J. Špirková, V. Jeřábek: Design of Polymer Wavelengt Splitter 1310nm/1550 nm Based on Multimode Interferences, Radioengineering, vol. 19, No. 4, 2010, pp. 606-609. [A48] V. Prajzler, I. Hüttel, O. Lyutakov, J. Oswald, V. Machovič, V. Jeřábek: „Optical properties of PMMA doped with erbium(III) and ytterbium(III) complexes“, Polymer Engineering and Science, Vol. 49, No. 9, , 2009, pp. 1814 - 1817.

Starší práce se vztahem k problematice habilitace [A49] I.Huttel, I.Braun, S.Boučková, J.Endršt, V.Jeřábek: „ Optické linky s polovodičovými zdroji záření pro přenos informace“, výzkumná zpráva Tesla VÚST, č.173004724/5, 1985 [A50] V. Jeřábek: „ Optoelektronické mikrovlnné integrované obvody“, dílčí výzkumná zpráva Tesla VÚST, č. 173026724/1, 1987 [A51] V. Jeřábek: „ Optoelektronické mikrovlnné integrované obvody“, dílčí výzkumná zpráva Tesla VÚST, č. 173026724/2, 1987 [A52] V. Jeřábek: „ Optoelektronické mikrovlnné integrované obvody“, dílčí výzkumná zpráva Tesla VÚST, č. 193016724/1, 1990 [A53] V. Jeřábek: „ Optoelektronické mikrovlnné integrované obvody“, dílčí výzkumná zpráva Tesla VÚST, č. 1930162431/2, 1991

91

[A54] V.Jeřábek: „ Modulační vlastnosti komunikačních elektroluminiscenčních diod“, Slaboproudý obzor, vol. 46, č.7, str. 301 – 307, 1985 [A55] V.Jeřábek: „Vlastnosti bistabilní laserové diody s mnohonásobně děleným proužkovým kontaktem“, Slaboproudý obzor , vol. 50, č.1, str. 9 – 16, 1988 [A56] Z,Výborný, J.Merta, D.Krásničan, J.Tomek, V.Jeřábek, V.Myslík: „ Fotodetktory kov – polovodič – kov pro integraci na GaAs“, Slaboproudý obzor , vol.51, č.7, str.306 – 309, 1990. [A57] V.Jeřábek, S.Škvor, B.Kovářová, V.Štefan: „ Optoelektronický vysílací a přijímací modul pro velké rychlosti přenosu informace“, Slaboproudý obzor, vol. 52, č.11 – 12, str. 259 – 266, 1991. [A58] V.Jeřábek, S.Škvor: „Optoelektronické HIO“, sborník konference Hybridní integrované obvody, Pardubice, květen 1985, str. 171 – 177. [A59] S.Škvor, V.Jeřábek, D.Michalík: „ Zesilovače pro pásmo 1 GHz“, sborník semináře Mikrovlnné obvody a moduly s polovodičovými součástkami, 21.10.1987, Praha, str. 27 – 34. [A60] S.Škvor, V.Jeřábek: „Aplikace tranzistorů MES FE v optoelektronice“, sborník vybraných prací Tesla VÚST 1988, Praha leden 1988, str. 276 – 279. [A61] I.Huttel, V.Jeřábek, H.Výborný, I.Braun: „ Hybridní a monolitické optoelektronické integrované obvody“, příspěvek do sborníku a přednáška na konferenci Optické komunikace 1988, Praha, 15.3 – 17.3.1988, str. 194 – 198. [A62] I.Braun, I.Huttel, V.Jeřábek: „ Polovodičové struktury pro laserové diody“, přednáška na celostátní konferenci Optické komunikace 1988, Praha, 15.3 – 17.3.1988. [A63] V.Jeřábek, S.Škvor: „ Optoelektronický vysílací a přijímací modul pro vysoké rychlosti přenosu informace“ , publikováno ve sborníku vybraných prací Tesla VÚST 1989, Praha,leden 1989, str. 146 – 159, předneseno na vyţádané přednášce ve VÚPT Brno, 24.3.1989 a konečně publikováno ve sborníku a předneseno na konferenci Součástky pro optoelektroniku, mikrovlnnou techniku a jejich aplikace, Znojmo, 3. – 5.10.1989, str. 105 – 118. [A64] V.Jeřábek: „Optoelektronické integrované moduly“, příspěvek do sborníku a přednáška na konferenci Lokální optické sítě, Tábor, 27. – 28.4.1989, str. 86 95. [A65] S.Škvor, V.Jeřábek: „ Uplatnění HIO v optoelektronických obvodech pro rychlý přenos dat“, příspěvek do sborníku na konferenci HIO 89, Hradec Králové, říjen 1989, str. 87 – 92.

92

[A66] V.Jeřábek: „ Vlastnosti optoelektronických modulů pro vysoké rychlosti přenosu informací“, sborník celostátní konference Optické komunikace 1990, Praha, 10.– 12.4.1990, str. 215 – 219. [A67] V.Jeřábek, S.Škvor: „ Optoelektronický přijímací modul s vysokou citlivostí“, příspěvek do sborníku a přednáška na konferenci Elektronické součástky 91, Pardubice, listopad 1991, str. 152 – 156. [A68] V.Jeřábek, J.Dostál: „ Vícekanálový optoelektronický přenos signálu“, příspěvek do sborníku a přednáška na konferenci Lokální optické sítě, Tábor, březen 1991, str. 14 – 19.

Řešené granty a výzkumné záměry pod vedením nebo s účastí autora [G1] Výzkumný záměr FEL ČVUT: Výzkum perspektivních informačních technologií, MSM 6840770014 , 2005-2011. [G2] V.Jeřábek, I. Hüttel: Nové součástky integrované optiky zhotovené planární hybridní technologií, GAČR 102/06/0424 , 2006-2008. [G3] Z. Švitorka, V. Jeřábek, I. Hüttel: Výzkum a vývoj technologie polymerních optických vlnově selektivních prvků pro informatiku a senzoriku, MPO-TIP FRTI3/797, 2011-2013.

Práce se vztahem k řešené problematice [1 ] [2 ] [3 ] [4 ] [5 ] [6 ] [7 ] [8 ]

P.I.Kaminow: Optical Integrated Circuits: A personál perspektive, IEEE J.of Lightwave Technology, vol.26, N 9, 2008, s.994-1004 S.E.Miller: Integrated Optics: An introduction, Bell System Technical Journal, vol. 48, 1969, p. 2059 W.J.Tomlinson at all: Photoinduced refractive index increase in poly (methylmethacrylate) and its applications, Apply Physics Letters, vol. 16, 1970, p. 486489 R.V.Schmidt and I.P.Kaminow: Metal-diffused optical waveguides in LiNbO3, Apply Physics Letters, vol. 25, 1974, p. 458-460 C.P.Lee,S.Margalit, I.Ury, A.Yariv: Integration of an injection laser with a Gunn oscilátor on a semi-insulating GaAs substráte, Apply Physic Letters, vol. 32, 1978, p.806-807 I.Ury, K.Y.Lau: Very high frequncy GaAlAs laser field-effect- transistor monolitic integrated circuit, Apply Physic Letters, vol. 41, 1982, p. 126-128 R.F.Lehemy at al.: Integrated InGaAs p-i-n FET photoreveiver, Electronics Letters, vol 16, 1980, s. 353-355 N.Bar-Chaim, K.Y. Lau, I.Ury: Monolitic optoelectronic integration of a GaAlAs laser, a field-effect tranzistor, and a photodiode, Apply Physic Letters, vol. 44, 1984, p.941-943 93

[9 ] [1 0 ] [1 1 ] [1 2 ] [1 3 ] [1 4 ] [1 5 ] [1 6 ] [17] [18] [19] [20] [2 1 ] [2 2 ] [2 3 ] [2 4 ] [2 5 ] [2 6 ] [27] [2 8 ] [2 9 ]

N.Bar-Chaim, S. Margalit, K.Y. Lau, I.Ury: GaAs integrated optoelectronics, IEEE Trans. Elektron Device, ED 29, 1982, p.1372-1381 J.K.Carney, M.J. Helix, R.M. Kolba: Gigabit optoelectronic transmitters, 1982, GaAs IC Symposium, s.48-51. K. Ohnaka at al.: A planar InGaAs PIN/JFET fiber-optics detector, IEEE J.of Quantum Electronics, vol. 21, 1985, s. 1236-1239. A. Antreasyan at al.: Stop-cleaved InGaAsP laser monolyticaly integrated with a monitoring detector, Apply Physic Letters, vol. 47, 1985, s.920-922. N.K.Dutta at al.: Continuosly tunable distributed feedback laser diode, Apply Physics Letters, vol. 47, 1985, s. 981-983. A. Sasaki at al.: Light-to light transducers with Amplification, IEEE Transaction on Electron Devices, vol. 35, 1988, s. 780-786. H.Matsuda, S.Sasaki, M.Nakamura: GaAs optoelectronic integrated light sources, Journal of Lightwave Technology, vol.1, 1983, p.261-269. T.H.W indhom at all.: AlGaAs double-heterostructure diode lasers fabricated on a monolitic GaAs/Si substráte, Apply Phys. Lett., vol.45, 1984, p. 309-311. L. Demeure, J.P. Ramy: Special Hybrid Peckage for Laser Semiconductor Devices in Optical Telecommunications, 4th European Hybrid Microelectronics Konference Proceedings, Compenhagen, 1983, p. 482-487.-kap. 1-17 K.H.Cameron, M.B.Matthews, K.R. Presto, D.W. Smith: A hybrid Laser Transmitter Module for Use in Optical Fiber Systéme, 30th ECC Proceedings, San Francisco, 1980, s. 254-260. kap. 1-18. R. Nagarjan at all.: Singlr-chip 40-channel InP transmitter photonic integrated circuit capable of aggregate data rate of 1.6 Tb/s, Electronic Letters, vol. 42, no. 13, 2006, s. 771-773. C. Joyner, D. Lambert, P. Edvans, M.Raburn: III-V Photonic Integrated Circuits and Their Impact on Optical Network Architectures, Optical Fiber Telecommunications, Academic/Elsevier, New York, 2008, ch.10. R.Nagarjan at al.: InP Photonic Integrated Circuits, IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 16, No.5, 2010, p.1113-1125. R.Nagarjan, M. Smit: Photonic Integration, IEEE LEOS News Letter, vol.21, No. 3, 2007, p.4-10 B.L. Booth: Low loss channel waveguides in polymers, Journal of Lightwave Technology, vol.10, 1998, p.1445-1453. J.F. Viens, C.L.Calender, J.P.Noad, L. Eldada: Polymer-based waveguide devices for W DM application, Proc. SPIE, vol. 3799C, 1999. R.Moosburger, K.Petermann: 4x4 digital optical matrix switch using polymeric oversized rib waveduides, IEEE Photonic Technological Letters, vol. 10, 1998, p.684-686. D.S.Levy, R.Scarmozzino, Y.Li, R.M.Osgood Jr.:A new design for ultracompact multimode interference-based 2x2 couplers, IEEE Photonic Technological Letters, vol.10, 1998, p.96-98. L.Eldada, L.W.Shacklette: Advances in Polymer Integrated Optics, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr 6, 2000, .54-59. B.L. Booth: Low loss channel waveguides in polymers, Journal of Lightwave Technology, vol.10, 1998, p.1445-1453. K.Ogawa, E.L.Chinock: GaAs F.E.T. transimpedance fron-end design for a wideband optical receiver, Electronic Letters, vol. 15, p. 650-652.

94

[30] H.Nakano, S.Yamata, T.P.Hirao at al.: Monolitic integration of laser diodes, photomonitors and laser driving and monitoring circuits on a semi-insulating GaAs, Journal of Lightwave Technol., vol. 4, p. 574-582. [31] K. Shiraishi, S. Kuroo: A New Lensed-Fiber Configuration Employing Cascaded GI-Fiber Chips, IEEE J. Lighwave Technol., vol.18, No. 6, 2000, p. 787-794. [32] K.Kato,Y.Tohmori: PLC Hybrid Integration Technology and Its Application to Photonic Components, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr., vol. 6, no.1, 2000, p.413. [33] M.K.Smith,C.vanDam: PHASAR-based WDM-Devices: Principles, Design and Applications”, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr., vol. 2,1996, pp. 236-250. [34] T.Hashimoto, Y.Nakasuga: Mulitchip Optical Hybrid Integration Technique with Planar Lightwave Circuit Platform, IEEE J. Lighwave Technol., vol.16, 1998, pp. 1249-1257. [35] K. Kim, S.Y.Kim, W.W.Kim: Development of Compact and Low-Crosstalk PLCWDM Filters for Hybrid-Integrated Bidirectional Optical Transceivers, vol.23, no.5, 2005, pp. 1913-1917. [36] Younk-Tak Han: Fabrication of TFF-Attached WDM-Type Tryplex Transciever Module Using Silica Hybrid Integration Technology, IEEE J. Lightwave Technol. vol. 24, 2006, pp. 5031-5038. [37] H.Terui, K.Shuto: Novel Micromirror for Vertical Optical Path Conversion Formed in Silica-Based PLC Using Wattability Control of Resin, IEEE J. Lighwave Technol. vol.16, 2002, pp.105-113. [38] Hunsperger, R. G., Integrated Optics, Theory and Technology, Springer Verlag, Berlin, pp.87-93 (1982). [39] H.Terui, Y.Akahuri: Novel Micro-Fabrication Technique for Silica-Based PLC and its Application to 24-ch WDM Photoreceiver with AWG, LEOS´98, paper WU1, pp.311-312. [40] L.Eldada, L.W.Shacklette: Advances in Polymer Integrated Optics, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr. vol. 6, 2000, pp. 54-59. [41] K.K.Tung: Polymeric Optical Waveguides Using Direct Ultraviolet Photolitography process, Appl. Phys. A80, 2005, pp.621-625. [42] J.F.Viens, C.L.Callender: Polymer-based Waveguid Devices for WDM Applications, Proc. SPIE, 3799C, 1999, pp.125-141. [43] T.Hatta, T. Miyahara, N. Okada at all: Hybrid Integration of Waveguide Photodiode and Proeamplifier IC Using Au Stud Bump, , IEEE J. Lighwave Technol., vol.24, No. 8, 2006, pp. 3187-3194. [44] K.Kato: Ultrawide-Band/High-Frquency Photodetectors, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 7, 1999, pp. 1265-1281. [45] J.H.Song, K.Y.Kim, J. Cho, D. Han, J. Lee, Y.S. Lee, S. Jung, Y. Oh, D. Jang, K.S. Lee: Thin Film Filter-Embedded Triplexing-Filters Based on Directional Couplers for FTTH Networks, IEEE Photonics Technology Letters, vol.17, no.8,2005,pp.1668-1670. [46] K. Takahata, Y. Muramoto, H. Fukano, K. Kato, A. Kozen, S. Kimura, Y. Imai, Y. Miyamoto, O. Nakajima, Y. Matsuoka: Ulterafast Monolitic Receiver OEIC Composed of Multimode Waveguide PIN Photodiode and HEMT Distributed Amplifier, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr., vol. 6, no.1, 2000, p.31-37. [47] N. Dagli: Wide-Bandwidth Lasers and Modulators for RF Photonics, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 7, 1999, pp. 1151-1171. 95

[48] Ch. Chen, N.H. Zhu, S.J. Zhang, Y. Liu: Characterization of Parsitics in TOPackaged High-Speed Laser Modules: IEEE Transactions on Advance Packaging, vol. 30, no. 1, 2007, pp. 97-103. [49] J.T. Kim, J.J. Ju, S. Park, M. Lee: O/E Integration of Polymer Wveguide Devices by Using Replication Technology, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr., vol. 13, no. 2, 2007, p.177-183. [50] G.H.B. Thomson: Physics of Semiconductor Laser Devices, John Wiley & Sons, Ltd, 1980, Great Britain. [51] R.S. Tucker: Large-Signal Circuit model for Simulation of Injection-Laser Modulation Dynamics, IEE Proceedings, vol. 128, Pt.I, no. 5, 1981, pp. 180184. [52] R.S. Tucker: Microwave Circuit Models of Semiconductor Injection Lasers, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, vol. 31, no. 3, 1983, pp. 289-293. [53] Ondax Ltd. Technické podmínky pro VHGT. [54] J.A.Arciniega: The Optical and Optoelectronic Micromodules for Hybrid Optoelectronic Receiver with Volume holographic Gratning, PhD thesis, Prague, 2011. [55] H. Kawaguchi, G. Iwane: Bistable operation in semicoductor lasers with inhomogenous excitation, Electron.Letters, 1991, vol. 17, no.4,. pp. 167-.168. [56] C. Harder, K. Lau, A. Yariv: Bistability and pulsations in semiconductor lasers with inhomogenous current injection. J. Quantum Electronics, vol. 18, no.9, pp. 1351.-.1361, 1982. [57] V.Švorčík, I.Huttel, P.Paláček: Polymetylmetacrylate optical waveguides prepared in electrical field, Materials Letters., vol.61, 2007, s.953-955. [58] O.Lyutakov, I.Huttel, V.Švorčík: Thermal stability of refractive index of polymetylmetacrylate layers prepared under electric field. J.Mater Sci:Mater Electron., vol.18, 2007, s.457-461. [59] V.Švorčík, O.Lyutakov, I.Huttel: Thickness dependence of refractive index and optica gap of PMMA layers prepared under electrical field. J.Mater Sci:Mater Electron., vol.19, 2008, s.363-367. [60] Lyutakov, V.Švorčík, I.Huttel, J.Siegel, N.Kasálková, P.Slepička: Refractive index of polymetylmetacrylate oriented by fluid temperature under electric field. J.Mater Sci:Mater Electron., vol.19, 2008, s.1064-1068. [61] G. Taylor: Studies in Electrohydrodynamics. I. The Circulation Produced in a Drop by Electrical Field, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol.291, No. 1425. 1966, pp. 159-166. [62] H. A. Stone, J. R. Lister and M. P. Brenner: Drops with Conical Ends in Electric and Magnetic Fields, Proc.R. Soc. Lond., A(1999), vol. 455, 1964, s.329-347. [63] L. Y. Yeo and J. R. Friend: Electrospinning Carbon Nanotube Polymer Composite Nanofibers, Journal of Experimental Nanoscience, Vol 1, No. 2, 2006, s.177-209. [64] K.K.Tung: Polymeric Optical Waveguides Using Direct Ultraviolet Photolitography process, Appl. Phys. A80, 2005, pp.621-625. [65] BOSC, D.; MAALOUF, A.; HENRIO, F.; HAESAERT, S.: Strengthened poly(methacrylate) materials for optical waveguides and integrated functions. Opt. Mater. (2007), doi:10.1016/j.optmat.2007.09.008.(Klabuch) [66] H.Y.Liu, G.D.Peng and P.L.Chu: Thermal stability gratings in PMMA and Cytop polymer fibres, Optics Communications, vol. 204, no. 1, 2002, s.151-156. 96

[67] Mokráň: BSc výpočty Ormoclad/ormocor [68] R. Heng, D. Habibi: Emerging Architectures for Optical Broadband Access Network, Edith Copan University, 2003. [69] Junming An, Jian Li, Junyi Li, Yuanda Wu, Xiongwei Hu: Novel triplexing-filter design using silica-based direction coupler and an arrayed waveguide grating, Optical Engineering, Vol.48, No.1, p.11-15. [70] S. Fan, D.Guidotti, H.Chien, G.chang: A Novel Polymeric Wavelength Triplexer Designed for 10Gb/s TDM-PON Based on Cascaded-Step-Size Multimode Interference, Optical Express, vol. 16, no.17, pp. 12664-12669. [71] A.J.Kenyon: Recent developments in rare-earth dopid materials for optoelectronics. Progress in Quantum Electronics , vol. 26, 2002, s. 225-284. [72] A.Polman: Erbium implanted thin film photonic materials. J. of Applied Physics, vol. 82, 1997, s. 1-39. [73] P.G.Kik, A. Polman: Erbium-doped optical waveguide amplifiers on silicon. MRS Bulletin, vol. 23, 1998, s. 48-54. [74] P.Čapek: Erbium doped planar waveguides in dielectric materials, doktorská disertační práce, FEL- ČVUT v Praze, 2004. [75] B.R.Judd: Optical Absorption Intensities of Rare-Earth Ions. Phys. Review 127, 1962, s. 750. [76] G.S.Ofelt: Intensities of Crystal Spectra of Rare-Earth Ions. Chem. Phys., vol. 37, 1962, s. 511. [77] C.E.Chyssou, F. Di Pascale, C.W . Pitt: Improved gain performance in Yb3+ sensitized Er3+ -doped alumina (Al2 O3) channel optical waveguide amplifiers. J. of Lightwave Technology, vol. 19, 2001, s. 345-349 [78] C.Strochhofer, A. Polman: Relationship between gain and Yb3 concentration in Er3+ - Yb3+ doped waveguid amplifiers. J. of Applied Physics, vol. 90, 2001, s. 4314-4320. [79] R. Balda, M. Sanz, A. Mendioroz, J. Fernandez, L.S. Griscom, J.L. Adam: Infrared–to Visible Upconversion in Nd3+ - Doped Chalcohalide Glasses. Physical Review, B 64, 2001. [80] S.X. Dai, J.J. Zhang, S.G.Li, J.H. Yang, S.Q. Xu, G.N. Wang, L.L. Hu: 1.3 m Emission from Nd3+ - Doped Telluride Glass Fiber. J. of Materiál Science & Technology, vol. 20, 2004, s.668-670. [81] H. Tawarayama, E. Ishikawa, K. Yamanaka: Pr3+ - Doped Ge-S-I Glasses as Candidate Material for 1.3 m Optical Amplifiers. J. of American Ceramic Society, vol. 83, 2000, s.792-796. [82] B.N. Samson, J.A.M. Neto, R.I. Laming, D.W. Dewak: Dysprosium Doped Ga:La:S Glass for an Efficient Optical-Fiber Amplifier Operating at 1.3 m.Electronic Letters, vol. 30, 1994, s. 1617-1619. [83] Fujimoto, Y.; Nakatsuka, M. Jpn J Appl Phys Part 2-Lett 2001, 40, L279.-křemenné sklo Bi [84] Ruan, J.; W u, E.; Zeng, H. P.; Zhou, S. F.; Lakshminarayana, G.; Qiu, J. R. Appl Phys Lett 2008, 92, 101121.11. – Bi,Yb-sklo [85] W.W.Han:A Study of Polymeric Waveguide Devices, PhD Thesis, City University of Hong Kong, Hong Kong, 2009. [86] S.F. Wong, Pun, E.Y.B. (2002). Er3++ Yb3++ codoped phosphate glass waveguide amplifier using Ag+Li+ ion exchange, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 14, s. 80-82, 2002.

97

[87] N. Yoshikate, Y. Terakawa, H. Hosokawa: Polymer optical waveguide device for FTTH, Proceedings of the Opto-Electronics and Communications Conference, Sydney, 2008, s.1-2. [88] A. Briliant: Digital And Analog Fiber Optic Communications for CATV and FTTx Aplications, SPIE Press and J.W iley, Bellingham, W ashington. 2008. [89] O.Lyutakov,I.Huttel,J.Siegel, V.Svorcik: Regular surface grating on doped polymer induced by laser scanning, Aplied Physics Letters, Vol. 95, no. 17, pp. ?, DOI: 10.1063/1.3254210. [90] J. Grexa: Teoretický návrh optické odbočnice, Diplomová práce, FEL ČVUT, 2011. [91] S. Huffner: Optical Spectra of Transparent Rare Earth Compaunds, Academic, New York, 1978. [92] H.Ebendorf-Heidepriem, D.Ehrt, M.Bettinelli, A.Speghini: Effect of Glass Composition on Judd-Ofelt Parameters and Radiative Decay Rates of Er3+ in Fluoride Phosphate Glasses, Journal of Non-Crystaline Solids, vol. 240, 1998, s.66-78 [93] J. Amin, B. Dussardier, T.Schweitzer, M. Hempstead: Spectroscopic Analysis of Er3+ Transitions in Lithium Niobate, Journal of Luminiscence, vol. 69, 1996, s.17-26. [94] G.C. Righini, S. Pelli, M. Brenci, M. Ferrari: Aktive Optical Waveguides Based on Er and Er/Yb-doped Silicite Glasses, Journal of Non-Crystaline Solids, vol. 284, 2001, s. 223-229. [95] R. Cliford, J. Pollock: Fundamentals of optoelectronics, Igwin Inc., 1995, Chap. 2. [96] G. Fischbeck, R. Moosburger, M. Topper, K. Petermann: Design concept for singlemode polymer waveguides, Electronic Letters, vol. 32, no. 3, 1996, s. 212-213. [97] Pham Ngoc Kien: Návrh planárního mnohavidového optického vlnovodu, bakalářská práce, České vysoké učení technické, Praha, 2010. [98] J. Klapuch: Návrh nového polymerního optického vlnovodu, bakalářská práce, České vysoké učení technické, Praha, 2010. [99] H. Tůma: Návrh 1x3 polymerní planární rozbočnice, České vysoké učení technické, Praha, 2011. [100]M. Mokráň: Analýza a návrh nových polymerních planárních fotonických struktur, diplomová práce, České vysoké učení technické, Praha, 2012. [101] Bušek, V.Jeřábek, V.Prajzler:The Planar Optical Wavelength Selective System wth The MMI Filter and The Directional Coupler, 24th Conference on Optical Communications 2012, Conference Proceedings, Prague, 2012, p. 74-76. [102] B.L.Soldano, E.C. Pennings: Optical multi-mode interference device based on self-imaging principles and applications, J. of Lightwave Technology, 1995, vol.13, No. 4,p. 615-627. [103] Y.L.Sam, H.YWon: A Compaq and low-loss 1x2 wavelength MUX/DEMUX based on a multimode-interference coupler using quasi state, Microwave and Optical Technology Letters, 2004, vol. 41, No. 2, p. 86-88. [104] R. Svoboda:Návrh nových fotonických struktur pro sítě PON,, bakalářská práce, FEL- ČVUT v Praze, 2011. [105] O.Barkman, V.Prajzler, P.Nekvindová: Design and Modeling of the Single Mode Optical Glass Waveguides for Passive Photonics Structures, 23th Conference on Optical Communications 2011, Conference Proceedings, Prague, 2012, p. 101-104. 98

[106] D. Mareš: Optické mříţky pro informatiku, diplomová práce, České vysoké učení technické, Praha, 2012. [107] D.E.McCumber: Theory of Phonon- Therminated Optical Masers, Physics Review, vol. 134, 1964, s. 299-306. [108]H. Nishihara, M. Haruna, T. Suhara: Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill, New York, 1989, pp. 74 – 76. [109]H. Kogelni: Coupled wave theory for thick hologram gratings, The Bell System Technical Journal 48, pp. 2909 -2947, 1969. [110]J. Broţ, V.Roskovec, M.Valouch: Fyzikální a matematické tabulky, SNTL,Praha, 1980. [111]J. Schrofel: Planární optické vlnovody pro senzory a zesilovače, Habilitační práce, České vysoké učení technické, Praha, 1995. [112]K. Novotný: Optická komunikační technika, Skriptum ČVUT, 2002, Praha. [113]A.Mekis, S.Gloeckner, G.Masini at al: A Grating-Coupler-Enabled CMOS Photonics Platform, vol.17, no.3, 2011, p. 597-608.

10.1 Příloha A – porovnání hodnot Judd-Ofeltových koeficientů t a příčných průřezů abs a emt pro vybrané typy skel, lithiumniobatu a polymer ENR Judd-Ofeltova teorie [75], [76] zavádí trojici spektroskopických parametrů t (t=2,4,6) pro určení pravděpodobnosti zářivých přechodů uvnitř atomu aktivátoru, umístěného mezi atomy matrice v opticky aktivním prostředí. Celková absorpce elektrických dipólových oscilátorů v atomech aktivátoru mezi přechody ze stavu J do stavu J´ je vyjádřena (A.1),

(A.1) kde m je hmota elektronů, c je rychlost světla, h je Planckova konstanta, je vlnová délka odpovídající přechodu mezi dvěma stavy, n je index lomu prostředí. Pro elektrické dipólové oscilátory Sed při přechodech mezi spinovými stavy charakterizovanými termy 2S+1LJ a 2S+1LJ´ platí (A.2)

(A.2) a pro magnetické dipólové oscilátory (A.3)

(A.3) kde e je náboj elektronu, m je hmota elektronu, c je rychlost světla ve vakuu a 99

J U (t ) J ´

J L

2S J ´

je dvakrát redukovaný maticový element tenzorového operátoru U (t), a je maticový element tenzoru magnetického operátoru, který je

nezávislý na vlastnostech uspořádání atomů matrice. Vliv okolních atomů vlastní matrice a jejich uspořádání na optické vlastnosti aktivátoru popisují tři parametry t (t=2,4,6,).. Parametr 2 charakterizuje asymetrii a kovalenci vazby mezi aktivátorem a matricí, 6 udává sílu vzájemných vazeb, mezi atomem aktivátoru a atomem matrice (nejčastěji kyslíkem), 4 charakterizuje změny u obou parametrů. Experimentálně lze závislost Pexp [J;J‘] určit měřením integrovaného absorpčního koeficientu Pexp transmisních spekter atomů aktivátoru umístěných v matrici, vyuţitím vztahu (A.4).

(A.4) kde N je koncentrace atomů aktivátoru, je frekvence, d je tloušťka vzorku v cm, E( je absorpční spektrální závislost. Z Judd-Ofeltovy teorie lze také určit pravděpodobnost spontánních zářivých přechodů A[J;J‘] v atomech aktivátoru charakterizované rovněţ změnami vektorů celkového spinového momentu J a J´mezi jednotlivými energetickými úrovněmi termů (A.5). Tato výsledná pravděpodobnost spontánních přechodů je vyjádřena sumou pravděpodobnosti spontánní emise fotonů z elektrických Aed a magnetických Amd dipólů.

(A.5) Pravděpodobnosti A[J;J‘] těchto spontánních zářivých přechodů vyjadřuje tzv. Einsteinův diferenciální koeficient A21 popisující rychlost přechodů elektronů resp. rychlost spontánní emise fotonů na aktivační úrovni atomu aktivátoru. Tyto koeficienty jsou vyuţívány v tzv. rychlostních rovnicích pro výpočty vzájemných závislostí elektronových a fotonových populací a také optického zisku opticky aktivních prostředí při optickém nebo elektrickém čerpání. Vyuţitím A[J;J‘] pak lze určit koeficient větvení jednotlivých energetických úrovní (A.6) a doby ţivota elektronů rad na příslušném termu (A.7).

(A.6)

(A.7)

100

Příčné průřezy jsou důleţité při stanovení prahových čerpacích výkonů optického záření z absorpčních spektrálních charakteristik daného aktivního materiálu pro danou čerpací vlnovou délku. Absorpční příčný průřez abs lze stanovit transmisním měřením optických absorpčních spekter dle vztahu (A.8). Na základě vztahu (A.9), odvozeného z obecné McCumberovy teorie [106], lze pak určit emisní příčné průřezy emit opticky aktivních atomů prostředí.

(A.8)

(A.9) Porovnejme t parametry a příčné průřezy abs a emt dielektrických opticky aktivních materiálů silikátových a fluoridových skel, LiNbO3 [79], [80], [81], [82] a polymerových materiálů SU-8 (ENR) s dotací Er3+ a Er3+/Yb3+ [85] pro učinění závěru o vhodnosti matrice optických polymerů pro umístění opticky aktivních iontů, viz tab. A.1 - A.4. O závislosti indexu lomu optické vrstvy polymeru ENR s různými koncentracemi Er3+ a Er3+/Yb3 informuje tab. A.5. Lze z ní usoudit, že se zvyšováním koncentrace aktivátorů index lomu vrstvy klesá. Vlastnosti těchto a dalších materiálů byly také studovány na katedře mikroelektroniky z hlediska jejich vlastností pro konstrukci opticky aktivních vlnovodů a optických zesilovačů. Teoretické i experimentální závěry z těchto výzkumných prací, které byly věnovány především křemičitým sklům a lithium niobatu dotovaným Er3+ jsou prezentovány v pracích [74] a [107]. Vyplývá z nich, že Judd-Ofeltovy koeficienty dobře odráží optickou aktivitu Er3+ u těchto dielektrických materiálů. Bylo zde konstatováno, že vysokou hodnotu 2, parametru, který hodnotí kovalenci matrice, a příčného průřezu emit lze dosáhnout sníţením basicity materiálu a zvýšením kovalentního charakteru příměsi, kde pro sodná skla se ukazoval nejvhodnější ZnO, kde atomy zinku omezovaly klustrování (shlukování aktivátorů) a zhášení luminiscence. Naopak technologické důvody, především přítomnost O-H skupin při protonové výměně Ti-Li vedly k tomu, ţe aktivní dotace Er3+ u vlnovodů LiNbO3 s protonovou výměnou Ti nejsou vhodné. Vzniká zde vysoký obsah O-H iontů, způsobujících up-konverzi čerpací energie a vznik klustrování iontů aktivátoru.

101

Tab. A.1 Vypočítané t (t=2,4,6,) pro aktivátor Er3+ v silikátových, fluoridových sklech a LiNbO3 [74]

Tab. A.2 Vypočítané příčné průřezy LiNbO3 [74]

abs

a

emit

silikátových, fluoridových skel a

Tab. A.3 Vypočítané t (t=2,4,6,) koeficienty pravděpodobnosti zářivých přechodů různých objemových poměrů aktivátorů Er3+:Yb3+ pro epoxypolymer ENR [85]

102

Tab. A.4 Vypočítané příčné průřezy epoxypolymer ENR [85]

abs

a

emit

pro aktivátory Er3+:Yb3+ v

Tab. A.5 Změřené indexy lomu pro aktivátory Er3+:Yb3+ v epoxypolymer ENR [85]

Porovnáním výše uvedených tabulek lze dospět k těmto závěrům: 1) Celkové velikosti paramterů t a tím také negativní vliv matrice na amisi a absorpci fotonů z aktivátorů je nejvýraznější u lithium niobátu a ze skel je výraznější u fosfátových skel, neţ u skel silikátových. 2) Vliv matrice na chování polymerů dotovaných aktivátory je menší neţ u dielektrických materiálů a závisi na obsahu dopantu a kodopantu. S obsahem kodopantu klesá. 3) Výrazná doba ţivota indikuje, ţe je moţné vytvořit výraznou inverzi populace, projevující se vysokým optickým ziskem struktur. Výjimku tvoří lithium niobát. 3) Pokud jde o příčné průřezy, jejich hodnoty svědčí o výraznější absorpci čerpacího záření u polymerů a poněkud niţšími hodnotami absorpce a emise zesilovaného záření, neţ je tomu u dielektrických materiálů, zvláště skel. Výrazně vyšší hodnoty především pokud jde o zesilované záření vykazuje lithium niobát.

103

4) Závěrem lze shrnout, ţe polymerové planární vlnovody s dotací vzácnými zeminami mohou dle tohoto srovnání vykazovat luminiscenci a při vyšším čerpání mohou zesilovat optické záření.

10.2 Příloha B – odvození vztahů pro výpočet tloušťky vrstev pláště pro optický planární vlnovod. Pro stanovení minimální tloušťky vrstev substrátu a pláště je třeba vyjít z vlnových rovnic popisujících rozloţení vln TE a TH v těchto vrstvách. Distribuce 2D elektromagnetického pole v jádru i v oddělovací a plášťové vrstvě vyhovuje řešení vlnové rovnice (B.1) a (B.2) pro m-tý vid elektrické i magnetické sloţky pole. 2

E y ,m

ni2 c2

2

H x ,m

ni2 c2

2

2

kde ni= nf, np, ns

E y ,m

(B.1)

t2

H x ,m

(B.2)

t2

V případě TE vlny šířící se ve směru osy z šířící se s fázovou konstantou m má pole sloţky Ey,m, Hx,m, Hz,m. Řešením elektromagnetického pole je (B.3), (B.4) pro jednotlivé vidy m. E y , m ( x, y , z )

E y , m ( x )e j (

t

mz)

(B.3)

H x , m ( x, y , z )

H x , m ( y )e j (

t

mz)

(B.4)

U vlny TM šířící se ve směru osy z šířící se s fázovou konstantou m má pole sloţky Hy,m, Ex,m, Ez,m. Řešením elektromagnetického pole je rovinná vlna (B.5), (B.6). E x , m ( x, y , z )

E x , m ( y )e j (

t

mz)

(B.5)

H y , m ( x, y , z )

H y , m ( x )e j (

t

mz)

(B.6)

Předpokládejme pro jednoduchost jednorozměrný případ pro vlnu TE, kdy intenzita příčného elektrického pole se mění pouze v souřadnici x. Intenzita elektrického pole Ey,m (x) pak je určena v jednotlivých polymerových vrstvách výrazy (B.7) aţ (B.9)

104

pro 0

E y ,m

A exp( qm x)

E y ,m

B cos(hm x) C sin( hm x)

E y ,m

D exp[ pm ( x hcm )]

pro

(B.7)

x

hcm

pro

x

0

x

hcm

(B.8) (B.9)

kde A, B, C, D jsou integrační konstanty, které určíme pomocí okrajových podmínek na rozhraní vrstev. Normované konstanty šíření qm,hm,pm jsou dány vztahy (B.10) aţ (B.12)

qm hm

pm

2 m

(nC k 0 ) 2

(n f k 0 ) 2 2 m

(B.10)

2 m

(B.11)

(nS k 0 ) 2

(B.12)

Po aplikaci okrajových podmínek rovnosti funkčních hodnot Ey a jejich prvních derivací dEy/dx na rozhraní vrstev pro body x = 0 a x = hcm lze eliminovat některé integrační konstanty a soustavu řešení (B.7) aţ (B.9) vyjádřít jako (B.13) aţ (B.15)

E y ,m Ey,m E y ,m

pro 0

A exp( qm x)

q sin( hm x)] pro h q A[cos( hm hcm ) sin( hm hcm )] exp[ p( x hcm )] pro h A[cos(hm x)

(B.13)

x

hcm

x x

0

(B.14)

hcm

(B.15)

Hodnotu integrační konstanty A lze určit z normovací podmínky pro maximální hodnotu intenzity elektrického pole v jádru vlnovodu Ey,m,max = 1. Polohu maxima na ose x=xmax určíme z derivace výrazu (B.14) dE y ,m dx

A[ h sin( hm x) q cos(hm x)]

0

(B.16)

po úpravě tan(hm x max )

qm hm

(B.17)

Řešením rovnice (B.17) lze určit hodnotu xmax pro Ey,m,max = 1. Normovací podmínka pak má tvar (B.18). norm [cos( hm xmax )

q sin( hm xmax )] 1 / A h

(B.18)

Předpokládejme, ţe hodnoty intenzity elektrického pole, vyzářeného do pláště resp. substrátu planárního optického vlnovodu pro m-tý vid budou omezeny na 1%. Pak můţeme tloušťky vrstev substrátu a krycí vrstvy vyjádřit z řešení rovnic (B.19) a (B.20), pro normovanou hodnotu intenzity elektrického pole, Ey,norm,m(x) v plášti resp. v substrátu vlnovodu.

105

E y , norm , m

1 exp( qm hclad , m ) norm

(B.19)

0.01

q 1 cos(hm hcm ) ( m ) sin( hm hcm ) exp( p m (hsub ,m norm hm

E y ,norm ,m

hcm ))

0.01

(B.20)

kde hledané hodnoty hclad,m a hsub,m tloušťky pláště resp. substrátu pro 1% vyzáření normované intenzity elektrického pole Ey,norm,m(x). Normovanou sloţku intenzity elektrického pole Ey,norm,m(x) v jádře vlnovodu lze vyjádřit ze vztahu (B.21) E y , norm , m

1 [cos( hm x) norm

q sin( hm x)] h

(B.21)

Průběhy sloţek magnetického pole lze určit derivací, dle Maxwelových rovnic. Stejný postup by byl volen pro řešení vlny TM.

10.3 Příloha C – Odvození vztahu mezi záznějovou a interferenční vzdáleností v MMI vrstvě pro konstruktivní a restriktivní interferenci. Celkovou intenzitu elektrického pole v osově symetrické interferenční oblasti MMI, lze popsat sloţkami jednotlivých vidů intenzity elektrického pole Eym zjednodušeným vztahem pro fázovou konstantu m (C.1) M

E y ( x, z )

M

E ym ( x, z )

m 0

Am cos

m 0

(m 1) x W

m 2

exp j

(m 1) 2 4neff W 2

jkneff z

(C.1)

kde Am je amplituda intenzity elektrického pole definovaná (4.13), W je šířka interferenční oblasti.

Am

2 W

W /2 W /2

E y ( x) cos

(m 1) x W

m dx 2

(C.2)

Ve interferenční vzdálenosti LI bude intenzita elektrického pole Eym popsána výrazem(C.3). m y

E ( x, LI )

(m 1) Am cos x W

m 2

(m 1) 2 exp j 4neff W 2

jkneff

(C.3)

Záznějový rozdíl konstant šíření pro nultý a m-tý vid pak lze vyjádřit (C.4). 0

m

m(m 1) LI 3L

(C.4)

106

Vzor rozloţení intenzity elektrického pole v bodě E(x,0) zobrazí do bodu z=LI svůj obraz E(x, LI) zapředpokaldu vybuzení všech vidů bude-li platit podmínka konstruktivní interference (C.5).

m(m 1) LI 3L

( 1) m

(C.5)

Tato podmínka bude splněna, pokud pokud platí (C.6), odvozený v kap. 4.2.5.

4neff We

L 0

LI

3

1

2

(C.6)

0

kde p = 0,1,2, …

p (3L )

(C.7)

pak se při konstruktivní interferenci rozloţení interferujícího pole v bodě z=0 zobrazí obraz tohoto pole přesně do bodu z=LI. K vícenásobnému zobrazení dvoj, troj, nnásobnému dochází, pokud platí podmínka (C.8) p LI (3L ) kde p= 1,3,5,….. (C.8) 2 Při restriktivní interferenci platí pro zobrazující vidy podmínka (C.9). Na zobrazení se pak podílí poze vidy, které nejsou násobkem čísla tři. Délkla interferenční oblasti se zkracuje třikrát a platí pro ni, vzhledem k záznějové délce (C.10). mod 3 m(m 2) LI

p (L )

0 pro m

2,5,8,..

(C.9)

kde p= 0,1,2,3,…

(C.10)

10.4 Příloha D – Výpočet mřížkových konstant vlnovodných mřížek.

a vyzařovacích úhlů

u

Realizované polymerové mříţky lze aplikovat jako vazební mříţky pro zajištění navázání volně šířeného záření do, nebo z planárního optického vlnovodu vyuţitím Braggovy difrakce, nebo filtrační funkce u optického vlnovodového planárního filtru, který vyuţívá určitý řádu Braggovy reflexe. Účinné vyvázání optické vlny z planárního optického vlnovodu, šířící se podle osy z, je určeno podmínkou fázové rezonance mezi fázovou konstantou vedené optické vlny , fázovou konstantou difraktované optické vlny q a fázovou konstantou mříţky K = 2 / kde je mříţková konstanta. Rovnice fázové rezonance (D.1) pak váţe konstanty šíření vedené a prostorové vlny q

0

(D.1)

qK

kde q je řád vyzařování optické mříţky, pro který platí q

1, 2, 3.......

107

Pro výpočet úhlů difrakce vedené optické vlny, šířící se podle osy z a vystupujícího záření prostorové optické vlny vystupujícího do substrátu, případně pláště vlnovodu přes optickou mříţku, lze fázové konstanty záření vyjádřit dle (D.2), (D.3) a (D.4), kde fázová konstanta pro plášťovou difrakci je označena indexem – p, a pro substrátovou difrakci indexem – s p q

n p k sin

s q

0

n s k sin Nk

p q

(D.2)

s q

(D.3) (D.4)

0

kde resp. qs jsou úhly vyzařování do pláště resp. substrátu pro q – tý řád mříţky np resp. ns jsou index lomu pláště a substrátu np je index lomu jádra vlnovodné mříţky neff je efektivní index lomu k je vlnové číslo vlny šířící se ve vakuu k = 2 / p q

Pro vyjádření různých typů difrakce vedené vlny z do pláště nebo substrátu, které mohou nastat přes vlnovodnou mříţku, byly určeny hraniční vztahy oblastí (2) a (3) závislosti mříţkové konstanty , vlnové délky a aproximativní hodnoty efektivního indexu lomu neff pro jednotlivé typy difrakce. Za podmínky, ţe >0, >0 a funkční hodnoty funkce sinus jsou omezené na interval 1; 1 , musí být řád difrakce q = -1 nebo -2. Pak s vyuţitím vztahu (D.1) lze podmínky fázové rezonance na optické mříţce, dané vyzařováním do pláště nebo substrátu a realizované na planárním optickém jednorozměrném vlnovodu vyjádřit dle (D.5),(D.6).

n p k sin

ns k sin

p q

s q

neff k

neff k

qK

qK

(D.5) (D.6)

jelikoţ se optická vlna šíří jednorozměrným planárním vlnovodem, musí platit podmínky totálního odrazu na všech rozhraních, které jsou vyjádřeny nerovností (D.7)

1 np

ns

neff

nf

(D.7)

Pro vyjádření různých typů difrakce vedené vlny z nebo do pláště resp. substrátu, které mohou nastat přes vlnovodovou mříţku, byly určeny hraniční vztahy oblastí (D.8) a (D.9), které vyjadřují závislost mříţkové konstanty , vlnové délky a aproximativní hodnoty efektivního indexu lomu neff pro jednotlivé typy difrakce. Za 108

podmínky, ţe >0, >0 a funkční hodnoty funkce sinus jsou omezené na interval 1 resp. q = -1 nebo -2. 1; 1 , musí být řád difrakce q q /

n p sin

p q

neff

(D.8)

q /

ns sin

s q

neff

(D.9)

Nyní mohou vzhledem k podmínkám (D.4) a (D.7) nastat tyto případy: A) Jednopaprskové zpětné vyzařování pouze do podloţky v případě splnění pouze rovnice (D.8) pro nějaký úhel p1 . B) Dvoupaprskové zpětné vyzařování do podloţky a pláště v případě splnění rovnic (D.8) a (D.9) pro určité úhly p1 , s1 . C) Dvoupaprskové dopředné vyzařování do podloţky a pláště v případě splnění rovnice (D.8) a (D.9) pro určitý úhel p1 , s1 nebo p2 , s2 . D) Multipaprskové vyzařování do substrátu a pláště pro určité úhly p1 , s1 .a p2 , s 2 . Na obr. D.1 jsou zobrazeny některé fázové diagramy vlnovodných mříţek.

Obr. D.1 Příklady fázových diagramů vlnovodných mříţek [..] a) případ vazební mříţky, kdy dochází k difrakci a vytvořeni zářivých vidů řádu q = -1 a -2 do pláště i substrátu b) mříţka pro konverzi vidu z prvního vidu βd1 na základní vid βi0 a současně v záporných řádech mříţky k vyzařování do substrátu a do pláště c) případ reflexní vlnovodné mříţky tzv. Braggovské mříţky s reflexí v 1. řádu.

109

Následující tab. D.1, tab. D.2 udává vypočítané hodnoty mříţkové konstanty a vybraných difrakčních úhlů pro dva typy optických vlnovodných difrakční filtrů, realizovaných na PMMA a SU 8. Výpočty jsou provedeny pro vybrané vlnové délky 1310, 1490 a 1550 nm. 1) PMMA optická mříţka, realizovaná na kanálkovém optickém vlnovodu realizované na skle I1T výměnou iontů Ag.- Na np = 1, nebo np = 1,49 (PMMA), a ns = 1,52 (sklo bez výměny iontů), nf =1,56 (sklo s výměnou iontů). Výpočet hraničních liníí jednotlivých množin pro všechny čtyři případy difrakce viz. [108]. 2) SU 8 optická mřížka, kde polymer tvoří hřebenový vlnovod i optickou mřížku. Indexy lomu jsou np = 1, nebo np = 1,49 (PMMA), a ns = 1,46 (kysličník křemičitý), nf =1,59 (SU 8). Výpočet hraničních linií jednotlivých množin pro všechny čtyři případy difrakce viz. [54]. V našem případě lze lineární funkce hranic difrakčních oblastí f(N) pro všechny čtyři případy vyzařování a) aţ d) za předpokladu platnosti (D.7), (D.8), (D.9) vyjádřit: A) neff + 1,52 a neff + 1. Těmto podmínkám pro případ = 1550 nm odpovídají mříţkové konstanty m a úhel zpětného 0,507; 0,610 v s 0 90 ; 41,14 0 . jednopaprskového vyzařování do substrátu 1 B) neff + 1 a neff. Těmto podmínkám pro případ = 1550 nm odpovídají mříţkové konstanty 0,612;1,006 v m a úhel zpětného dvoupapskového 90 0 ; 0 0 , s1 41,14 0 ; 0 0 vyzařování do substrátu a současně do pláště p1 C) neff a neff - 1. Těmto podmínkám pro případ = 1550 nm odpovídají mříţkové konstanty 1,006; 2,870 v m a úhel dopředného dvoupapskového p 0 0 ; 90 0 , s1 0 0 ; 41,14 0 . U vyzařování do substrátu a současně do pláště 1 tohoto případu můţe také dojít k multipaprskovému vyzařování,kdy jde o kombinaci vlnových mříţkových vektorů pro vyšší řády mříţky. D) 2 neff +1,52 a 2 neff + 1. Těmto podmínkám vyhovuje dopředné dvou paprskové vyzařování do substrátu nebo multipaprskové vyzařování do substrátu a pláště. Pro případ = 1550 nm odpovídají mříţkové konstanty pro úhel dopředného dvoupapskového vyzařování do substrátu pouze 1,22 m a úhlu s2 = 900 . Pokud bude jako plášť pouţit PMMA s indexem lomu np = 1,49,bude pro vyzařování z vlnovodového filtru fyzikálně realizovatelná pouze varianta ad a) s jednopaprskovým zpětným vyzařováním a hodnotami 0,507; 0,512 a úhlem s 0 0 78,6 ; 90 a také varianta ad c) s dvoupaprskovým dopředným vyzařováním 1 a hodnotami 1,006; 31 a úhly s1 0 0 ; 78,6 0 ) a p1 0 0 ; 90 0 . Zjednodušený model však v obou případech předpokládá interakci vedené vlny s mříţkou realizovanou na jádře vlnovodu. Realizovaný vlnovodový filtr měl však mříţku realizovanou na PMMA plášti a tedy interakce vedené vlny s mříţkou byla sníţená.

110

Tab. D.1 Závislost rozsahu hodnot mříţkové konstanty v m na vybraných hodnotách vlnové délky v nm pro PMMA mříţku realizovanou na kanálkovém vlnovodu s výměnnou iontů. [nm] 532

650

1310

1490

1550

[ m] p q

[ o]

s q

o

[ ]

[ m]

Varianta A

Varianta B

Varianta C

Varianta D

0,174-0,176

0,176-0,345

0,345-10,64

10,64

-

-

0 - 90

75,1

(-90) – (-78,6)

(-78,6) – 0

0 - 78,6

71,3

0,212-0,215

0,215-0,422

0,422-13

13

p q

[ o]

-

-

0 - 90

75,1

s q

[ o]

(-90) – (-78,6)

(-78,6) – 0

0 - 78,6

71,3

0,432

0,432-0,851

0,851-26,2

26,2

-

-

0 – 90

75,1

-78,6

(-78,6) – 0

0 - 78,6

71,3

0,487-0,492

0,492-0,968

0,968-29,8

29,8

[ m] o

p q

[ ]

s q

o

[ ]

[ m] p q

[ o]

-

-

0 – 90

75,1

s q

[ o]

(-90) – (-78,6)

(-78,6) – 0

0 - 78,6

71,3

0,507-0,512

0,512-1,006

1,006-31

31

[ m] o

p q

[ ]

-

-

0 – 90

75,1

s q

[ o]

(-90) – (-78,6)

(-78,6) – 0

0 - 78,6

71,3

Tab. D.2 Závislost rozsahu hodnot mříţkové konstanty v m na vybraných hodnotách vlnové délky v nm pro SU 8 mříţku realizovanou na hřebenovém vlnovodu SU 8. [nm] 532

650

1310

[ m] o

Varianta A

Varianta B

Varianta C

Varianta D

0,210

0,210-0,348

0,348-1,004

1,004

p q

[ ]

-

-

0 - 90

28,0

s q

[ o]

-43,2

(-43,2) – 0

0 – 43,2

18,8

[ m]

0,257

0,257-0,425

0,425-1,226

1,227

p q

[ o]

-

-

0 - 90

28,0

s q

[ o]

-43,2

(-43,2) – 0

0 – 43,2

18,8

[ m]

0,518

0,518-0,856

0,856-2,472

2,473

p q

[ o]

-

-

0 - 90

28,0

s q

[ o]

-43,2

(-43,2) – 0

0 – 43,2

18,8

111

1490

1550

[ m]

0,589

0,589-0,974

0,974-2,811

2,812

p q

[ o]

-

-

0 - 90

28,0

s q

[ o]

-43,2

(-43,2) – 0

0 – 43,2

18,8

[ m]

0,615

0,615-1,013

1,013-2,924

2,925

-

-

0 - 90

28,0

-43,2

(-43,2) – 0

0 – 43,2

18,8

o

p q

[ ]

s q

o

[ ]

10.5 Příloha E – vlastnosti objemové Braggovské holografické mřížky. Objemové Braggovské mříţky (VHG) jsou realizovány ve skle holografickým záznamem, který je realizován vytvořen interferencí mezi světelnou kolimovanou vlnou předmětovou a referenční. Pak se za předpokladu dostatečné koherence mezi nimi vytvoří nelokalizované interferenční pole, které prostupuje oblast obou svazků. Interferenční útvary jsou poté paralelní roviny půlící úhel mezi světelnými svazky. Difrakční mříţky mohou být VHG transmisní a reflexní, které se liší svými topologickými vlastnostmi, ale především závislostí difrakční účinnosti na technologických konstantách, viz dále. Difrakce na VHG podobně jako na dalších periodických mříţkových strukturách musí vyhovovat podmínce fázové rezonance mezi vlnovým vektorem ki dopadající, vlnovým vektorem difraktované vlny kd a mříţkovým vektorem G (E.1).Tato podmínka je vyjádřena pro VHG jak transmisního tak reflexního typu.

Obr. E.1 Grafické vyjádření fázové podmínky uvnitř objemové difrakční mříţky VHG, kde θin a θdn jsou úhly incidence a difrakce uvnitř mříţky 112

(E.1) dále platí pro moduly vlnových vektorů (E.2) a pro modul mříţkového vektoru (E.3) Vektorovou rovnici (E.1) lze rozepsat do sloţkového tvaru vektorů jako soustavu algebraických rovnic pro osu z a osu y, které musí být splněny současně pro zadanou vlnovou délku nebo pro úhel θi. Na pravých stranách rovnic je rovnoběţná a kolmá sloţka mříţkového vektoru. (E.4) (E.5) Předpokládáme-li kolimovaný svazek, na VHG dochází ke konstruktivní interferenci nultého a prvního řádu mříţky a volíme - li vhodné natočení VHG vůči souřadné soustavě, kde optické rozhraní ztotoţníme s osu z platí pro průměty vlnových vektorů do osy y podmínky ki = kd , i = d . Za pouţití (E.2) a (E.3) pak lze psát pro m-tý řád VHG elementární vztah (E.6)

2 sin

m

kde m = 1,2,…

B

(E.6)

kde je úhel dopadu na mříţkovém rozhraní a platí θi, m je řád difrakce a je Braggovská vlnová délka. Tento úhel je nutno přepočítat pro výpočet difrakční účinnosti na vnitřní úhel dopadu na rozhraní uvnitř VHG dle Snellova zákona (E.7). sin

n sin

(D.7)

n

Pro konstruktivní interferenci platí m = 0, 1. Další vyšší řád zaniká vlivem destruktivní interference při skládání příspěvků od dalších rozhraní mříţky. Vztah (E.6) pak lze pouţít ke stanovení Braggovské konstanty mříţky, která je základním parametrem pro konstrukci optického mikromodulu. Z měření byly stanoveny difrakční úhly θd = 18.4o pro λ1 = 1490 nm a θd = 19.1o pro λ 2 = 1550 nm, které určily základní geometrii rozloţení optických a optoelektronických prvků transceiveru. Na základě znalosti difrakčních úhlů bylo moţno stanovit Braggovu konstantu určující mříţkovou periodu ze vztahu (E.8) B

2 sin(

(E.8) d

2

)

113

kde je Braggova konstanta, je Braggova vlnová délka a d je difrakční úhel. Pak Braggovy konstanty byly m a m pro vlnové délky 1490 a 1550 nm. Prostorové rozloţení difraktovaného optického výkonu na VHG pro vlnové délky λ1 =1490 a λ2 =1550 nm měřené optickým profilometrem BP 104-IR je na obr. D.2. Zde je také zobrazena vlnová délka λ3 =1310 nm, která nepodléhá difrakci a lze tedy určit polohu optické osy mříţky.

Obr.D.2 Prostorové rozloţení optického výkonu difraktovaných optických svazků triplexní mříţky ve 3D pro vlnové délky λ1 =1490 a λ2 =1550 nm. Ve středu je nedifraktované záření λ3 =1310 nm. Pro stanovení difrakční účinnosti je třeba především vyhodnotit, jaký poměr je mezi geometrickými parametry mříţky tedy mříţkovou konstantou K , tloušťkou mříţky L a vlnovým číslem kterou vyhodnocuje Kloinův koeficient Q viz. [108] , daný vztahem (E.9) Q

2 d n 2

(E.9)

Velikost tohoto koeficientu pak určí typ difrakce, viz tab. E.1. Tab. E.1 Určení typu difrakce dle Kloinova parametru Kloinův parametr

Q<1

1< Q< 10

Q > 10

Typ difrakce

Raman-Nathova

Přechodná

Braggova

V našem případě mříţky Ondax Ltd. vychází Kloinův koeficient Q = 405-420 a tedy difrakce bude Braggova typu. Objemové mříţky mohou být detailně analyzovány pomocí přesné sdruţené vlnové analýzy či vidové analýzy. Oba přístupy jsou exaktní a rovnocenné. V jejich nejpřesnějších formách vyţadují tyto přístupy počítačověnumerická řešení. Pouţitím zjednodušené vlnové analýzy, které zahrnuje pouze 114

nultý a první řád difrakce Kogelnik [109] rozpracoval sadu analytických řešení, které jsou v mnoha případech dostatečně přesná a na poli objemové holografie široce uţívány. Difrakční účinnost je definována jako poměr mezi intenzitou difraktovaného záření do ţádaného difrakčního řádu na výstupu difrakční mříţky I d ku intenzitě záření dopadajícího na mříţku Io objemové holografické transmisní mříţky (E.10) Id Io

(E.10)

při splnění Braggovy podmínky lze pro 1. řád difrakční mříţky odvodit viz. [108] pro transmisní mříţku (E.11) B

sin 2 (

d cos

in cos

)

(E.11)

dn

kde in, dn jsou úhly dopadu a difrakce na indexovém rozhraní uvnitř objemu Braggovy mříţky, je koeficient vazby mříţky a d je tloušťka mříţky. Pokud předpokládáme, ţe in = dn = n., pak lze účinnost transmisní VHG určit z konstrukčních parametrů mřížky dle (E.12) B

sin 2 (

nd ) B cos n

(E.12)

kde n je úhel dopadu na indexové rozhraní uvnitř Braggovy mříţky, n indexová modulace mříţky, d je tloušťka mříţky a koeficient vazby pro indexově modulované mříţky je pak n B. Obdobný vztah lze pak odvodit i pro reflexní mříţky (E.13) B

tgh 2 (

nd ) cos B n

(E.13)

Porovnání obou vztahů v grafech viz obr.E.3 ukazuje, ţe transmisní mříţka dosahuje pro reálné parametry difrakční mříţky, teda pro hodnoty do /2 lepších hodnot difrakčních účinností a je důvodem, proč byla pro demultiplexaci volena v WDM přijímači právě VHG transmisního typu, coţ samozřejmě ovlivnilo i návrh topologie celého WDM přijímače. Do výpočtů nebyly zahrnuty Fresnelovy ztráty reflexí na optických rozhraních viz. tab E.3, protoţe VHG byla od výrobce opatřena antireflexními povlaky, ztráty se však projevily u kolimačních čoček.

115

Obr. E.3. Porovnání difrakčních účinností VHG transmisního a reflexního typu Difrakční účinnost byla vypočítána dle (E.12). Výsledky výpočtů včetně hodnot parametrů, uţitých pro výpočet jsou uvedeny v tab.E.2. Tab.E.2 Výpočet difrakčních účinností VHG pro jednotlivé vlnové délky. V tabulce je respektován rozptyl hodnot modulace indexu lomu při zahořování VHG, uváděný výrobcem.

[nm]

n

n

[deg]

[deg]

n [10-4]

B

min

max

L.T

[um]

[%] min

max

L.T

1550

1.4865

6.41

19.1

3.15

3.45

3.3

4.67

63

71

67

1490

1.4870

6.17

18.4

3.15

3.45

3.3

4.66

66

75

70

Z tabulky je patrno, ţe vypočtené průměrné hodnoty difrakční účinnosti označené L.T. jsou 70 % , coţ odpovídá 1,55 dB vloţných ztrát pro 1490 nm a 67 %, coţ odpovídá 1,74 dB vloţných ztrát pro 1550 nm. Porovnání těchto hodnot s výsledky měření ukazují rozdíly v řádu procent. Cylindrické kolimační čočky, vyuţívané v optickém zobrazovacím systému, byly identické a jejich optické parametry byly vypočítány na základě znalosti závislosti indexu lomu skla BK7 na vlnové délce a s vyuţitím jejich geometrických parametrů. Výsledky pak byly porovnány s měřením. Vztah pro výpočet polohy ohniska kolimační čočky je odvozen v dodatku F, viz (F.14).

(E.14) Optický výkon na výstupu kolimační čočky vzhledem ke vstupnímu optickému výkonu lze vyjádřit s vyuţitím koeficientu reflexe R dle vztahu (E.15) Pt

Pin 1

R

(E.15)

116

kde Pt je optický výkon na výstupu kolimační čočky Pin je výkon na vstupu kolimační čočky R je koeficient reflexe Koeficient reflexe lze pak na optickém rozhraní vyjádřit dle (E.16)

Pin Pt Pin

R

n1 n1

n2 n2

2

(E.16)

kde n1 a n2 jsou indexy lomu na optickém rozhraní. Pak vložný útlum kolimační čočky, kde počítáme Fresnelovy ztráty odrazem na obou rozhraních je dán po jednoduché úpravě (E.17) A

10 log

Pin Pt

10 log 1

R

1

(E.17)

V tabulce tab. E.3 jsou pak uvedeny výsledky výpočtů polohy ohniska FFD, koeficientů Fresnelovy reflexe R a vloţného útlumu pro kolimační čočky A ., pouţívané v optickém zobrazovacím systému. Tab. E.3 Výpočet ohniskové vzdálenosti FFD, koeficientu reflexe R a optických vloţných ztrát kolimační čočky A . n

FFD [mm]

R

A . [dB]

1550

1.4865

2.4927

0.03828

0.16952

1490

1.4870

2.488

0,03834

0.16978

1310

1.4885

2.476

0,03853

0.1706

[nm]

10.6. Příloha F – Návrh mikrooptické kolimované zobrazovací soustavy WDM přijímače resp. WDM transceiveru. Zobrazovací systém tvoří mikrooptickou zobrazovací soustavu, která byla řešena za těchto předpokladů: 1) Kruhový symetrický Gaussovský svazek 2) Paprsek se šíří v homogenním médiu Pro řešení mikrooptické soustavy byla pouţita optická analýza vyuţívající paprskové přechodové maticové metody v paraxiální aproximaci. Pomocí této nabídky byly odvozeny jednoduché explicitní vztahy pro určení paprskově optimálních parametrů celého zobrazovacího systému viz. obr. E.1. .

117

Celková přenosová matice zobrazovacího systému je dána (E.1)

ST

A4 S 2 A3 V A2 S1 A1

(F.1)

kde S1 je přenosová matice kolimační čočky 1 S2 je přenosová matice kolimační čočky 2 A1 je přenosová matice vzduchové mezery 1 A2 je přenosová matice vzduchové mezery 2 A3 je přenosová matice vzduchové mezery 3 A4 je přenosová matice vzduchové mezery 4 V je přenosová matice VHGT

(F.2) (F.3)

1 FFD1

A1

0

A2

A3

1

(F.4)

1

0

t3

1

(F.5)

1

0

(F.6)

t4

1

118

A4

1

FFD2

0

1

(F.7)

t5 n 0 1

1

V

(F.8)

Matice ST je celková přenosová matice optické zobrazovací soustavy, která transformuje optické pole na výstupu optického MM vlákna 50/125 m na aktivní plochu optického fotodetektoru průměru 40 m. Protoţe optická soustava je izotropní a homogenní, nebude při transformaci docházet k ţádnému prostorovému zkreslení. Jelikoţ současně mají kolimační čočky stejné rozměrové i optické charakteristiky jsou výsledné přenosové matice S1 = S2 = S a A1 = A2 = A identické a proto i vztahy pro polohu ohniska, strany optického vzoru a optického obrazu, budou identické. Pro výpočet polohy ohniska FFD pouţijeme zobrazovací maticovou rovnici (E.9), se zavedenou substitucí (F.10), (F.11) a (F.12)

yin 2

S1 x A1 x

out 2

yin1

(F.9)

in1

P1

n 1 R1

(F.10)

P2

n 1 R2

(F.11)

L n

t

(F.12)

Pro výpočet polohy ohniska na výstupu kolimační čočky 1 při dopadu kolimovaného svazku na vstupní rozhraní je vstupní úhel optického svazku out2 = 0 a velikost obrazu yin1 = 0. Pak dostáváme pro výpočet ohniska FDD rovnici (F.13) 0

s 21 FDD

Tato rovnice musí platit pro všechny FDD

s 22 s 21

in1,

s 22

in1

(F.13)

tak ţe ohnisko FDD lze vyjádřit dle (F.14) 1 P1t P1 P2 P1 P2 t

(F.14)

119

Výpočet ohniska kolimačních čoček L 1 a L 2 byl zaloţen na odvozeném vztahu (F.14), kde: L1 = 3.2 mm je délka kolimační čočky R1 = 2.26 mm je poloměr kulového vrchlíku na čelní straně kolimační čočky R2 = je poloměr kulového vrchlíku na zadní straně kolimační čočky n = index lomu skla BK 7 pro vlnové délky 1310 nm, 1490 nm a 1550 nm. Vypočítané hodnoty jsou uvedeny v tab. F.1

Tab. F.1 Vypočítané hodnoty parametrů kolimačních čoček L1 a L2 pro vlnové délky 1310 nm, 1490 nm a 1550 nm. n

P1 [mm-1]

P2 [mm-1]

P1t

t [mm]

FFD [mm]

1550

1.4865

216

0

0.5345

2.153

2.709

1490

1.4870

216.4

0

0.5342

2.151

2.705

1310

1.4885

216.8

0

0.466

2.150

2.692

[nm]

Kde střední hodnota polohy ohmiska je FFD = 2.702 mm.

10.7 Příloha G – optimalizace šířky pásma mikrovlnného optoelektronického přijímače. Pro optimalizaci šířky pásma nízkoimpedančního a transimpedančního OE přijímače byla provedena teoretická analýza optimalizace mikropáskového propojení mezi PIN fotodiodou a vstupem mikrovlnného integrovaného obvodu zesilovače ověřená simulací v programu Win Mide pro dosaţení optimální šířky pásma frekvenční charakteristiky 1,25 a 2,5 GHz [A29]. Pro matematickou analýzu s vyuţitím komplexní přenosové impedance ZT optoelektronického přijímače, jsme vyuţili elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu na obr.F.1.

Obr. G.1: Elektrický náhradní obvod pro malé změny signálu pro optimalizaci elektrické vazby mezi PIN fotodiodou a vstupem IO mikrovlnného zesilovače v SMD provedení.

120

kde ip (ω) – proudový zdroj PIN fotodiody CD – kapacita prostorového náboje 0.5 pF CS – rozptylová kapacita 1 pF Rs– sériový odpor 10 Ω RD – dynamický odpor PIN fotodiody 1 kΩ L – kompenzační indukčnost RN – tenkovrstvý odpor napájení PIN fotodiody 2 kΩ RA – vstupní impedance 50 Ω HBT zesilovače Kompenzační indukčnost L byla sloţena s indukčnosti propojovacího kontaktního drátku PIN fotodiody (C30606ECER Judson Technologies) L1 a mikropáskovéo propojení L2. dle vztahu (G.1).

L kde

L

1

2l 2 *10 3l 2.303log b c

L2

uo iP

RD ZT

L2

RS

RP

(G.1)

0.5 0.22 4l d

2 10 3 l 2.303log

Pro úhlovou mezní frekvenci byl odvozen vztah (G.5)

ZT

L1

b c l

μH,cm

cm ,

(G.2)

H

(G.3)

cm, H

0.75

μH,cm

modulu komplexní přenosové impedance ZT (G.4)

j (L

RD RP RS RDCT

RD RPCT )

2

LCT RD

(G.4)

RD RP RD RS

Úhlovou mezní frekvenci (G.6)

RP

2

LCD RD

2

2

L RD RS CD RD RP CD

2

1/ 2

(G.5)

lze stanovit jako kořen řešení transcendentní rovnice

kde je modul přenosové impedance pro a RP je paralelní kombinace RA a RN. Limitní frekvence fT vyplývající z řešení rovnice (F.4) byla fT = 2,78 GHz pro = 46,07 , CT = CD + CS =1,5 pF a L = 4,5 nH. Náhradní ekvivalentní obvod z obr. F.1 byl vyuţit pro simulaci S21 frekvenční charakteristiky v programu Win Mide. Kapacita prostorového náboje PIN fotodiody CD je funkcí závěrného napětí a pro 5V je katalogová hodnota 0,5 pF. Kapacita CS je dána parazitními kapacitami v signálové cestě na výstupu PIN fotodetektoru. Pro dobrou signálovou odezvu je důleţité, aby tyto kapacity byly co nejmenší. Pro omezení vlivu těchto kapacit je realizována ekvalizace kompenzační indukčností L v okolí mezního kmitočtu fT. Pro ověření vlivu kompenzační indukčnosti na frekvenční charakteristiku a zjištění její 121

přesné hodnoty pro mezní frekvence 1,25 a 2,5 GHz byly provedeny simulace v programu Win Mide. Simulované S21 frekvenční charakteristiky v rozsahu frekvenci 0,1 – 3,5 GHz jsou na obr. G.2. Simulované hodnoty odpovídají vypočteným výsledkům.

Obr. G. 2 Simulace rozptylového parametru S21 v závislosti na frekvenci, parametrem je kompenzační indukčnost LS .

10.8. Příloha H –Modelování vlastností bistabilní laserové diody (BLD) na základě řešení rychlostních rovnic. Technologická struktura čipu navrţené a realizované BLD s mnohonásobně děleným prouţkovým kontaktem je zobrazena na obr. H.1.

Obr. G.1 GaAlAs/GaAs dvojitá heterostruktura s mnohonásobně děleným prouţkovým kontaktem Matematický model BLD vychází ze statického řešení soustavy tří rychlostních rovnic (H.1) aţ (H.5), popsaném v [62]. První rovnice (G.1) popisuje časovou změnu koncentrace injekovaných nosičů v ziskové části aktivní vrstvy BLD, druhá rovnice (H.3) popisuje koncentraci nosičů v absorpční části aktivní vrstvy a třetí rovnice (H.5) koncentraci fotonů v aktivní vrstvě. Měření prokázala, ţe při stabilním vyzařování

122

BLD je záření emitováno do jednoho podélného vidu laserového módu, koncentrace nosičů a fotonů byly průměrovány podél optického rezonátoru,

dNg dt

Ig eVg

gg Ng

Nog N ph

Ng

(H.1)

g

kde doba ţivota spontánně rekombinujících nositelů g není konstantní, ale je funkcí koncentrace nosičů v aktivní vrstvě dvojité heterostrukturní LD. Důvodem je, ţe zde jiţ převládají bimolekulární rekombinační mechanismy nad monomolekuolárními a doba ţivota se stává funkcí koncentrace nosičů. 1

Bg Ng

(H.2)

Nk

g

dNa dt

Ia eVa

ga Na

Noa Nph

Na

(H.3)

a

Stejně se chovají i absorbující oblasti.

1

Ba Na

(H.4)

Nk

a

dNph dt

gg

1

1

Bg Ng

Ng

Nog Nph

Nk Ng

2

ga

2

Na

Noa Nph

Ba Na Nk Na

Nph ph

(H.5)

Ziskový respektive absorpční koeficient pro generaci respektive absorpci stimulovaně generovaných fotonů je dán lineární funkcí (H.6) respektive (H.7) [62].

Gg ( N ) Ga ( N )

gg N g a N oa

Nog

N

(H.6)

(H.7)

Model předpokládá lineární závislost zisku koncentrace fotonů v aktivní vrstvě BLD na koncentraci injektovaných nosičů (H.6). Ve spontánní oblasti vyzařování převládající bimolekulární rekombinační přechody, kde doba ţivota spontánně rekombinujících nosičů je lineárně závislá na jejich koncentraci (H.2), (H.4), coţ je charakteristické pro koncentrace nosičů v rekombinační vrstvě DH, [62]. Statickým řešením soustavy rychlostních rovnic (H.1) aţ (H.5) jsou paramterizované rovnice (H.8) aţ (H.11), které tvoří paramterický kvadradratický systém (H.7)

123

Ig

f1 ( N ph , N g ); N g

f 2 ( N ph , N a ); N a

(H.7)

f 3 ( N ph )

kde předpokládáme Ia =0. Podmínka statického řešení je splnění podmínky (H.8)

dN g

dNa dt

dt

dNph dt

0

(H.8)

Parametrem systému je poměr osové velikosti generační a absorpční oblasti Ig

Ng

Na

eVgBg Ng 2 gg 2 Bg

Nph

Nk 2

ga Nk Nph 2 Ba 2

gg Bg

Nph

gg 2 Bg

ga N 0 Nph Bg

Nk Ng

Nph

2

Nk 2

B 2 a 1 Bg

ga Nk Nph 2 Ba 2

2

. (H.9)

1/ 2

ga Nph Nk Na Ba

Na 2

gN oa Nph Ba

g g Ngp Bg

Nph

(H.10)

1/ 2

(H.11)

kde prahový proud, prahovou koncentraci nosičů a prahovou koncentraci fotonů můţeme vyjádřit (H.12) aţ (H.14). Fyzikální význam prahové koncentrace fotonů lze objasnit v následujícím, viz vztahy (H.28) a (H.29). I gth

eVg N gth

(H.12)

g

N gth

N og N phs

ga gg

1 1g g

2 1

(ga

a

)

(H.13) ph

1

(H.14)

Vztahy (H.9), (H.10) a (H.11) normujeme dle (H.15) aţ (H.17) I gx

Ig I gth

(H.15)

N gx

Ng N gth

(H.16)

x N ph

N ph N phs

(H.17)

Normované relace závislostí, popsané vztahy (H.9) aţ (H.17), jsou uvedeny na obr. H.2a aţ H.2c. Parametrem je normovaná koncentrace fotonů.

124

Obr. H.2 Vypočítané normované relace pro hodnoty parametru Zobrazené relace vyjadřují závislosti: x x ), N ph a) závislost I gx ( N ph normované koncentrace fotonů v relaci

k normovanému proudu pro vyznačené hodnoty parametru x x ), N gx ( N ph ) normované koncentrace nosičů generační b) závislost I gx ( N ph

oblasti v relaci k normovanému proudu pro vyznačené hodnoty parametru

125

x x ), N ax ( N ph ) normované koncentrace nosičů absorpční c) závislost I gx ( N ph

oblasti v relaci k normovanému proudu pro vyznačené hodnoty parametru Linearizaci rychlostních rovnic pro odvození ENO BLD a podmínky vzniku absorpční optické bistability u laserových struktur lze stanovit z řešení soustavy tří rychlostních rovnic H.1 aţ H.5, kde předpokládáme konstantní hodnotu doby ţivota spontánně rekombinujících nosičů g a a. Řešením je závislost Ig=g1(Nph), coţ je lineární lomená funkce G.18 se substitučními vztahy (H.19) – (H.22).

I

x g

x ( N ph )3

Ig

1

I gth A1

C

A1 B

C

A1

B B

C

C N

A1 B

B

x C N ph

A N

A

1

A K

1 1

g g g N phs

(H.18)

(H.19)

g g N og

ph

(H.20)

g a N oa

ph

(H.21)

B

1

C

2

K

x ph

x K ( N ph )2

C

x A N ph

x K N ph

K

x ph

AB

2

I

ph a

(H.22)

N phs eVa

Provedeme extrémovou analýzu funkce (H.12) za podmínky Výsledkem je rovnice (H.19), která má dva reálně kořeny (H. 20) – minimum a maximum. x 2 ( N ph )

x 2 N ph

x N ph

1 C1 A

C A 1

1/ 2

0

1

(H.19) (H.20)

Podmínka pro vznik lokálních extrémů a tím vznik bistabilního módu BLD podle (H.19), (H.20) má následující formu

C A 1

1\

(H.21)

Tuto podmínku lze vyjádřit s vyuţitím (H.13), (H.15) a (h.18) ve formě (H.22) Ra 1 (H.22) Rac kde Ra je kritická rychlost fotonové absorpce na saturovatelných optických centrech v absorpční části aktivní optické vrstvy BLD, kterou lze vyjádřit vztahem (H.23), R ac je krytická rychlost fotonové absorpce na nesaturovatelných optických centrech. Tuto kritickou rychlost lze vyjádřit (G.24) a kritickou velikost absorpční oblasti pro vznik bistability (H.25) 126

Ra

Rac

2k

ga gg

(H.23)

g a N oa 1 a

1

ph

(H.24)

2

g

g a N oa

1

ga gg

ph

(H.25)

1

a g

Podmínka (H.22) v sobě obsahuje ještě další nutnou podmínku, která se nazývá podmínka Q spínání. Tato podmínka je nutnou ne však postačující podmínkou vzniku bistability u LD. Pro odvození podmínek Q spínání, tedy podmínku pro vznik dynamických časových nestabilit vyjádříme činitel celkového zisku G t aktivní vrstvy LD, která obsahuje elektricky čerpané aktivní oblasti charakterizované ziskovým činitelům Gg a nečerpané absorbující oblasti charakterizované absorpčním koeficientem –Ga.

Gt

Gg

(H.26)

Ga

Ze statického vyjádření rovnice (G.1) a (G.2) lze odvodit závislost ziskového Gg a absorpčního činitele –Ga na koncentraci fotonů (H.27) a (H.28). Z této závislosti je patrné, ţe oba tyto koeficienty s koncentrací fotonů klesají. Pokud oba vztahy dosadíme do rovnice (H.26) má výsledná rovnice extrém typu maximum za předpokladu,ţe právě platí podmínka Q spínání (H.31).

( Gg

g g (N g

N og )

Ig

N og

eVg

N phsg (1

( Ga

g a ( N oa

N oa a

Na )

)

g

N phsa (1

N ph N phsg

Ia ) eVa N ph N phsa

(H.27) )

(H.28)

)

kde N phsg

(g g

)

1

g

(H.29)

N phsa

(ga

)

1

a

(H.30)

Pro existenci maxima rovnice (G.26), podmínku Q spínání musí platit

127

ga gg

a

1

(H.31)

g

tedy závislost (G.27) musí klesat pomaleji se zvyšováním koncentrace fotonů neţ závislost (G.28). Výsledná závislost celkového ziskového koeficientu aktivní vrstvy na koncentraci fotonů za předpokladu, ţe platí podmínka Q spínání (G.31) je na obr. g2. Závislost vykazuje pro koncentraci fotonů větší neţ 1014 záporný diferenciální zisk,který dokazuje dynamickou nestabilitu vyzařování BLD.

128