Integrovaná optoelektronika pro informatiku

Integrovaná optoelektronika pro informatiku
Vítězslav JEŘÁBEK
1. Úvod
Výzkum a realizace stále dokonalejších integrovaných hybridních a monolitických
struktur a součástek integrované optoelektroniky probíhá ve světě již více než dvacet let.
Velkou měrou podnítil rozvoj těchto problematik také pokrok v oblasti telekomunikací,
datových přenosů a zejména internetu. V současné době probíhá dynamický pohyb
především v oblasti materiálových technologií a návrhu nových stále sofistikovanějších
součástek. Stále se objevují nové myšlenky a postupy. Hlavním stimulem tohoto
výzkumu je skutečnost, že planární optické a optoelektronické struktury a struktury
integrované optiky otevírají nové možnosti při řešení dalších generací optických
komunikačních systémů, soustav využívajících optických senzorů, optických měřících
přístrojů a zařízení.
Problematika integrovaných optoelektronických a optických struktur není v naší
republice nová, ale má poměrně dlouholetou tradici. První práce se začínají objevovat již
v 80. letech minulého století a to na pracovištích jak aplikovaného tak základního
výzkumu. Řešitelským týmům se v průběhu jejich řešení podařilo vyvinout vláknové
hybridní tenkovrstvé a tlustovrstvé integrované obvody optoelektronických přijímacích a
vysílacích modulů s integrací převážně elektronických a optoelektronických prvků,
z nichž některé prvky dodnes pracují v optických informačních sítích. Tento vývoj
v oblasti výzkumu planárních struktur pokračoval výzkumem technologických postupů a
prvků pro integraci v optické i optoelektronické doméně přípravou planárních
dielektrických a polymerových vlnovodů s integrovanými optoelektronickými
součástkami. Byly ověřeny možnosti realizace i aktivních optických struktur jako jsou
vlnovodné lasery a optické zesilovače na dielektrických polárních materiálech a na
polymerech.
Návrh technologie a realizace nové generace hybridních optoelektronických
integrovaných obvodů, které využívají integrace jak optoelektronických tak optických
součástek předpokládá integraci nových optoelektronických prvků, přizpůsobených pro
planární integraci na jedné podložce společně s optickými vlnovody [1]. Podle typu
integrovaného optoelektronického prvku (OE prvku) jako je kupř. SS-LD (spot-size
convertor laser diode), laserová dioda s přechodovým optickým členem, WG-PD
(waveguid photodiode), vlnovodná fotodioda a nebo SS-SOA ( spot-size converter
semiconductor amplifier), polovodičový optický zesilovač s přechodovými optickými
členy můžeme realizovat integrovaný optoelektronický vysílač, přijímač, nebo zesilovač,
realizovaný planární hybridní technologií [2]. Zvládnutí této technologie umožňuje udělat
první kroky k vysoce atraktivním optoelektronickým integrovaným obvodům, které jsou
předmětem intenzivního výzkumu světových laboratoří, které využívají jak planární
hybridní tak monolitické integrace a zkoumají součástky pro vlnové WDM (Wavelength
Devided Multiplex) a zejména časové OTDM (Optical Time Devided Multiplex)
multiplexní systémy, jako je kupříkladu multivlnový optoelektronický vysílač a přijímač,
vlnový selektor nebo terabitový add-drop multiplexer. Vedle klasických polovodičových
technologií na křemíku nebo materiálech skupiny A3B5 jako jsou kupř. InP, GaAlAs,
InGaAsP, InGaAsSb se objevují i nové organické materiály a technologie pro
optoelektronické integrované obvody využívající polymerních tenkých vrstev jako je
polymetyl metakrylát, vinylmethylsilan, nebo některé druhy epoxypolymerů kupř.
NANOTM SU-8 2000 od firmy Micro Chem Corp.
1
Nové integrované optoelektronické obvody jsou využitelné pro navýšení rychlosti
přenosu informace v telekomunikačních sítích až na stovky gigabitů za sekundu.
V současných telekomunikačních systémech se integrované optoelektronické obvody
uplatňují především v jejich přenosových částech jako jsou optoelektronické vysílače,
přijímače a transceivery. Můžeme se s nimi setkat především v širokopásmových
přenosových částech páteřních optických sítí analogového typu kupř. AM-CATV tak
různých digitálních typů BPON, EPON, GPON a WDM-PON. V přístupových sítích nyní
probíhá sice relativně pomalý, ale vytrvalý proces směřující k zavádění optiky rovněž na
nejnižší stupně přístupových sítí, kde je postupně nahrazována technologie ADSL a její
varianty, vedené především po twistových kabelech, za technologii FTTx založenou na
optických vláknech.
Z technologického hlediska můžeme integrované optoelektronické součástky pro tyto sítě
rozdělit na mikrooptické využívající prostorového šíření optického svazku a planární,
které lze dále větvit na obvody hybridní a monolitické integrace. Optoelektronické
integrované obvody je možné konstruovat kombinací pasivních komponent hybridní
integrace jako jsou vláknové a planární optické vlnovody, optické rozbočnice, filtry,
optické mřížky a aktivních optoelektronických komponent jako jsou optické modulátory,
laserové diody, optické polovodičové zesilovače a fotodiody. Hlavní výhodou hybridní
integrace je možnost využití prvků, realizovaných v různých technologických cyklech,
které jsou rozmístěny a funkčně optimalizovány na společné podložce.
Hlavní výhody monolitické integrace spočívají v tom, že obvody jsou vytvářeny
v jednom technologickém cyklu jejich rozměry lze značně miniaturizovat a jejich optické
i elektrické parametry optimalizovat. Tím vychází tyto parametry výrazně lepší, než u
hybridní integrace, navíc je možno využitím monolitické integrace vytvářet kvalitativně
zcela nové součástky a obvody. Nevýhodou je však vysoká cena technologických
zařízení.
V prvé části tohoto příspěvku budou popsány některé nové součástky integrované
optoelektroniky pro hybridní integrované obvody realizované na polovodičových
materiálech A3B5 pro napojení na optické planární dielektrické nebo organické vlnovody
realizované většinou na křemíkových substrátech [3], [4].
V druhé části pak se soustřeďíme na součástky a subsystémy pro vlnové WDM a
časové OTDM optické multiplexní systémy. V závěru pak si všimneme technologie
některých modulů pro přístupové účastnické sítě FTTx, realizované hybridními
technologiemi.
2. OE prvky pro planární hybridní integraci
Základním optoelektronickým prvkem planární hybridní integrované optoelektroniky
je laserová dioda typu (SS-LD), optický zesilovač (SS-SOA) a vlnovodný fotodetektor
(WG-PD).
Obr.1. Vnitřní struktura čipu laserové diody SS-LD [2]
2
Pro realizaci účinné vazby na planární optický páskový vlnovod využívají SS-LD a SSSOA technologicky integrovaný úhlový vazební člen (spot-size converter), který
umožňuje záření s dostatečnou účinností zavést do planárního vlnovodu a vyvázat z něj
bez nutnosti využívat prvků mikrooptiky jako jsou mikročočky, optické mřížky a další
vazební členy obr.1.
Tento úhlový vazební člen je technologicky napojen na boční fasety optoelektronických
prvků. Rozměr aktivní oblasti v místě napojení je 0.1 až 0.3 µm a tloušťka pásku
optického vlnovodu je 1 až 2 µm. Pro nízké vazební ztráty je vhodné, aby úhlový vazební
vlnovod byl zhotoven z materiálu s šířkou zakázaného pásu odpovídající absorpční hraně
polovodiče menší než je vlnová délka záření. Prahový proud laserové diody se pophybuje
kolem 5 mA , diferenciální responsivita je 0.4 mW/mA, mezní optický výkon 10 mW,
vlnová délka 1300 nm.
Dalším optoelektronickým prvkem, který lze využít pro hybridní optoelektronické
integrované obvody, je vlnovodný fotodetektor WG-FD viz. Obr. 2. Čip tohoto
fotodetektoru lze lícem navázat na optický planární vlnovod. Struktura fotodetektoru
obsahuje fotoabsorbční vrstvu InGaAsP tloušťky 3 µm a horní a dolní transparentní
vrstvy InGaAsP tloušťky 2 µm, které spolu s absorpční vrstvou tvoří planární optický
vlnovod. Pro dosažení dobré citlivosti při nízkých napájecích napětích a přijatelných
dynamických vlastností je difuzí Zn do absorpční vrstvy vytvořen PN přechod v části
absorpční vrstvy. Responsivita je 0.85 až 0.88 mA/mW pro vlnové délky záření 1.3 až 1.6
µm.
Obr.2 Vnitřní struktura vlnovodné fotodiody WG-FD [2]
3. OE prvky pro planární monolitickou integraci
Jedním ze základních prvků pro systémy WDM resp. DWDM je multivlnový optický
vysílač, realizovaný jako laserové pole, které obsahuje integrované laserové diody DFB
(distribute feedback) s Braggovskými optickými mřížkami integrovanými v aktivní vrstvě
laserové diody, optickou planární rozbočnicí a polovodičovým optickým zesilovačem.
Pro stabilizaci vlnové délky se využívá systému tří optických mřížek, integrovaných do
aktivní vrstvy laserové diody. Laserové pole může emitovat až 8 vlnových délek
současně, které jsou dolaďovány teplotou s přeladěním až 5 nm. Nespojitým přepínáním
jednotlivých Braggovských mřížek v každé laserové diodě dosáhneme 3 různých
nastavení vlnové délky. Tím laserové pole dosahuje až 24 optických kanálů s možností
3
nespojitého přeladění až 40 nm. Optické ztráty na pasivním optickém planárním
multiplexeru jsou hrazeny polovodičovým optickým zesilovačem. S jeho využitím lze
dosáhnout výstupního optického výkonu 10 až 20 mW.
Obr. 3 DFB laserové pole s integrovaným optickým multiplexerem a optickým
zesilovačem [ 3]
Pro extrémě rychlé časové spínání se u systémů OTDM pracujících s časovým
multiplexováním optických signálů při terrabitových rychlostech toku dat využívá
optických interferometrů. Časový spínač TOAD - ( Terabit optical asymmetric
demultiplexer) je realizován Sagnacovým interferometrem. Prvek pracuje na principu
krátkodobého optického přebuzení polovodičového optického zesilovače řídícím impulsem,
monoliticky integrovaného do kruhového ramene Sagnacova interferomertru, které způsobí
posun fáze optické vlny šířící se v obou směrech ramenem kruhového interferometru. Posun
umístění optického zesilovače vůči ose interferometru způsobí vznik časového okna, ve
kterém se může generovat na výstupu TOAD interferometru logický stav ze vstupu TOAD
v době přítomnosti řídícího impulsu. TOAD interferometr lze využít jako základní prvek
OTDM vysílače a přijímače pracující jako spínač impulsů pro komunikační rychlosti až
stovek Gb/s. Spojení dvou těchto prvků pak jako velmi rychlá dynamická paměť.
4
Obr. 4 Struktura TOAD – terabitový optický asymetrický demultiplexor lit.[ 5 ]
4. Hybridní OE součástky pro přístupové účastnické sítě FTTx
V informačních sítích typu PON-FTTx se využívá na účastnické straně k transformaci
optického třívlnného záření typu WDM na elektrickou formu a naopak optoelektronický
transceiver. Jeho úlohou je přeměnit dva optické informační toky s vlnovou délkou 1490 a
1550 nm směrované z nejbližšího uzlu PON-FTTH k účastnickému ONT na elektrickou
formu a současně jeden elektrický informační tok na vlnové délce 1310 nm směrovaný od
každého účastnicka do nejbližšího uzlu PON-FTTH na optickou formu. Nevýhodou
mikrooptických řešení je vysoká technologická náročnost stávajících transceiverů využívající
volného šíření optického svazku a optických objemových bloků jako jsou hranoly nebo
zrcadla. Tyto transcievery jsou složeny z laserů a fotodetektorů zapouzdřených v pouzdrech
typu TO, z mikrooptických elementů jako jsou mikročočky a tenkovrstvé optické filtry. Celý
mikrooptický systém je drahý, rozměrný a obtížně integrovatelný do navazujících
elektrických obvodů. Planární transceivery jsou realizované technologií optické hybridní
integrace a využívají vlnově selektivní prvky jako jsou tenkovrstvé destičkové vkládané filtry
pro systém postupného filtrování vlnových délek nebo jiné planární vlnově selektivní členy
jako jsou interferenční vlnové rozbočnice nebo fázové optické mřížky.
5
Obr. 5 Využití submodulů při konstrukci PLC HIO modulu pro sítě PON [ 6 ]
Pro vedení optického záření se využívá optických vlnovodů s četnými ohyby a
postupných optických odbočovacích členů, které způsobují určité vložné ztráty optického
výkonu. Destičkové tenkovrstvé filtry je nutno vkládat do úzkých drážek, kolmých na osu
optických vlnovodů, kde stěny těchto drážek musí být přísně kolmé a jakákoli odchylka
výrazně zvětšuje optické ztráty. Jiná planární provedení transceiverů destičkové filtry
umisťují z boku nosné destičky a optoelektronické přijímače umisťují za ně na lepené
mikromoduly viz. obr. 5. Některá řešení využívají planární fázové vlnově selektivních
součástek, jako jsou planární interferometry nebo směrové vazební členy viz. obr.6 , jsou
velmi náročné na návrh a přesnost maskování a na zhotovení optických planárních obvodů.
Obr. 6 Hybridní polymerový optoelektronický planární modul pro sítě FTTH–PON [7]
Běžné vlnovodné struktury realizované na Si podložkách, specielních sklech nebo i některých
polovodičových materiálech kupř. GaAs resp. InP dobře plní funkci optických vlnovodů,
konstrukce složitějších fotonických struktur je však technologicky velmi náročná.
Optoelektronické hybridní integrované obvody lze vyrobit na podložkách z celé řady
organických a anorganických materiálů. Jako podložka se velmi často používá Si substrát
nebo semiisolační GaAs nebo InP. Na těchto podložkách se pak klasickou technologií
drátového kontaktování na tenkovrstvý pájitelný motiv, nebo technologií řízeného ohřevu a
letování čipu (solder-bump) na vymaskovaný motiv přes tenkou podkladovou vrstvičku SiO2
rozmísťují aktivní polovodičové součástky, jako SS-LD, SS-SOA nebo WG-PD. Tyto
součástky se umisťují na specielně vybroušenou podložku, která umožňuje navázat záření ze
součástky do vlnovodu. Někdy se konec vlnovodu opatřuje 45 stupňovým skosením
6
realizovaným laserovou ablací, nebo přímo litograficky využitím pryskyřice s kontrolovanou
snáčivostí. Složitější struktury jako vlnovodné selektory pro WDM nebo terabitové optické
přepínače pro OTDM jsou realizovány přímým spojováním více destiček, kde jsou jednotlivé
prvky struktury jako fázová optická mřížka, nebo optické SOA hradlové pole dodatečně
spojovány, nebo zapouštěny a fixovány optickou pryskyřicí do specielně upravených drážek.
5. Závěr
Optické integrované obvody založené především na polymerních materiálech, jako
jsou polymetakrylát, nebo acrylat a některé typy epoxypolymerů, které se v nedávné době
objevily v zahraničních pramenech jsou materiály velmi vhodné pro konstrukci
optoelektronických integrovaných obvodů. Jejich velmi nízká drsnost, malá křehkost,
polarizační nezávislost a nízká cena jsou vlastnosti velmi vhodné pro hromadnou výrobu, což
od optoelektronických integrovaných obvodů budoucnosti očekáváme.
6. Přehled literatury
[1] T.Hashimoto at all.: J. of Lightwave Technology , vol.16, No.7, 1998, p.1246-1257
[2]K.Kato at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p.4-13
[3]H.Hatakeyama : IEEE J. of Selected Topics in QE, N 6, 2002, p.1341-1348
[4]L.Eldada at all.: IEEE J.of Selected Topics in QE,vol. 6, No. 1, 2000, p.54-68
[5]P.R.Prucnal, I.Glesk at all.: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, No. 4, 2002,p.13-14
[6] Y.T.Han at all.: J. of Lightwave Technology , vol.24, No.12, 2006, p.5031-5038
[7] Wolf von Reden at all.: Lightwave Europe , Q3, 2007, p.1-31
Kontakt: Ing. Vítězslav Jeřábek, CSc, Katedra mikroelektroniky, FEL ČVUT,
Technická 2, 166 27 Praha 6,
[email protected]
7