Ing.Vtzslav Jebek, CScSIF 2008jerabek@fel.cvut.cz

Optoelektronick soustky pro telekomunikace a jejich integrace

Soustky pro telekomunikace - vodSystmov rozdlen integrovanch soustek pro fotonick telekomunikaceIntegrovan fotonick soustky a subsystmy signlov cesty:

Soustky integrovan optoelektroniky - optoelektronick prvky pro generaci, ovldn, zesilovn a detekci optickho zen optoelektronick genertory, optoelektronick vyslae OEV a pijmae OEP, elektrooptick modultory EOM a akustooptick modultory AOM, elektrooptick pepnae EOP, vlnov konvertory, vlnov routery, optick zesilovae , asov MUX/DEMUX a.p.

Soustky integrovan optiky - optick prvky pro distribuci a ovldn optickho zen - multividov a monovidov optick dlie vkonu, vazebn leny, vlnov selektivn MUX/DEMUX, optick izoltory a polariztory a.p.

Soustky pro telekomunikace - vodIntegrovan soustky a subsystmy pro podporu fotonickch systmStabiliztory napjecch napt, optickho vkonu, pracovnho bodu, vlnov frekvence, vlnov fze, vlnov polarizaceTvarovac a korekn leny korekn len pro vysokoimpedann OEP, tvarovac len pro elektrooptick modultory u OEV s vnjm modultorem

Technologie integrovan optoelektronikyVlknov hybridn integrovan obvody:Tenkovrsv IO vrstvy nejastji Au, Ag. Cr, NiCr a.p. napaovan nebo napraovan na hlazen korundov podloky, skeln podloky, BeO, sklokeramika, kompozitn materilyTlustovrstvov IO Pd,Au, Ag pasty vyplen na hrubozrnn nebo jemnozrnn korund, kompozitn materily

Planrn hybridn integrovan obvody : Optick vlnovody jsou realizovny tenkovrstvou technologi Si, SiO2, Si3N4, skla nebo organickch materil PMMA, SU 8 a.p. na podloce Si, sklo, LiNbO3, LiTaO3 a osazen elektronickmi a optoelektronickmi polovodiovmi soustkami na korundu nebo kompozitu

Monolitick integrovan obvody: Optick vlnovody a polovodiov elektronick a optoelektronick soustky jsou realizovan stejnmi materily skupiny A3B5 v tme technologickm cyklu na podlokch GaAs, nebo InP

Technologie integrovan optoelektronikyTranzistorov technologie vyvan pro konstrukci integrovanch OEP a OEV :

MES FET Schottkyho tranzistory zen polem HFET heterostrukturn tranzistory zen polem BJT bipolrn tranzistor HBT heterobipolrn trnzistor

Technologie integrovan optoelektronikyPouit technologie :SMD technologie pro prvky pracujc voblasti kmitot stovek MHzHybridn technologie pro prvky pracujc voblasti kmitot jednotek a nkolika destek GHz Monolitick technologie pro jednotky, destky a stovky GHz Vhody fyziklnch vlastnost polovodi ady A3B5 jsou :Vysok pohyblivost nosi vpolovodich ady A3B5 Nzk um pedevm pokud jde o um kanlu FE tranzistorVysok pravdpodobnost zivch pechod vyuvan voptoelektronickch mnich

Technologie planrn integrovan optoelektronikyTypy technologickch een optoelektronickch integrovanch obvod [ 17 ]

Optick vazba LD na planrn optick vlnovod [ 19]Hybridn integrovan optoelektronika

Hybridn integrovan optoelektronikaMont a optick vazba flip-chip LD na optick planrn vlnovod PLC HIO [ 4 ]

Hybridn integrovan optoelektronikaTechnologie vroby podloky s planrnm vlnovodem vyslac sti PLC HIO [ 4 ]

Hybridn integrovan optoelektronikaSS-LD ( spot-size laser diode) laserov dioda s hlovm konvertorem [ 16 ]

Technologie osazovn ipu SS-LD na planrn hybridn IO [ 19 ]Hybridn integrovan optoelektronika

Technologie pjen hybridnch optoelektronickch IO [ 16 ]Hybridn integrovan optoelektronika

Multivlnov SS - LD vysla jako hybridn optoelektronick IO [ 16 ]Hybridn integrovan optoelektronika

SS SOA ( spot-size SOA ) polovodiov planrn optick zesilova [ 16 ]Hybridn integrovan optoelektronika

Hybridn integrovan optoelektronikaWG FD ( Waveguid- fotodetector) vlnovodn fotodetektor pro hybridn planrn OE pijma [ 16 ]

Hybridn integrovan optoelektronikaMont a optick vazba flip-chip FD na optick planrn vlnovod PLC HIO [ 4 ]Detail ipu fotodetektoru s rozmry aktivn plochy

Hybridn integrovan optoelektronikaTechnologie vroby podloky pijmac sti PLC HIO [ 4]

Hybridn optoelektronick planrn modul pro st FTTH - PONHybridn integrovan optoelektronika

Hybridn integrovan optoelektronikaastnick obvod pro ONT u st FTTH-PON [ 15 ]

Hybridn integrovan optoelektronikaHybridn polymerov optoelektronick planrn modul pro st FTTH PON [ 7 ]

Hybridn integrovan optoelektronikaHybridn OE planrn BiDi modul pro st FTTH PON [ 15 ]

Hybridn integrovan optoelektronikaa)b)a) Zapouzden FTTx BiDi modul b) Zpsob napojen modulu BiDi na opt. veden

Hybridn integrovan optoelektronika

Vyuit submodul pi konstrukci PLC HIO modulu pro st PON [ 4 ]

Hybridn integrovan optoelektronikaSestaven obvod PLC HIO pto st PON [ 4 ]Detail zapouzden pijmac sti PLC HIOZapouzden astnick modul pro st PON

Hybridn integrovan optoelektronikaNamen chrakteristiky astnickho obvodu PON [ 4 ]

Optick komunikan systmyRozdlen podle typu modulace:Systmy sintenzitn modulac optick nosn a pmou detekcSystmy koherentn sheterodynn detekc optick nosnSystmy koherentn shomodynn detekc optick nosnRozdlen podle funkce:Systmy penosovSystmy pro pepojovn okruhSystmy pro pepojovn paketRozdlen podle nsobnosti vyuit optickch cest:Optick jednokanlov systmyOptick vcekanlov ( multiplexn ) penosov systmy

OE vysila s injeknm modultorem Vhody injeknch modultor LD :

Obvodov a technologick jednoduchost proveden Dobr elektrick linearita modultor, kter umouje realizovat analogov modultory svysokm odstupem intermodulanch produktDobr elektrick vysokofrekvenn pizpsoben na vstupu modultoru

OE vysilae s injeknm modultorem Nevhody injeknch modultor LD:

Modulan ka psma je zvisl na transportnch vlastnostech foton a elektron modultoru LD a je omezena tzv. foton-elektronovou rezonanac Optick spektrum MV LD a JV LD je rovn modulovno vzvislosti na zmnch injeknho proudu, vznik tzv. chirppingPomr signl/um je zhorovn umem modulanho tranzistoru

Injekn intenzitn modultoryTypy injeknch modultor pro OE vyslae

Injekn intenzitn modultoryTypy injeknch modultor LD a LED s tranzistorem:

Sriov modultor sriov spojen modulanho tranzistoru s OE prvkem uit pro injekn modulaci LD, SLD a LED ky psma do 1 GHz

Bonkov modultor paraleln spojen modulanho tranzistoru a OE prvku vhodn kompenzuje hor dynamick parametry LED vyuit pro modulaci LED a do 300 MHz Emitorov vzan modultor sriov spojen OE prvku sdvojic emitorov vzanch tranzistor uit pro injekn modulaci LD vyuit v planrnch MMIO pro modulace nad 1 GHz

Injekn modulace komunikan LDAnalogov a digitln modulace LD , princip lit.[ 7 ]

Injekn modulace komunikan LDDynamick vlastnostiNumerickm vpotem z rychlostnch rovnic dostvme asovou odezvu pro velk zmny signluLinearizac rychlostnch rovnic dostvme odezvu LD na buzen malm signlem

dN/ dt = I/ eVa - g . ( N Ng ) . S - N ( 1/ tns + B . N ) dS/ dt = g . ( N Ng ) . S - S/ tp + a N ( 1/ tns+ B . N )

kde N je stedn koncentrace elektron, S je stedn koncentrace foton, I je erpac proud, g je ziskov konstanta, Ng je prahov koncentrace, tns je doba ivota neziv rekombinujcch nosi, tp je doba ivota foton, B je konstanta spontnnch bimolekulrnch rekombinac, a je konstanta spontnnho pspvku do laserovho vidu

Injekn modulace komunikan LDTabulka fyziklnch konstant:Pr( w) = wo2 / [( wo2 w 2 ) + j b w ] kde wo2 = ( Io Ith )/tsp tph I th a b = Io/tsp Ith Linearizac rychlostnch rovnic lze odvodit vztah pro amplitudovou modulan charkteristiku LD

Injekn modulace komunikan LD NLO pro mal zmny a hodnoty zkladnch prvk pro rzn pracovn body nad prahem LD :

Injekn modulace komunikan LDZvislost amplitudov modulan charakteristiky LD na proudovm buzen lit.[4]

Injekn modulace komunikan LDImpulsn asov odezva LD

Injekn modulace komunikan LED Spektrln charakteristikyELD spektrum je generovno spontnn emis , optick spektrum je spojit a irok 40a 150 nm - pro 850 nm psmo 40 nm - pro 1550 nm psmo 150 nmSLED (superluminiscenn dioda) pouv DH s aktivn vrstvou a technologicky vyblokovanmi zrcadly. Generuje rovn spojit spektrum irok do 20 nm

Injekn modulace komunikan LDSpektrln charakteristikyLD multividov (gain guided) rozloen laterrnch vid zvis na podmnkch buzen nad prahem - parazitn frekvenn modulace nebo-li tzv. chirpping - v okol prahu je multividov, projevuje se efekt superradiace - nad prahem s buzenm poet vid kles - vysoko nad prahem opt poet vid narstLD jednovidov (index guided) nebo s optickou mkou- je velmi mlo zvisl na podmnkch buzen nad prahem, v celm rozsahu proud je jednovidov, vedlej vidy jsou znan potlaen

Dynamika spekter OE zdroj zen pi modulaci lit. [ 1 ]LED,multividov LD ( MV LD ), jednovidov LD (JV LD), jednofrekvenn LD (JF LD) Injekn modulace komunikan LD a LED

Injekn modulace komunikan LD

Injekn modul. s emitorov vzanou dvojicpro 10 Gb/s s Si BJT 25 GHz technologi [ 2 ]

OE vysila svnjm modultoremPrincip OE vyslae s vnjm modultorem

OE vysila svnjm modultoremVhody OE vyslae:Modulan ka psma nen zvisl na transportnch vlastnostech elektron a foton vLD. Neuplatn se tedy foton-elektronov rezonanceNeuplatn se rovn parazitn induknosti a kapacity LDNedochz kparazitn modulaci optickho spektra LD tzv. chirppingu

OE vysila svnjm modultoremNevhody OE vyslae:Je teba kompenzovat nelinern pevodn charakteristiku EO modultoru teplotn kompenzovanm ekvalizanm obvodemNa EO modultoru dochz koptickm ztrtm, kter je teba kompenzovat vym vkonem LDVysok cena vyplvajc ze sloitch a teplotn stabilizovanch obvod OE vyslae

OE vysila svnjm modultoremBlokov schma OE vyslae CM 7130 spolenosti DSC lit. [ 9 ]

OE vysila svnjm modultoremZptnovazebn obvod stabilizace pracovnho bodu M.-Z. interferometru

OE vysila svnjm modultorema) Vyven M.-Z. interferometr b) Nevyven M.-Z. interferometr

Stabilizace optickho vkonu OE vyslaeTypy obvod pro stabilizaci zivho vkonu:Integrujc zptn vazba stabilizujc stedn ziv vkonIntegrujc zptn vazba stabilizujc stedn ziv vkon a stedn extinkci modulaceIntegrujc zptn vazba stabilizujc stedn ziv vkon a maximln ziv vkon modulace

Laserov diody - LDZvislost W A charakteristiky LD na teplot lit. [1]

Stabilizace optickho vkonu OE vyslaePrincip zapojen optick zptn vazba stabilizujc stedn ziv vkon

Stabilizace optickho vkonu OE vyslaeIntegrujc zptn vazba stabilizujc stedn ziv vkon a stedn extinkci modulace

Pklad zapojen OE vyslaeZapojen HIO OE vyslae s emitorov vzanm FET modultorem a optickou stabilizac na stedn vkon lit. [ 10 ]

Zapojen teplotn stabilizace OE vyslaeeen teplotn stabilizace proveden klasickm zpsobem s diskrtnmi prvky

IO pro stabilizaci optickho vkonu OE vyslaeBlokov zapojen IO ADN 2830 pro stabilizaci optickho vkonu LD vyslae

IO pro stabilizaci optickho vkonu OE vyslae

IO pro stabilizaci optickho vkonu OE vyslaeFunkce obvodu pro stabilizaci stednho vkonu LD:Nastaven budcho proudu LD a monitorovacho napt FDzen stednho optickho vkopnu LD odporem PSETObvod umouje tak zen na konstantn proud LD vstupem IBMONGenerace a nastaven alarmu LD-D laser degraduje a LD-F porucha laseruALS automatick staen pracovnho proudu LD

IO pro stabilizaci optickho vkonu OE vyslae

IO pro stabilizaci optickho vkonu OE vyslae

IO pro teplotn stabilizaci OE vyslaeBlokov zapojen IO ADN 8830 teplotn stabilizace OE vyslae

IO pro teplotn stabilizaci OE vyslae

IO pro teplotn stabilizaci OE vyslaeFunkce obvodu pro regulaci a nastaven teploty :Nastven a monitoring teploty LDIndikace stability teplotn regulaceSynchronizace osciltoru umoujcho frekvenn a fzov zen teplotyAlarm teplotyNastaven maximlnho napt na Peltierov lnku

Intenzitn modulace OE pijmae Obecn poadavky na OE pijmaVysok citlivost vyjden pomrem V/W do definovan zteNzk umov slo OE pijmae do definovan zteVhodnou vlnovou dlku vzhledem k pijmanmu zenDobrou dynamiku vzhledem k typu poadovan modulaceLinearitu vzhledem k rozsahu intenzity optickho zen na vstupu OE pijmae

Intenzitn modulace OE pijmaeDynamick vlastnosti Rychlostn rovnice dN/ dt = G - N/ tnsasov konstanta tRC = (Rd+Rz) (Cs + Cz) kde tRC asov konstanta, Rd je dynamick odpor, Cs je kapacita prostorovho nboje, Rz a Cz je odpor a kapacita zteDriftov asy nosi ve vyerpan oblasti td = L/ vs kde L = x1 x2 tlouka intrinsick oblasti PIN, vs je saturan rychlostCelkov asov konstanta a ka psma tC = (tRC 2+ td2)1/2 z toho fm = 1/ 2p tC

Komunikan fotodiody - PINZvislost mezn frekvence PIN FD pro vysok rychlosti komunikace na tlouce intrinsick vrstvy. Parametrem je prmr aktivn plochy fotodetektoru lit. [ 8 ]

OE pijmae zkladn zapojena) Nzkoimpedann typ, b) Transimpedann typ, c) Vysokoimpedann typ s ekvalizrem

OE pijmae pro optick sdlovnTypy OE pijma:Nzkoimpedann OE pijma FD vodporovm reimu plat Rz Zvst Vlastnosti - kompromisn penos pi stedn ce psma a stedn me umu Pout pro ky psma do 1 GHzVysokoimpedann OE pijma FD vodporovm reimu, naklonn modulan charakteristice, kterou vyrovnvme ekvalizanm lenem plat Rz >> Zvst Vlastnosti - velmi mal um, vysok penos, mal ka psma a mal dynamika Pouit pro ky psma do 150 MHz

OE pijmae pro optick sdlovnBlokov schma OEP s transimpedanc RT

OE pijmae pro optick sdlovnNhradn elektrick zapojen transimpedannho OEPkdea pro CT plat

OE pijmae pro optick sdlovn

OE pijmae pro optick sdlovnKaskodov SS-SB-SE transimpedann OE pijma pro modulan psma do 150 MHz lit. [ 8 ]

OE pijmae pro optick sdlovnHybridn transimpedann OE pijma s kou psma 700 MHz lit. [ 6 ]

OE pijmae pro optick sdlovnMonolitick obvod PIN FET pro gigahertzov psmo lit. [ 8 ]

OE pijmae pro optick sdlovnMonolitick DHBT InP/ InGaAs OE pijma pro ku psma do 40 GHz lit. [ 9 ]

Hybridn integrovan optoelektronikana katede mikroelektroniky FEL VUTVnitn uspodn mikrovlnnho optoelektronickho pijmae 5 GHz

Zvislost optickho vkonu OE vyslae ve svtlovodu a citlivosti OE pijmae na penosov rychlosti digitlnho spoje lit. [ 1 ] Nvrh optick trasy

Systm s heterodynn modulacBlokov schma optickho komunikanho systmu lit. [ 1 ]

Systm s heterodynn modulacPorovnn citlivosti opticky nekoherentnho a koherentnho sdlovn lit. [ 1 ]

Literatura[ 1 ] A.Kuchar, M.Khodl:Optick systmy pro penos informace, KH servis, Praha, 1995[ 6 ] Technick zprva Tesla VST, Praha, 1989[ 8 ] Optical Fiber Communications II, Academic Press, Inc., Boston, 1988[ 9 ] IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.49, N 10, 2001,p.1921[ 15 ] A.E.Willner: IEEE Spectrum, April 1997, p.32-41 [ 16 ]P.Toliver, I.Glesk at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.16, No. 12, 1998, p.170-175[ 17 ]H.Nishihara at all.: Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1989[ 18 J.Hansryd. P.A.Anderson: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, N 4, 2002,p.36-38 [ 19 ]T.Hashimoto at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.16, No. 7, 1998, p.1249-1256