Upload
others
View
12
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Mikrorezonátory
v integrované fotonice
Vlnovodné struktury s mikrorezonátory(≥ 1990, B. E. Little et al., MIT, Cambridge, USA)
inthrough
out inthrough
outMimo rezonanci
V rezonanci
mikrorezonátor
Vlnová délka nebo fáze
inte
nzita
I in
I drop
I throuh
inthrough
drop
Spektrální vlastnosti mikrorezonátoru
Vzdálenost mezi rezonancemi2 /( )q gFSR N D
Rezonanční vln. délka2 3 celé číslo (10 10, )qND q q
„Jemnost“ /F FSR
Činitel jakosti Q qF
FSR
Mikrorezonátor v rezonanci Mikrorezonátor mimo rezonanci
off-resonance on-resonance
Modelování a charakterizace mikrorezonátorů„Klasický“ spektrální přístup: „mode solver“ + metoda vázaných vln
Numerický přístup: FDTD
MIT, 1998, 2D FDTD model
U Twente, NL, 2000mikroskopický obrazmikrorezonátoru o Ø 50 µm,materiálový systém Si/SiO2/Si3N4
Žebrový vlnovod, nebo mikrodisk?
inthrough
out
inthrough
out
Žebrový vlnovod:technologicky náročnější,jednodušší návrh a modelování
Mikrodisk:technologicky jednodušší,velmi náročný návrh a modelování(„whispering gallery modes“)
Mikrorezonátor jako stavební prvekintegrovaných fotonických struktur
Pasivní mikrorezonátor – spektrální filtr, add-drop de/multiplexor
Syntéza tvaru spektrálních charakteristik –kaskádní řazení mikrorezonátorů
Elektroopticky/termoopticky laditelný mikrorezonátor –modulátor, přepínač (Δf ≈ 1 GHz)
křížový přepínač princip kaskádního filtru 3. řádu
in
out
in
out
Technologické aspektyLaterální vazba mezi mikrorezonátorem a vlnovodem je velmi kritická:
MIT, Cambridge, 2000Al0,5Ga0,5As–GaAs systémšířka vlnovodů 0,42–0,62 µmšířka štěrbin 0,18–0,32 µmhloubka leptání 2 µm
Alternativa: vertikální vazba
Laterální vazbaJednostupňová litografiekritická vazební štěrbinamenší flexibilita3D vektorové modelovánízádoucí
Vertikální vazbadvoustupňová litografielepší reprodukovatelnostvětší flexibilita3D vektorové modelovánínezbytné
Laterální a vertikální vazba mezi µR a vlnovodem
substrát
vazební štěrbina
substrát
prstenec vlnovod
prstenec vlnovodvazební štěrbina
Vazba mezi 3D přímým a zakřiveným vlnovodemProblémy:• Vazba mezi vedeným (bezeztrátovým)
a vytékajícím (vyzařujícím) videm• Role fázového synchronismu?
(proměnná relativní fázová rychlost)Přístup: lineární superpozice polí přímého a
zakřiveného vlnovodu
, ( , )w w b ba z x y a z x r E r e e
2 21 2 2 1 0 1 2 1 2i n n E H E H E E
1E . . . celkové pole, 2 ,w bE e e , pak vynásobení postupně
we a be , integrace přes plochu S s využitím ortogonality.Získáme soustavu diferenciálních rovnic 1. řádu pro wa z a ba z
téhož tvaru jako má rovnice vázaných vidů:
.w ww wb w
b bw bb b
a z z z a zda z z z a zdz
+ aplikace obecných teorémů, např. reciprocity:
z
y
x
, e wi zw x y e
, ib x r e e
S
Teorie vázaných vln pro 3Dhorizontálně i vertikálně vázané mikrorezonátory
(spolupráce s Uni Twente - Dr. R. Stoffer, Dr.M. Hammer)
U. Twente+ ÚRE,OpticsCommun.2005
Příklady rozložení polí
Přístup zakřiveného vlnovodu Přístup komplexní frekvence
1 6 1 7 10 µm. , . ,sub guiden n r
Experimentální vzorek mikrorezonátorů na bázi Si3N4/SiO2 (Uni Twente)
Detail vazební oblasti
Vlnovodné filtry na bázi mikrorezonátorů
Příklad 1: Termoopticky laděný filtr vyšších řádůFiltry 1. až 11. řádu, ø 72 µmSiO2/Hydex (ns = 1,45, ng = 1,7), Ø ≈ 50 µmztráty na čipu 1 ÷ 1,5 dBLittle Optics, Inc., PTL, Sept. 2004(nyní Infinera)
Termooptickyladěnéspektrálnícharakteristikyfiltru 5. řádu,Δf = 25 GHz
“Demonstrátor“ projektu NAIS
Rekonfigurovatelný demultiplexors termoopticky laděnými mikrorezonátory(Realizace: University of Twente, NL,systémové testy: Nortel, UK)
Využití nelineárních optických efektů
ve fotonických strukturách s mikrorezonátory
Nelineární šíření optického záření v mikrorezonátoru:Kerrovská nelinearita → automodulace fáze
ina outa
1a2a
0 0.05 0.1 0.15 0.20
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10.1
Input intensity (a.u., ~ W/µm2)
Out
put i
nten
sity
Round-tripphase
π 2π 1.75π
1 2
out ina a
a a
2 1L NLi ia a be e
2 21 1 2
nelineární změna fáze (automodulace)/ lnNL a b b
1 2
2
,in
out in
a aa
a a a
Jednoduchý model optického spínánív mikrorezonátoru
Vertikální čerpání:jednoduché, rychlé,vhodné pro základní experiment
Pump
Signal inPump
Signal in
Thru
Drop
Thru
Drop
Vlnovodné čerpání:rezonanční zesílení; pomalejší,ale vhodné pro aplikace
Spínač využívající křížovou fázovou modulaciv mikrorezonátoru
Parametry:
Materiál: Křemík na SiO2Průměr mikrorezonátoru: 10 µmRozměry vlnovodů: 300×400 nmNosná vln.délka signálu: 1545 nmVlnová délka čerpací ho ipulsu: 1577 nmVstupní impuls: gaussovský, ts ≈ 5 psČerpací impuls: gaussovský, tp ≈ 5 psŠpičkový čerpací výkon: Pp ≈ 2.5 W
pump signal thru
drop
2 3222 3
0 1 02 3
2 3222 3
0 1 02 3
22 6
22 6
, ,, , ,
, ,, , ,
( , )
( , )
s ss s s ss s s s s s p
p p p p p pp p p p p s p
u z t u u ui u i i u u u
z t t t
u z t u u ui u i i u u u
z t t t
Interakce je popsaná dvojicí vázaných nelineárních rovnic pro dva (spektrálně se nepřekrývající) impulsy:
… signál
…čerpání
Nelineární optické přepínání: časová závislost
-15 -10 -5 0 5 10 150.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Powe
r (W
)
time (ps)
input
drop
thru
signal
-15 -10 -5 0 5 10 150.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
thru
drop
input
Powe
r (W
)
time (ps)
pump
-15 -10 -5 0 5 10 150.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Powe
r (W
)
time (ps)
Parameters:g0 = 1000 W–1 m–1
ring radius 5 µmls = 1544.7 nmlp = 1577.4 nmSignal peak power 0.1 WGauss, FWHM 5 psPump peak power 2.5 WGauss, FWHM 5 psdelay – 2.6 ps
-15 -10 -5 0 5 10 150.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
drop
thru
input
Powe
r (W
)
time (ps)
Výhody a nevýhody vlnovodných struktur s mikrorezonátory
Výhody: Relativně velká variabilita realizovatelných funkcí
– spektrální filtr, modulátor, přepínač, laser(?), ... Technologická homogenita prvků s různými funkcemi Malé rozměry stavebních bloků (řádu 10 µm)
Nevýhody: Vysoká technologická náročnost Návrh a modelování vyžaduje nové metody
(3D, všesměrové šíření) Obtížnost účinné vazby na vláknové vlnovody Omezené technické parametry
(šířka pásma filtru, mezní frekvence modulátoru, ...)
Dnes patrně nejperspektivnější technologie pro „large-scale photonic integration“
Měření parametrů
fotonických vlnovodných struktur
Metody měření základních parametrů vlnovodů
1. Vidová spektroskopie planárních vlnovodů• metody určování profilu indexu lomu• dvouhranolová, jednohranolová metoda• měření s pomocí vazební mřížky
2. Měření útlumu vlnovodů• útlum planárních vlnovodů• útlum kanálkových vlnovodů – rezonátorová metoda• měření grupového indexu lomu
3. Měření spektrálních vlastností vlnovodých struktur• měření spektrálních charakteristik
4. Měření dynamických vlastností vlnovodných struktur• měření parametrů EO modulátorů• měření vlastností AO vlnovodů
Vidová spektroskopie planárních vlnovodů
pnm
2 2 2 2 2
2 2
2 2
cos
sin sin
( ) ,
cos cos cos sin sin
cos sin sin
sin cos sin sin
sin sin cos sin
p
p
p p p
p p p p
p
m p m m
N n
n
N n n n
n n n n
N n
N n
pn
Experimentální uspořádání: metoda dvou hranolů
Laser
Fotodetektor
m
Vlnovod je umístěn na otočném stolku (goniometru)1. Nastavíme kolmý odraz od vlnovodu2. Nastavíme kolmý odraz od hranolu3. Nastavujeme synchronní úhly φm4. Vypočteme Nm 2 2sin sin cos sinm p m mN n
Často lze současně měřit i index lomu podložky
clonka pro nastavení zpětného odrazu
He-Ne laser 1,15 µm
He-Ne laser 632,8 nm
Geodetický teodolitjako goniometr
l/2 destička
Laboratorní sestava pro měření efektivních indexů lomu planárních vlnovodů(ÚFE, 1980)
Jednohranolová metoda („tmavá“ vidová spektroskopie)
přítlačný hrot
Pokud synchronní úhly všech vidů leží uvnitř vstupního kužele,vybudí se všechny vidy současně. Na stínítku vznikne světlý kruh s tmavými čaramiv místech odpovídajících výstupním úhlům vidů, poněvadž vybuzené vidyodvedou energii z místa dopadu optického svazku.
vlnovodsubstrát
0m 12
Stínítko lze okalibrovat přímo v hodnotách ef. indexů lomu,nebo je možno smímat rozložení pole CCD kamerou a ze zpracování obrazuvyhodnotit hodnoty ef. indexů lomu
substrát
Určení profilu indexu lomu planárního vlnovoduze spektra vedených vidů
U vrstvového vlnovodu stačí v principu znát hodnotu ef. indexů 2 vidů,poněvadž neznáme 2 parametry – tloušťku a index lomu vlnovodné vrstvy.
Pokud je vidů víc, hledáme minimum výrazu
2 22 2 2 2
2 2 2 22 20
1arctan arctang gm s m s
ms sg m g mg m
n nN n N nd m
n nn N n Nk n N
1 12
0 0
1 1 1 1
,M M
d m mm m
d d d dM M
jako funkci indexu lomu vrstvy ng. Nejpravděpodobnější hodnota tloušťky je pak .d
2 22 2 2 22 2
0 2 2 2 2arctan arctang gm s m sm
s smg
g mg
N n N nk N m
n nN
n
n n N
nd n
Určení profilu indexu lomu difúzního vlnovodu ze spektra vedených vidů
0
2 20
0
34
( )
( ) ( ) .mx N
m mf N k n x N dx m
(White a Heidrich. 1976)
Předpokládejme profil indexu lomu ve tvaru po částech lineární funkces vrcholy v bodech ( , ).m mx N
Integrál je pak možno spočítat analyticky; získáme rekurentní vzorec
1 22 21 1
1 3 2 3 22 2 2 2112 2
11
3 14 4
/-
/ /
m m m m
mk k
k m k mk kk
x x N N
x xm N N N N
N N
pro určení „bodů obratu“ (hloubek vlnovodu, ve kterých je hodnota indexu lomuvlnovodu rovna efektivnímu inxexu lomu daného vidu).Kritické je určení hodnoty n(0) na povrchu vlnovodu.
2 2 2 2
2 2 22 2
0 2 20
, 02
0 140
( )
( )( ) arctan
o
m m a
xm a
ma m
n N N n
n N nk n x N m
n n N
pokud
WKB aproximace:
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
...
xo(N2)N22 – n2
s
N21 – n2
s
n2 (x) –
n2 s
rel. hloubka x / xd
xo(N1)
N20 – n2
s xo(N0)
...
Parametry obecného dvouparametrického profilu (gaussovského, parabolického,lineárního ap. lze určovat podobně: nechť
2 2 2
22
0 0
0
/ , ,
,
s s d
a
n n n f x xn x
n
Neznáme povrchovou hodnotu indexu lomu a difúzní hloubku 0n .dx
00
2 2
0
34
, ( )/
/ /m d
d m x N x
d m d
mk x
n x x N d x x
Určení profilu indexu lomu gradientního vlnovodu:dvouparametrický profil
f je monotónně klesající funkce, 0 1.f
Pak můžeme použít postup jako u vrstvy:
1
0
11 ,
M
d d mm
x xM
1 2
0
11
.M
d mm
d dM
Měření útlumu planárních vlnovodů
Dvouhranolová metoda:
1L2L
1I 2I
1 2
2 1
10 [dB/cm], ,log( / )
( )out outI I
bL L
Problém: neměnit účinnost (výstupní) vazby
Tříhranolová metoda:
1L2L
10
11
12
I
I
I
20
21
22
I
I
I
Měníme polohu středníhohranolu bez změny vazbyvstupního a výstupníhohranolu (!!!)
Problém: vzorek musí mít dostatečně velké rozměry
Přesnost metody typicky řádu 1 dB/cm
Měření útlumu planárních vlnovodůMetoda snímání rozptýleného záření
d qm
ng
d
j m
ns
PC
C
Laser
CCDkamera
DetektorPříklad sejmuté stopyv GaN vlnovodu na safíru
0 1 2 3 4 5 6 710
100
λ = 781 nm
10.5 dB/cmTE5
TE3 5.8dB/cmTE2 5dB/cm
4.6 dB/cmTE12.8 dB/cmTE0
Rozp
týle
ný v
ýkon
(log
.j.)
Podélná poloha ve vlnovodu (mm)
Útlum roste s vidovým indexem,což je typická vlastnost vlnovodů,u nichž je dominantním mechanismemztrát rozptyl na rozhraníchmezi vlnovodnou vrstvou a okolnímiprostředími
Měření s fázovým kontrastem a heterodynní detekcí
Měření útlumu kanálkových vlnovodůMetoda Fabryových-Perotových rezonancí
detektor
1
6
5
32 4
Uspořádání měřícího pracoviště
Kanálkový vlnovod se chová jako FP rezonátorv důsledku odrazů od leštěných čel vlnovodu
22
20
1
1 2
exp,
exp exp
R LT
R L ik NL
Modální transmitance
Z poměru max. a min. transmitance vyjádříme měrný útlum (dB/cm)
4 34 1 12 1 1
max
min
.ln ln , .
K N Tb K
L K N T
R Lje modální reflektance, činitel útlumu, délka
Sestava pro měření parametrů struktur integrované optiky (ÚFE 2003)
Sestava pro měření parametrů struktur integrované optiky (ÚFE 2008)
1500.00 1500.05 1500.10 1500.150.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Tran
smita
nce
Vlnová délka (nm)
1500nm 1550nm 1620nmměrný útlum 0.365 dB/cm 0.255 dB/cm 0.244 dB/cm
Měření útlumu kanálkových vlnovodůZáznam měření Ti:LiNbO3 vlnovodu
1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 16400.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
"K"Loss
[dB/
cm]
Wavelength λ [nm]
"Ag"
Spektrální závislost útlumu vlnovodůvytvořených iontovými výměnamiAg+↔Na+ a K+↔Na+ ve skle dopovaném Er3+
1550.0 1550.1 1550.2 1550.30.80
0.85
0.90
0.95
1.00
5.sada 4.kanálek-ztráty 0.42 dB/cm
Sklo #40A, λ=1550nm
6.sada 1.kanálek-ztráty 0.35 dB/cm
Tran
smita
nce
Vlnová délka (nm)
Měření grupového indexu lomu kanálkových vlnovodů
1500 1520 1540 1560 1580 16002.2522.2542.2562.2582.2602.2622.2642.2662.2682.2702.272
Vlnová délka (nm)
Gru
pový
eff.
inde
x
21
22
23
24
25
26
Spek
tráln
í per
ioda
(pm
)
Rezonanční podmínka FP rezonátoru je dána vztahem2
( ) ,qqN L q q
c
je celé číslo
Pro vzdálenost sousedních rezonancí (FSR) platí 2
,gdN c
N N d Nd L
2
2 2 2
, gg
c cN
N L L L
neboli grupový index lomu
1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640
1.86
1.88
1.90
1.92
Grup
ový
ef. i
ndex
[-]
Vlnová délka [nm]
Ti:LiNbO3 vlnovod Si3N4/SiO2 vlnovod
Charakterizace mikrorezonátorů(F. Ondráček, FEL ČVUT a ÚFE)
1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 16400,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Tran
smiss
ion [a
.u.]
Wavelength λ [nm]
Through port Drop port
g
airSi3N4
Thermal SiO2
PECVD SiO2
PECVD SiO2 - buffer layer
Si3N4/SiO2 prstencový µR, R = 50 µmtechnologie: Uni Twente, NL
1623 1626 1629 1632 1635
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0Dr
op tr
ansm
issio
n [a.u
.]
Wavelength λ [nm]
∆λ
FSR ≅ 9 nm
F = 30
Si3N4/SiO2 µR(vzorek Uni Twente)
Měření blízkého pole skanovacím optickým mikroskopem
Interferometrické měření s fázovým kontrastem
Šíření femtosekundového impulsu v mikrorezonátoru
Experiment:interferenční mikroskopieblízkého pole,Uni Twente, NL, 2003
Délka impulsu ~ 80 fs,vlnová délka ~ 800 nm(Ti:safírový laser)