ΑΘΗΝΑ 008 Α. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Ρ/Η, Phd
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια µια καινούργια τεχνολογία φαίνεται να κυριαρχεί στη µετάδοση και την επεξεργασία της πληροφορίας, αυτή της Οπτικοηλεκτρονικής. Συνεχώς οι οπτικοηλεκτρονικές διατάξεις εξελίσσονται µε γρήγορους ρυθµούς, ενώ οι πρακτικές εφαρµογές τους επεκτείνονται και αποκτούν µεγαλύτερη σηµασία στην επιστήµη, στην καθηµερινή ζωή, στην έρευνα, στη βιοµηχανία, στην ιατρική, στις συσκευές ευρείας κατανάλωσης και ψυχαγωγίας και ιδιαίτερα στις τηλεπικοινωνίες. Οπτικά συστήµατα επικοινωνίας, που σε σχέση µε τα συµβατικά χρησιµοποιούν ως φορέα φως ορατό ή µη (οπτική ζώνη του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος µε µήκη κύµατος από 0.4 µm έως 1.7 µm). Ως µέσο µεταφοράς της πληροφορίας αντί των κλασσικών χάλκινων γραµµών µεταφοράς (δισύρµατες γραµµές - οµοαξονικά καλώδια) χρησιµοποιούνται οι οπτικές ίνες. Είναι αποδεκτό ότι χωρίς την οπτική ίνα δεν θα υπήρχαν οι οπτικές επικοινωνίες, αλλά τα υπάρχοντα οπτικά συστήµατα δεν θα αξιοποιούσαν πλήρως τις δυνατότητές της, αν δεν υπήρχαν οι οπτικοηλεκτρονικές διατάξεις. Οι παρούσες σηµειώσεις αποτελούν ένα βοήθηµα για την κατανόηση της λειτουργίας των διατάξεων της οπτικοηλεκτρονικής και µια παρουσίαση των βασικών αρχών της. Παρότι σήµερα δεν υπάρχει τοµέας της τεχνολογίας που να µη χρησιµοποιεί µια οπτικοηλεκτρονική διάταξη, το παρόν βοήθηµα εστιάζεται στις εφαρµογές που χρησιµοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες και ειδικότερα στις διατάξεις που µπορεί να οδηγήσουν στην πλήρη ολοκλήρωση των οπτικοηλεκτρονικών στοιχείων µε τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα µε τα οποία συνδέονται. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ ii
Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ iii
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΟΠΤΙΚΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ...1 1.1 Το οπτικό σύστηµα επικοινωνίας... 3. ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΟΠΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ...5.1 Υλικά και τεχνικές κατασκευής οπτικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων.8.1.1 Κρυσταλλικά ηλεκτροοπτικά υλικά - LiNbO 3...9.1. Ηµιαγωγικά υλικά - Οµάδα ΙΙΙ-V...11.1.3 Τεχνικές κατασκευής οπτικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων...13. Τυπικοί κυµατοδηγοί στην ολοκληρωµένη οπτική... 16..1 Τύποι τρισδιάστατων κυµατοδηγών για ολοκληρωµένες οπτικές διατάξεις17.. Καµπύλοι κυµατοδηγοί...19..3 Μηχανισµοί απωλειών στους οπτικούς κυµατοδηγούς...0.3 Η ιάδοση στα οπτικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα... 4.3.1 Βασικές εξισώσεις και θεωρήσεις...4.3. ιάδοση σε ανισότροπα υλικά. Ελλειψοειδές του δείκτη διάθλασης...6.4 Εξωτερικός έλεγχος οπτικού σήµατος... 31.4.1 Βασικές αρχές και µέθοδοι ελέγχου...31.4. Το ηλεκτροοπτικό φαινόµενο και o ηλεκτροοπτικός τανυστής...33 3. ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΦΩΤΟΣ ΚΑΙ ΥΛΗΣ...38 3.1 Η φύση του φωτός... 38 3. Βασικά στοιχεία θεωρίας Ηµιαγωγών... 38 3..1 Τύποι ηµιαγωγών...40 3.3 Οπτικές µεταπτώσεις στους ηµιαγωγούς... 41 3.3.1 Η διαδικασία της επανασύνδεσης...4 3.3. Ρυθµοί απορρόφησης και ακτινοβολίας. Σχέσεις Εinstein...43 3.4 Αντιστροφή πληθυσµών και οπτική ενίσχυση... 45 3.4.1 Τρόποι Άντλησης στα αέρια...47 3.4. Τρόποι Άντλησης στα υγρά...47 3.4.3 Τρόποι Άντλησης στα Στερεά...48 3.4.4 Τρόποι Άντλησης στούς Ηµιαγωγούς...48 3.5 ράση Laser... 48 3.6 Επαφές p-n ή δίοδοι ή οµοιοεπαφές... 51 3.6.1 Ετεροεπαφές...53 4. ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΠΤΙΚΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ...54 Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ iv
4.1 Οπτικοί συζεύκτες...54 4. Oπτικά φίλτρα...57 4..1 Αρχή λειτουργίας...58 4.. Πλήθος διακριτών καναλιών...59 4..3 Χρόνος προσπέλασης...59 4..4 Τύποι οπτικών φίλτρων...59 4..5 Χαρακτηριστικές παράµετροι οπτικών φίλτρων...6 5. ΕΝΕΡΓΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΠΤΙΚΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ...63 5.1 Χαρακτηριστικά Φωτοπηγών...63 5. Φωτοεκπέµπουσες δίοδοι - LED...64 5..1 Χαρακτηριστικά ρεύµατος οπτικής ισχύος...65 5.. Το φάσµα ακτινοβολίας µιας LED...66 5..3 Εύρος ζώνης των LED...67 5.3 οµές ίοδων LASER LD...68 5.3.1 Laser Fabry Pérot (LD FP)...68 5.3. Laser κατανεµηµένης ανατροφοδότησης (LD DFB)...69 5.3.3 Laser κατανεµηµένου ανακλαστήρα (LD DBR)...69 5.3.4 οµές Laser Ετεροεπαφής...70 5.3.5 Laser κβαντικών φρεάτων VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 71 5.3.6 Χαρακτηριστική P-I Laser...71 5.3.7 Η καµπύλη απολαβής των συµπαγών διόδων laser...7 5.3.8 Εξισώσεις ρυθµών και χαρακτηριστικά συνεχούς λειτουργίας (CW) του Laser 73 5.4 Ηλεκτρονικά κυκλώµατα οδήγησης φωτοπηγών...75 5.4.1 Ο ποµπός του οπτικού συστήµατος...75 5.5 φωτοφωρατές PD...76 5.5.1 Αρχή λειτουργίας φωτοφωρατών...76 5.5. Τύποι φωτοφωρατών...78 5.5.3 Ο θόρυβος στο φωτοφωρατή...80 5.5.4 Ηλεκτρονικά κυκλώµατα οδήγησης φωτοφωρατών...83 5.5.5 Ο δέκτης ενός οπτικού συστήµατος...84 5.5.6 Εικόνα θορύβου ενισχυτή. Εφαρµογή τον οπτικό δέκτη...85 5.6 Οπτικοί ενισχυτές...86 5.6.1 Ενισχυτές ηµιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifiers SOA)...87 5.6. Ενισχυτές Ίνας µε Πρόσµειξη Ερβίου (Εrbium Doped Fiber Amplifiers EDFA) 88 5.6.3 Ενισχυτές Raman...91 Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ v
5.6.4 Γενικά φαινόµενα στους οπτικούς ενισχυτές...93 5.7 Τοποθέτηση των οπτικών ενισχυτών... 94 6. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ ΟΠΤΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ...96 6.1 Σχήµατα διαµόρφωσης... 96 6.1.1 Ψηφιακό σχήµα διαµόρφωσης ΟΟΚ (Οn Off Keying)...96 6.1. ιαµόρφωση υποφέρουσας συχνότητας (Subcarrier modulation SCM)...97 6. Μέθοδοι διαµόρφωσης... 98 6..1 Άµεση διαµόρφωση...98 6.. Εξωτερική διαµόρφωση...100 6.3 Ηλεκτροοπτικοί διαµορφωτές Mach Zehnder (MZ)... 100 6.3.1 Συντελεστές ποιότητας των οπτικών διαµορφωτών...104 6.3. Τεχνολογία ηλεκτροοπτικών διαµορφωτών, επιδόσεις και περιορισµοί.105 6.4 ιαµορφωτές ηλεκτροαπορρόφησης (Electro Absorption EA)... 107 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...108 Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ vi
Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ vii
1. ΟΠΤΙΚΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ Τα βήµατα µε τα οποία έγινε η εξέλιξη των οπτικών επικοινωνιών. Οι λόγοι χρησιµοποίησης του «φωτός» για τη µετάδοση της πληροφορίας Τα βασικά µέρη ενός οπτικού συστήµατος επικοινωνιών Τα πλεονεκτήµατα ενός τέτοιου συστήµατος Η χρήση του φωτός για τη µεταφορά πληροφορίας δεν είναι ασφαλώς µια καινούργια ιδέα. Πολύ ενωρίς ο άνθρωπος χρησιµοποίησε οπτικές τεχνικές για να µεταδώσει πληροφορίες σε κοντινές ή µακρινές αποστάσεις. Από τα σήµατα καπνού και τις φρυκτωρίες και αργότερα τον οπτικό τηλέγραφο φτάνουµε στον ηλεκτρικό τηλέγραφο, το τηλέφωνο και τις ραδιοφωνικές ζεύξεις, στα µικροκύµατα, στα radar, την τηλεόραση, τα τηλέτυπα και τις δορυφορικές επικοινωνίες. Όµως, σχετικά γρήγορα φάνηκε ότι τα ραδιοηλεκτρικά κύµατα δεν θα επαρκούσαν για πολύ για την κάλυψη των αναγκών της ανθρωπότητας, αφού η ζήτηση για τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες ολοένα αυξανόταν. Το πρόβληµα του συνωστισµού των τηλεπικοινωνιακών καναλιών ήταν αδύνατο πλέον να ξεπεραστεί αξιοποιώντας το διαθέσιµο εύρος ζώνης από τα ραδιοηλεκτρικά κύµατα. Εδώ αρχίζουν οι προσπάθειες για την αξιοποίηση του τεράστιου εύρους ζώνης, που προσφέρει η οπτική περιοχή (υπέρυθρο, ορατό και υπεριώδες) του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Το ΗΛΜ Φάσµα Έχει ενδιαφέρον να εξετάσουµε τους πρακτικούς λόγους που οδηγούσαν τους τηλεπικοινωνιακούς µηχανικούς σε όλο και υψηλότερες συχνότητες. Το κύριο χαρακτηριστικό ενός τηλεπικοινωνιακού συστήµατος είναι η χωρητικότητα πληροφορίας του, που πρακτικά καθορίζει το ρυθµό πληροφορίας (bps) ή το πλήθος των «σηµάτων πληροφορίας» που µπορεί να µεταδώσει µε συγκεκριµένο λόγο σήµατος προς θόρυβο (S/N). Είναι γνωστό ότι η χωρητικότητα πληροφορίας µιας ζεύξης είναι ανάλογη µε το εύρος ζώνης της διαµορφωµένης φέρουσας συχνότητας, που διαθέτει η ζεύξη. Η διαµόρφωση είναι µια διαδικασία απαραίτητη για τη µεταφορά της πληροφορίας και έχει ως αποτέλεσµα τη διεύρυνση του φάσµατος της φέρουσας συχνότητας, σε έκταση τουλάχιστον διπλάσια από το εύρος συχνοτήτων που έχει το σήµα διαµόρφωσης. Έτσι για τη µετάδοση ενός τηλεοπτικού καναλιού που απασχολεί συνήθως ένα εύρος συχνοτήτων 5 MHz, µε φέρουσα συχνότητα f c = 150 MHz, πρέπει να αφιερώσουµε τη ζώνη του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος από 145 MHz έως 155 MHz. Αυτό το φασµατικό εύρος µεγαλώνει, όταν χρησιµοποιήσουµε τεχνικές ψηφιακής διαµόρφωσης (πρακτικά είναι πολλαπλάσιο του ρυθµού σηµατοδοσίας). Παρατηρώντας το ηλεκτρο- µαγνητικό φάσµα, βλέπουµε ότι όλες µαζί οι κλασσικές τηλεπικοινωνιακές ζώνες (µακρά, µεσαία, βραχέα, υπερβραχέα και µικροκύµατα) διαθέτουν µια έκταση συχνοτήτων B = 30 GHz που µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την ταυτόχρονη µετάδοση B n = σηµάτων πληροφορίας. f m Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 1
Σχήµα 1.1 Το χρησιµοποιούµενο φάσµα συχνοτήτων στις οπτικές επικοινωνίες Τα οπτικά συστήµατα λειτουργούν λίγο πιο κάτω από τη συχνότητα του ορατού φωτός γύρω στα 1.55 µm και 1.3 µm. Χρησιµοποιώντας σαν φέρουσα την αντίστοιχη συχνότητα των 193 ΤΗz και εκµεταλλευόµενοι το 5-10% του φάσµατος γύρω από αυτήν όπως και στις συµβατικές τηλεπικοινωνίες, το διαθέσιµο εύρος ζώνης προκύπτει ως B 30.000 GHz, αυξάνοντας τον αριθµό των τηλεπικοινωνιακών καναλιών που µπορούν να εξυπηρετηθούν ταυτόχρονα, κατά ένα παράγοντα τουλάχιστον 1000. Αυτό βέβαια είναι ένα θεωρητικό όριο και αφορά µόνο τη φέρουσα συχνότητα. Στην υλοποίηση βέβαια ενός οπτικού συστήµατος συµµετέχουν διάφορες διατάξεις που περιορίζουν σηµαντικά το εύρος ζώνης Β, το οποίο όµως παραµένει αρκετά µεγαλύτερο από το αντίστοιχο των συµβατικών τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων. Συνεπώς δεν είναι υπερβολή να πούµε ότι αν αξιοποιηθεί η οπτική ζώνη του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος, υπερκαλύπτονται οι ανάγκες της ανθρωπότητας για επικοινωνία και πληροφόρηση τουλάχιστον για το άµεσο µέλλον. Το έναυσµα για τη χρήση του οπτικού φάσµατος αποτελεί η ανακάλυψη του laser γύρω στα 1960. Το laser είναι µια µονοχρωµατική πηγή στην οπτική περιοχή, µε σταθερά κυµατικά χαρακτηριστικά, εξαιρετική πυκνότητα ακτινοβολίας, κατευθυντικότητα και µε δυνατότητα διαµόρφωσης στις υψηλές συχνότητες. εδοµένου ότι αρχικά η τεχνολογία δεν διέθετε τις κατάλληλες διατάξεις διαµόρφωσης και φώρασης του φωτός, η κινητοποίηση των ερευνητών και των µηχανικών ήταν πρωτοφανής. Ανακαλύπτονται νέα υλικά και εξελίσσονται για τηλεπικοινωνιακή χρήση φωτοδίοδοι, φωτοτρανζίστορ, φωτο-fet και άλλα είδη φωτοπηγών όπως οι φωτοεκπέµπουσες δίοδοι ή LED. Τα πρώτα οπτικά συστήµατα είναι ασύρµατα. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 παρουσιάζεται στα εργαστήρια της Αγγλικής Standard Telecommunications Labs ένα απλό οπτικό σύστηµα που χρησιµοποιεί σαν µέσο µεταφοράς του οπτικού φέροντος συνεχή ίνα από γυαλί. Οι πρώτες οπτικές ίνες χρησιµοποιούνταν ήδη στην ιατρική για την κατασκευή ενδοσκοπίων, αλλά δεν ήταν κατάλληλες για χρήση στις τηλεπικοινωνίες αφού εµφάνιζαν µεγάλη εξασθένιση της τάξης των 1000 db/km. Οι κατασκευαστές µε κατάλληλες τεχνικές (αποµακρύνοντας τις διάφορες προσµείξεις και Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ
κυρίως τα ιόντα υδροξυλίου) περιορίζουν την εξασθένιση στα 0.5 db/km (1980). Tο µέσο µεταφοράς των οπτικών συστηµάτων είχε πλέον βρεθεί. Παράλληλα η ανάπτυξη των νέων υλικών οδηγεί στην κατασκευή ηµιαγωγικών πηγών laser και φωτοφωρατών µε διαστάσεις συγκρίσιµες µε τα χρησιµοποιούµενα µήκη κύµατος 0.8 1.6 µm. Σήµερα η έρευνα στοχεύει στη µονολιθική ολοκλήρωση τους, άρα και στη µαζική παραγωγή τους κατά τα πρότυπα των ολοκληρωµένων ηλεκτρονικών κυκλωµάτων. 1.1 Το οπτικό σύστηµα επικοινωνίας Ένα τηλεπικοινωνιακό σύστηµα οπτικών ινών δεν διαφέρει στις βασικές αρχές από το αντίστοιχο συµβατικό. Σε γενικές γραµµές ένα απλό σύστηµα οπτικής επικοινωνίας παρουσιάζεται στο Σχήµα 1.. Η πληροφορία που πρόκειται να µεταδοθεί είναι κατ αρχήν σε ηλεκτρική µορφή και µετατρέπεται σε οπτικό σήµα. Αυτό απαιτεί µια οπτική πηγή και το κατάλληλο ηλεκτρονικό κύκλωµα οδήγησης (driver). Στη συνέχεια το οπτικό πλέον σήµα οδηγείται µέσω της οπτικής ίνας. Σε µερικά σηµεία της διαδροµής είναι δυνατόν να δροµολογηθεί σε άλλα κανάλια αν χρειάζεται, µε τη βοήθεια διατάξεων µεταγωγής. Στα πραγµατικά συστήµατα το οπτικό σήµα κατά τη διάδοσή του υφίσταται εξασθένιση δεδοµένου ότι χρησιµοποιούνται ίνες µεγάλου µήκους. Έτσι κατά µήκος µιας οπτικής ζεύξης τοποθετούνται ενισχυτές ή αναγεννητές ανάλογα µε το αν το οπτικό φέρον έχει διαµορφωθεί αναλογικά ή ψηφιακά. Όταν το οπτικό σήµα φτάσει στον οπτικό δέκτη µετατρέπεται και πάλι σε ηλεκτρικό µε τη βοήθεια ειδικής διάταξης, του φωτοφωρατή. Ηλεκτρικό σήµα πληροφορίας Κωδικοποιητής ιαµορφωτής Οδηγός βαθµίδα ιαµορφωµένο φως Μετατροπέας ηλεκτρικού σε οπτικό σήµα Οπτική πηγή Laser -LED Κυκλώµατα Μεταγωγής Οπτική ίνα Μετατροπέας οπτικού σε ηλεκτρικό σήµα Επαναλήπτες Ενισχυτές Ηλεκτρικό σήµα πληροφορίας Αποκωδικοποιητής Αποδιαµορφωτής Ενισχυτής Φίλτρα Φωτοφωρατής ίοδος APD - PIN Ηλεκτρικό σήµα Σχήµα 1. Το βασικό οπτικό σύστηµα τηλεπικοινωνιών Τα ηλεκτρικά σήµατα πληροφορίας (αν έχει προηγηθεί πολυπλεξία) στη συνέχεια ενισχύονται, διαχωρίζονται και ανακτούν την αρχική τους µορφή. Στα αναλογικά οπτικά συστήµατα η µεταβολή της έντασης του φωτός που εκπέµπεται από τη φωτεινή πηγή γίνεται µε συνεχή τρόπο ενώ στα ψηφιακά λαµβάνονται διακεκριµένες µεταβολές της Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 3
π.χ. παλµοί on-off. Η αναλογική διαµόρφωση σε ένα οπτικό σύστηµα είναι λιγότερο αποτελεσµατική από την ψηφιακή. Αυτό οφείλεται στο ότι στην αναλογική διαµόρφωση απαιτούνται υψηλότερες τιµές σήµατος προς θόρυβο (S/N) στο δέκτη και µεγάλη γραµµικότητα, που δεν παρέχουν οι διαθέσιµες στο εµπόριο ηµιαγωγικές οπτικές πηγές. Συνεπώς τα αναλογικά οπτικά συστήµατα περιορίζονται σε ζεύξεις µικρών αποστάσεων και συγκεκριµένες εφαρµογές όπως η διανοµή τηλεοπτικού σήµατος (καλωδιακή TV). Η επεξεργασία της πληροφορίας (διαµόρφωση, πολυπλεξία) και η µεταγωγή των οπτικών σηµάτων κατά µήκος της οπτικής ίνας, σε µεγάλο ποσοστό των εν χρήσει συστηµάτων, γίνονται σε ηλεκτρική µορφή. Παλιότερα το ίδιο συνέβαινε και µε την ενίσχυση του οπτικού σήµατος. ηλαδή το οπτικό σήµα µετατρεπόταν σε ηλεκτρικό, ενισχυόταν και µετατρεπόταν ξανά σε οπτικό για να συνεχιστεί η µετάδοσή του δια µέσου της οπτικής ίνας. Σήµερα έχουν εγκατασταθεί συστήµατα, όπου όλες οι παραπάνω διαδικασίες γίνονται σε οπτική µορφή µε τη χρήση καταλλήλων οπτικοηλεκτρονικών διατάξεων (οπτικοί ενισχυτές, οπτικά φίλτρα), µε αποτέλεσµα την αύξηση του εύρους ζώνης της οπτικής ζεύξης. Ένα οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστηµα περιλαµβάνει: Οπτική ίνα. Είναι η βάση του συστήµατος και σε αυτήν οφείλονται τα πλεονεκτήµατα του. Ενεργά οπτικοηλεκτρονικά στοιχεία. Περιλαµβάνουν τις φωτεινές πηγές, και τους φωτοφωρατές, που πραγµατοποιούν τις βασικές λειτουργίες της δηµιουργίας και ανίχνευσης του οπτικού σήµατος καθώς και τους οπτικούς ενισχυτές που το ενισχύουν κατά τη διάρκεια της διαδροµής του στην οπτική ίνα. Παθητικά οπτικοηλεκτρονικά στοιχεία. Περιλαµβάνουν τα οπτικά φίλτρα, τους οπτικούς µεταγωγείς, τους οπτικούς διαµορφωτές και συζεύκτες που χρησιµεύουν στην επεξεργασία του οπτικού σήµατος. Στα παραπάνω θα πρέπει να προσθέσουµε και τις ηλεκτρονικές διατάξεις οδήγησης των ενεργών στοιχείων καθώς και τις ηλεκτρονικές βαθµίδες επεξεργασίας του σήµατος σε ηλεκτρική µορφή. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 4
. ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΟΠΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Η κυµατοδήγηση της ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας στις οπτικές συχνότητες µε τη βοήθεια λεπτών στρωµάτων διηλεκτρικών υλικών, επιτεύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Αυτή ήταν και η απαρχή για την πραγµατοποίηση παθητικών κυρίως οπτικών δοµικών στοιχείων σε ένα µόνο υπόστρωµα µε τεχνικές ανάλογες της µικροηλεκτρονικής, που γρήγορα επεκτάθηκαν σε ηµιαγωγικά υλικά για την πραγµατοποίηση ενεργών στοιχείων. Τα οπτικά αυτά δοµικά στοιχεία ενεργά η µη, που χαρακτηρίζονται από την επιπεδική (planar) τεχνολογία και φιλοδοξούν να επαναλάβουν τις επιτυχίες των ηλεκτρονικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων πυριτίου, αποτελούν µια νέα κατηγορία οπτικών λειτουργικών στοιχείων, γνωστή ως οπτικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα (OIC - Optical Integrated Circuits). Λόγω των µικρών απαιτήσεών σε οπτική ισχύ και των µικρών διαστάσεων τους σε σχέση µε τα διακριτά οπτικά στοιχεία όγκου (bulk elements), γρήγορα άρχισαν να τα αντικαθιστούν στα οπτικά συστήµατα. Επιπλέον παρουσιάζουν µεγάλο εύρος ζώνης και αναισθησία στις ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές αφού ο φορέας του σήµατος είναι πλέον φως και όχι ηλεκτρικό ρεύµα. Άλλα ελκυστικά χαρακτηριστικά των ολοκληρω- µένων οπτικών κυκλωµάτων είναι η µεγαλύτερη αξιοπιστία, µηχανική αντοχή, εύκολη ευθυγράµµιση και ένταξή τους σε ένα οπτικό σύστηµα και φυσικά η δυνατότητα της µαζικής παραγωγής µε αποτέλεσµα την προοπτική σοβαρής µείωσης του κόστους. Έτσι αναπτύχθηκε µια νέα τεχνολογία η οποία βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη, αυτή της ολοκληρωµένης οπτικής (integrated optics). Στόχος της ολοκληρωµένης οπτικής είναι η ανάπτυξη ολοκληρωµένων οπτικών διατάξεων σε ένα µόνο υπόστρωµα για τον έλεγχο και την επεξεργασία σηµάτων σε οπτική µορφή. Αυτό όµως δεν είναι πάντα εφικτό, αφού πολλές εφαρµογές απαιτούν τη χρήση και µη οπτικών στοιχείων ή και περισσότερων του ενός υλικών. Αυτό είναι αποτέλεσµα διαφόρων συµβιβασµών, που οφείλονται είτε στις φτωχές οπτικές ιδιότητες ορισµένων υποστρωµάτων είτε στα πλεονεκτήµατα που παρουσιάζουν κάποιες ηλεκτρονικές διατάξεις στα οπτικά συστήµατα. Πράγµατι τα OIC ανάλογα µε τη λειτουργία τους, απαιτούν συνδυασµούς των παρακάτω στοιχείων: Πηγών για τη δηµιουργία οπτικής ισχύος, διαµορφωτών για την εισαγωγή του µηνύµατος, µεταγωγέων για τη δροµολόγηση αυτής της ισχύος, οπτικών κυµατοδηγών για τη σύνδεση των διαφόρων δοµικών στοιχείων του και φωτοφωρατών για τη λήψη των οπτικών σηµάτων. Οι πηγές, οι φωτοφωρατές και οι κυµατοδηγοί µπορεί να είναι αµιγώς οπτικά στοιχεία, ενώ η διαµόρφωση και ο έλεγχος του οπτικού σήµατος γενικότερα, επιτυγχάνονται πιο εύκολα µε χρήση κατάλληλων υλικών που Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 5
χρησιµοποιούν φαινόµενα όπως το φωτοηλεκτρικό, το ηλεκτροοπτικό, το ακουστοοπτικό κ.α. Σαν αποτέλεσµα αναπτύχθηκαν τελικά δύο τεχνικές ολοκλήρωσης: Η υβριδική, όπου στην κατασκευή ενός OIC χρησιµοποιούνται διαφορετικά υλικά για την πραγµατοποίηση των απαιτούµενων λειτουργιών, όπως σύνθετοι ηµιαγωγοί ηλεκτροοπτικά διηλεκτρικά και καθαρό γυαλί. Αυτή η µέθοδος είναι αρκετά λειτουργική και παρέχει τη δυνατότητα στα οπτικά συστήµατα να καταλαµβάνουν επιφάνεια (footprints) ακόµα µικρότερη σε σχέση µε τα αντίστοιχα που βασίζονται σε διακριτά στοιχεία. Η υβριδική ολοκλήρωση παρέχει υψηλή απόδοση των ολοκληρωµένων φωτονικών κυκλωµάτων αφού τα οπτικά και τα ηλεκτρονικά στοιχεία µπορούν να κατασκευαστούν από διαφορετικά υλικά και εποµένως να βελτιστοποιηθούν σχεδιαστικά και κατασκευαστικά. Η µονολιθική, όπου χρησιµοποιείται αποκλειστικά ένα υλικό σαν υπόστρωµα για την ολοκλήρωση των δοµικών οπτικών στοιχείων (πηγή, κυµατοδηγός, φωτοφωρατής), που είναι ένας σύνθετος ηµιαγωγός. Το µεγάλο πλεονέκτηµα της µονολιθικής ολοκλήρωσης είναι η µείωση του κόστους µιας και το κόστος που σχετίζεται µε τη συσκευασία (packaging) των µεµονωµένων φωτονικών εξαρτηµάτων µειώνεται κατά πολύ. Επίσης, ένας µεγάλος αριθµός φωτονικών και ηλεκτρονικών στοιχείων µπορούν να κατασκευαστούν στο ίδιο υπόστρωµα, µε ταυτόχρονη εκµετάλλευση της δυνατότητας παραγωγής µεγάλου αριθµού οπτικοηλεκτρονικών κυκλωµάτων. Συνεπώς, στην υβριδική τεχνολογία, η κατασκευή των δοµικών στοιχείων που αποτελούν το OIC γίνεται ξεχωριστά. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την επίτευξη εξαιρετικών χαρακτηριστικών, µε αρκετά ωστόσο προβλήµατα διασύνδεσης. Τα µονολιθικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα θεωρούνται από τεχνική άποψη ως ιδανική λύση, η κατασκευή τους όµως είναι µέχρι σήµερα ιδιαίτερα δαπανηρή. Το µεγάλο πλεονέκτηµα των µονολιθικών είναι ότι χρησιµοποιούν ως υπόστρωµα σύνθετα ηµιαγωγικά υλικά µε τα οποία µπορούν να κατασκευαστούν οπτικά αλλά και ηλεκτρονικά στοιχεία (φωτοφωρατές, τρανζίστορ FET). Τα στοιχεία αυτά συνδυαζόµενα σε ένα µόνο ολοκληρωµένο κύκλωµα µπορούν να επιτύχουν τη βέλτιστη λειτουργία. Βέβαια η τεχνολογία αυτή ξεπερνάει τα όρια της ολοκληρωµένης οπτικής και αναφέρεται σαν ολοκληρωµένη οπτικοηλεκτρονική (integrated optoelectrοnics). Γενικά στην τεχνολογία των µονολιθικών οπτικών ολοκληρωµένων διατάξεων διακρίνοµε δύο τάσεις. Στη µια γίνεται προσπάθεια για µονολιθική ολοκλήρωση των οπτικοηλεκτρονικών στοιχείων των τερµατικών οπτικών διατάξεων εκποµπής ή λήψης µε τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά κυκλώµατα ελέγχου ή ενίσχυσης. Οι λαµβανόµενες διατάξεις είναι γνωστές σαν οπτικοηλεκτρονικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα (ΟptoElectronic Integrated Circuits - OEIC). Η άλλη τάση εκφράζεται µε την προσπάθεια για µονολιθική ολοκλήρωση οπτικοηλεκτρονικών στοιχείων µε διατάξεις κυµατοδήγησης της οπτικής Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 6
ισχύος (κυµατοδηγοί - συζεύκτες - µεταγωγείς). Οι λαµβανόµενες διατάξεις είναι γνωστές σαν φωτονικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα (Photonic Integrated Circuits - PIC). Στόχος και στις δύο περιπτώσεις είναι η αύξηση της µηχανικής αντοχής των λαµβανοµένων διατάξεων και η µείωση του κόστους κατασκευής των. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ότι οι τεχνικές που χρησιµοποιούνται στην ολοκληρωµένη οπτική εισχωρούν και σε άλλες περιοχές. Αυτό φαίνεται από το πλήθος των νέων όρων που χρησιµοποιούνται όπως οπτρονική (optronics), φωτονική (photonics), ηλεκτροοπτική (electro - optics), φωτοηλεκτρονική (photo - electronics), κ.α. Είναι φανερό ότι οι περιοχές αυτές αλληλοεπικαλύπτονται, εκφράζουν όµως τις διαφορετικές όψεις µιας αναπτυσσόµενης προσπάθειας για τη χρησιµοποίηση των οπτικών συχνοτήτων σε ένα ευρύ πεδίο εφαρµογών. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 7
.1 Υλικά και τεχνικές κατασκευής οπτικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων Η επιλογή του υλικού αλλά και της τεχνικής που θα εφαρµοστεί στην κατασκευή ενός υβριδικού ή µονολιθικού OIC, εξαρτάται από τη λειτουργία, το χρησιµοποιούµενο µήκος κύµατος και τις απαιτούµενες επιδόσεις της διάταξης. Τα πιο συνηθισµένα υλικά στο χώρο της ολοκληρωµένης οπτικής είναι τα ηλεκτροοπτικά υλικά, µε κύριο αντιπρόσωπο το Νιοβικό Λίθιο (LiNbO 3 ), τα πολυµερή, το γυαλί για τα παθητικά στοιχεία και οι σύνθετοι ηµιαγωγοί των οµάδων ΙΙΙ - V και II - VI του περιοδικού συστήµατος, που είναι και τα µόνα κατάλληλα υλικά για µονολιθική οπτική ολοκλήρωση. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται µερικές φυσικές και τεχνολογικές παράµετροι καθώς και επιδόσεις αυτών των υλικών. Πίνακας.1 Υλικά της ολοκληρωµένης οπτικής. Ποµπός/δέκτη ς παθητικ ά στοιχεία µήκος κύµατος (µm) απώλειες σύνδεσης µε οπτική ίνα (db) απώλειες κυµατοδηγού (db/cm) Θερµική ευαισθησία του δ.δ.dn/dt (10-4 o K) Πολωτική ευαισθησί α[n TE- n TM ] (10-4 ) ιάµετρος υποστρωµατικού δισκίου (wafer) (cm) InGaAsp/InP 1.3/1. GaAlAs/GaAs 1.3/1. 5 5 > 0.1-10 5-8 > 4-10 8 Άµορφο SiO (Γυαλί) 1.3/1. 5 0.4 <0.1 <0.1 0.1-0.5 >10 LiNbO 3 1.3/1. 5 <1 <0.3 <0.1 400 8 πολυµερή < 1.1 <0.5 0.1-0.5 1-3 -50 >0 Στη συνέχεια δίνονται περισσότερα στοιχεία για τα παραπάνω υλικά, µε ιδιαίτερη έµφαση το Νιοβικό Λίθιο και τα υλικά της οµάδας ΙΙΙ V που θα εκτεθούν σε ξεχωριστές υποπαραγράφους. Γυαλί : Συνήθως χρησιµοποιείται για την κατασκευή κυµατοδηγών. Χρησιµοποιούνται δύο διαφορετικές τεχνολογίες, της ανταλλαγής ιόντων µε διάχυση (ion exchange) [Ramaswamy 1988] και της εναπόθεσης SiO /Si (Silica to silicon deposition) [Kawachi 1990]. Οι κυµατοδηγοί που προκύπτουν παρουσιάζουν εξαιρετικά µικρές απώλειες και η σύζευξη τους µε οπτική ίνα επιτυγχάνεται µε τη µέθοδο της εκλέπτυνσης (butt - coupling). Πολυµερή : Περιλαµβάνουν µια ευρύτατη κατηγορία υλικών. Χρησιµοποιούνται αποκλειστικά για την κατασκευή παθητικών οπτικών στοιχείων. Περισσότερο Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 8
προτιµούνται σήµερα οι πολυκαρβονικές ενώσεις (χρησιµοποιούνται και για την κατασκευή οπτικών δίσκων CD) και το πολυµεθυλοµεθακρυλικό PMMA. Άλλα πολυµερή που εµφανίζουν υψηλούς συντελεστές ηλεκτροοπτικότητας και µη γραµµικότητας είναι ιδιαίτερα ασταθή [Nishihara 1989]. Υλικά της οµάδας ΙΙ - VI : Οι σύνθετοι ηµιαγωγοί που προκύπτουν από τα υλικά των οµάδων ΙΙ (δηλαδή Zn, Cd, Hg) και VI (δηλαδή S, Se, Te) χρησιµοποιούνται κυρίως στα µήκη κύµατος που είναι µικρότερα από 0.5 µm και µεγαλύτερα από 5.0 µm. Για παράδειγµα υλικά όπως το HgTe και CdTe παρουσιάζουν πολύ καλή προσαρµογή κρυσταλλικού πλέγµατος µε αποτέλεσµα τριαδικοί ηµιαγωγοί όπως το Hg x Sn 1-x Te να χρησιµοποιούνται για την κατασκευή φωτοφωρατών στο µέσον του υπέρυθρου. Στο ίδιο χρωµατικό παράθυρο χρησιµοποιούνται σύνθετοι ηµιαγωγοί όπως Pb x Sn 1-x Te και Pb x Sn 1-x Se, σε εφαρµογές νυχτερινής όρασης, θερµικής απεικόνισης καθώς και στις οπτικές επικοινωνίες ελεύθερου χώρου σε µεγάλα µήκη κύµατος..1.1 Κρυσταλλικά ηλεκτροοπτικά υλικά - LiNbO 3 Στην κατηγορία αυτή των υλικών ανήκουν οι ηλεκτροοπτικοί κρύσταλλοι KDP (KH PO 4 ) και ADP (NH 4 H PO 4 ) που χρησιµοποιήθηκαν ευρέως στα πρώτα βήµατα της ολοκληρωµένης οπτικής. Είναι ανισότροποι και παρουσιάζουν τεταρτοταγή και δευτεροταγή άξονα συµµετρίας, δηλαδή στροφές του κρυστάλλου γύρω από αυτόν τον άξονα κατά π/4 και π/ δεν µεταβάλουν τις ιδιότητές τους. Κατασκευάζονται εύκολα από κατάλληλα υδατικά διαλύµατα και δίνουν κρυστάλλους µε πλάτη έως 5 cm. ιαλύονται στο νερό και είναι ιδιαίτερα εύθραυστοι, πράγµα που δυσκολεύει την επεξεργασία τους [Kaminow 1966]. Σήµερα τα πλέον χρησιµοποιούµενα ηλεκτροοπτικά υλικά είναι οι κρύσταλλοι του τύπου ΑΒΟ 3 της οµάδας των περοβσκιτών, µε κύριο εκπρόσωπο το Νιοβικό Λίθιο - LiNbO 3. Το κρυσταλλικό αυτό υλικό έχει γίνει αντικείµενο εκτεταµένης έρευνας λόγω της µεγάλης οπτικής µη γραµµικότητάς του και της δυνατότητας χρήσης του σε συσκευές όπως παραµετρικοί ταλαντωτές, ηλεκτροοπτικοί διαµορφωτές - µεταγωγείς κ.α. Παρουσιάζει µεγάλους συντελεστές ηλεκτροοπτικότητας, και χρησιµοποιείται στα µήκη κύµατος από 0.5 µm έως 1.5 µm µε αξιοσηµείωτο χαρακτηριστικό τις ιδιαίτερα µικρές απώλειες των κατασκευαζόµενων κυµατοδηγών (< 0.3 db/cm). Το LiNbΟ 3 είναι σιδηροηλεκτρικό σε θερµοκρασία δωµατίου και σε αυτή τη φάση διατηρείται µέχρι τη θερµοκρασία Curie T c = 100 o C. Είναι ροµβοεδρικό, µε κρυσταλλική συµµετρία 3m (δηλαδή παρουσιάζει τριτοταγή άξονα συµµετρίας) µε αποτέλεσµα να µην εµφανίζει συµµετρία αντιστροφής. Η επεξεργασία του είναι πολύ εύκολη και δίνει υποστρωµατικά δισκία (wafers) µεγάλων διαστάσεων, µέχρι 7 cm. Το LiNbO 3 παρουσιάζει ενδογενή διπλοθλαστικότητα λόγω ανισοτροπίας και είναι αρνητικός 1, µονοαξονικός κρύσταλλος. Έτσι οι διατάξεις που βασίζονται σε LiNbO 3 παρουσιάζουν 1 δηλαδή ο έκτακτος δείκτης διάθλασης n e είναι µικρότερος από τον τακτικό n o. δηλαδή n X = n Y = n o n Z = n e όπου X,Y, Z οι κύριοι κρυσταλλογραφικοί του άξονες. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 9
µεγάλη εξάρτηση από την πόλωση, που αντιµετωπίζεται µε κατάλληλη διευθέτηση των κρυσταλλογραφικών αξόνων του κρυστάλλου [Thylen 1988]. Στην πράξη, τα όρια χρήσης του υλικού προκύπτουν από την περιορισµένη δυνατότητα διαχείρισης µεγάλης οπτικής ισχύος. Αυτό οφείλεται στο γνωστό ως φαινόµενο της φωτοδιαθλαστικής καταστροφής (photorefractive effect - damage) 3, το οποίο υποβαθµίζει τις επιδόσεις των διατάξεών του λόγω αυξηµένης διασποράς [Hall 1990]. Το φαινόµενο µειώνεται µε την αύξηση του χρησιµοποιούµενου µήκους κύµατος και εξαλείφεται σχεδόν για µήκη κύµατος µεγαλύτερα από 1.3 µm [Harvey 1986]. Άλλοι περιορισµοί τίθενται από το γεγονός ότι ένα υλικό µε µη µηδενικούς συντελεστές ηλεκτροοπτικότητας είναι και πιεζοηλεκτρικό. εδοµένου ότι το LiNbΟ 3 χρησιµοποιείται κυρίως στην κατασκευή οπτικών διαµορφωτών, αυτό σηµαίνει ότι το διαµορφούν ηλεκτρικό πεδίο δηµιουργεί ταλαντώσεις στο κρυσταλλικό πλέγµα και µέσω του φωτοελαστικού φαινοµένου (elasto-optic effect) µεταβάλει τους δείκτες διάθλασης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα επιπλέον ανεπιθύµητη διαµόρφωση πλάτους ή µετατοπίσεις της διαµορφούµενης οπτικής δέσµης στο ρυθµό της συχνότητας διαµόρφωσης. Το φαινόµενο είναι έντονο στις συχνότητες µηχανικού συντονισµού του πλέγµατος του LiNbΟ 3 (1-10 MHz), η χρήση των οποίων αποφεύγεται. Προβλήµατα δηµιουργεί επίσης, η εξάρτηση της διπλοθλαστικότητας του υλικού από τη θερµοκρασία. Η εξάρτηση αυτή οφείλεται στο πυροηλεκτρικό φαινόµενο (pyroelectric effect) και απαιτεί θερµική σταθεροποίηση των χρησιµοποιούµενων διατάξεων [Bulmer 1986]. Άλλο πρόβληµα είναι η ανάγκη συνεχούς µεταβολής της τάσης πόλωσης (DC drift) 4, που είναι απαραίτητη για τη γραµµική λειτουργία των διατάξεων διαµόρφωσης και µεταγωγής σε LiNbΟ 3 [Yamada 1980]. Παρά τα πιο πάνω προβλήµατα, η τεχνολογία του LiNbΟ 3 θεωρείται σήµερα ότι έχει ωριµάσει πλήρως. Οι διατάξεις που βασίζονται σε αυτό το υλικό έχουν βελτιωθεί σε υψηλό βαθµό και θεωρούνται ως οι µοναδικές εµπορικά διαθέσιµες διατάξεις της ολοκληρωµένης οπτικής, µε πολλές εφαρµογές στις τηλεπικοινωνίες. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 έχουν σηµειωθεί (σε πειραµατική βάση) σηµαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία του LiNbΟ 3, µε αποτέλεσµα την αύξηση των δυνατοτήτων του. Συγκεκριµένα, σε κρυστάλλους LiNbO 3 µε προσµείξεις στοιχείων της οµάδας των σπανίων γαιών (Nd, Er), είναι δυνατή η ανάπτυξη φωτοπηγών laser, δηλαδή το υλικό καθίσται οπτικώς ενεργό! Ήδη έχουν αναφερθεί Nd:MgO:LiNbΟ 3 laser κυµατοδηγού [Lallier et al 1991] και ολοκληρωµένες διατάξεις που περιλαµβάνουν FM 3 Οταν το φώς κυµατοδηγείται στο κρύσταλλο του LiNbΟ 3, διεγείρει ηλεκτρόνια από τις στάθµες προσµείξεων στη ζώνη αγωγιµότητας. Έτσι τµήµατα του κρυστάλλου εµφανίζονται θετικά ή αρνητικά ηλεκτρισµένα και τα χωρικά ηλεκτρικά πεδία που δηµιουργούνται µεταξύ αυτών των περιοχών προκαλούν αλλαγές στο δείκτη διάθλασης του κρυστάλλου µέσω του ηλεκτροοπτικού φαινοµένου. 4 Όταν σε µια διάταξη LiNbΟ 3 εφαρµοστεί DC τάση, η ένταση της οπτικής ισχύος στην έξοδο ενός κυµατοδηγού της, αυξάνεται ή µειώνεται µε το χρόνο λειτουργίας. Οφείλεται στο ότι τα οπτικώς διεγειρόµενα ηλεκτρόνια των σταθµών των προσµείξεων του κρυστάλλου οδηγούνται στο θετικό ηλεκτρόδιο της διάταξης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα τη µείωση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου µέσα στον κρύσταλλο. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 10
laser κλειδωµένου τρόπου (mode locked) και Q-switched [Lallier et al 199]. Oι µεταπτώσεις όµως των ιόντων Nd 3+, αντιστοιχούν σε µήκος κύµατος λειτουργίας 1.086 µm, που δεν είναι συµβατό µε τα των παράθυρα των οπτικών ινών, που χρησιµοποιούνται στα οπτικά συστήµατα επικοινωνίας. Αντίθετα η χρήση προσµείξεων µε ιόντα Er 3+ υπόσχεται πολύ περισσότερα αφού λόγω των µεταπτώσεων στο 1.53 µm, δίνει καταλληλότερες ενεργές διατάξεις στο γνωστό τρίτο παράθυρο των οπτικών επικοινωνιών. Έχουν ήδη επιδειχθεί πειραµατικά, laser κυµατοδηγού Er:LiNbΟ 3 συνεχούς λειτουργίας CW [Brinkmann et al 1991, Helmfrid et al 1991, Zhang et al 1996] και laser κλειδωµένου τρόπου [Suche et al 1993]. Εποµένως, το LiNbΟ 3 θέτει πλέον σοβαρή υποψηφιότητα σαν δοµικό υλικό για µονολιθική ολοκλήρωση. Ο συνδυασµός των εξαίρετων χαρακτηριστικών laser των ιόντων των σπανίων γαιών µε τις ηλεκτροοπτικές, ακουστοοπτικές και µη γραµµικές οπτικές ιδιότητες του LiNbΟ 3, υπόσχεται την πραγµατοποίηση ακόµη πιο αποτελεσµατικών µονολιθικών διατάξεων..1. Ηµιαγωγικά υλικά - Οµάδα ΙΙΙ-V Οι σύνθετοι ηµιαγωγοί III-V προκύπτουν από συνδυασµούς των στοιχείων της οµάδας ΙΙΙ (δηλαδή Al, Ga, In) µε τα στοιχεία της οµάδας V (δηλαδή P, As, Sb). Οι ενέργειες χάσµατος Ε g και οι πλεγµατικές σταθερές αυτών των υλικών φαίνονται στο Σχήµα 1.. Τα υλικά αυτά και κυρίως το GaAs, χρησιµοποιούνται για την κατασκευή φωτοφωρατών και φωτοπηγών (LED, Laser). Σύνθετοι τριαδικοί ηµιαγωγοί που προκύπτουν από δύο στοιχεία της οµάδας ΙΙΙ και ένα της οµάδας V παρουσιάζουν ιδιότητες, που εξαρτώνται από την ποσοστιαία σύσταση των προσµίξεων. Παράδειγµα ο σύνθετος ηµιαγωγός Al x Ga 1-x As του οποίου η ενέργεια χάσµατος µεταβάλλεται από 1.4 ev (GaAs) µέχρι.16 ev (AlAs) όσον το ποσοστό πρόσµιξης x του Al µεταβάλλεται από 0 σε 1. Από το σχήµα φαίνεται ότι το υλικό αυτό είναι πλεγµατικά πολύ καλά προσαρµοσµένο (δηλαδή έχει την ίδια περίπου σταθερά πλέγµατος) µε το GaAs. Αυτό σηµαίνει ότι ένα στρώµα συγκεκριµένης σύνθεσης αυτού του υλικού µπορεί να αναπτυχθεί πάνω σε ένα άλλο στρώµα διαφορετικής σύνθεσης χωρίς τη δηµιουργία πλεγµατικών παραµορφωτικών τάσεων στα υλικά. Ο συνδυασµός Al x Ga 1-x As/GaAs χρησιµοποιείται για µονολιθική ολοκλήρωση στο παράθυρο µηκών κύµατος των 0.8 µm. Σύνθετοι ηµιαγωγοί προκύπτουν ακόµη συνδυάζοντας δύο στοιχεία της οµάδας ΙΙΙ και δύο της οµάδας V. Οι τετραδικοί αυτοί ηµιαγωγοί παρουσιάζουν µεγαλύτερη ευελιξία όσον αφορά τη σύνθεση υλικών µε επιθυµητές ιδιότητες σε σχέση µε τα τριαδικά, λόγω του επιπλέον βαθµού ελευθερίας. O πλέον χρησιµοποιούµενος τετραδικός ηµιαγωγός είναι το In 1-x Ga x As 1-y P y που όπως αποδεικνύεται όταν τα ποσοστά προσµείξεων x και y ικανοποιούν τη σχέση y =.197x, είναι πλεγµατικά προσαρµοσµένος µε το InP. Στο Σχήµα 1. η σκιασµένη επιφάνεια ορίζει την περιοχή ενεργειακών χασµάτων (ή αντίστοιχα µηκών κύµατος λ g ) και τις πλεγµατικές σταθερές αυτού του υλικού. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 11
Ο συνδυασµός In 1-x Ga x As 1-y P y /InP χρησιµοποιείται για µονολιθική ολοκλήρωση στο παράθυρο µηκών κύµατος 1.3/1.5 µm όπου οι οπτικές ίνες τηγµένης silica παρουσιάζουν εξαιρετικά χαµηλές απώλειες. Οι κυµατοδηγοί που φτιάχνονται µε αυτά τα υλικά παρουσιάζουν υψηλούς δείκτες διάθλασης µε αποτέλεσµα να έχουν µικρές διαστάσεις. Σχήµα.1 Σταθερές πλέγµατος, ενέργεια χάσµατος και αντίστοιχα µήκη κύµατος για το Si, Ge και για εννέα σύνθετους δυαδικούς ηµιαγωγούς της οµάδας III-V. Οι τριαδικοί σύνθετοι ηµιαγωγοί σχηµατίζονται µε κίνηση κατά µήκος της γραµµής που συνδέει τα δύο σηµεία που αναπαριστούν τις δυαδικές συνθέσεις. Ένας σύνθετος τετραδικός ηµιαγωγός παριστάνεται από ένα σηµείο που ανήκει στην επιφάνεια που ορίζεται από τα τέσσερα δυαδικά συστατικά του. Η γραµµοσκιασµένη επιφάνεια παριστάνει τις συνθέσεις του In 1-x Ga x As 1-y P y. Για τον προσδιορισµό του δείκτη διάθλασης του τετραδικού ηµιαγωγού ως συνάρτηση των προσµείξεων και της ενέργειας χάσµατος έχουν αναπτυχθεί πολλά µοντέλα παρεµβολής..1..1 Υπολογισµός παραµέτρων των τετραδικών υλικών Για την κατασκευή κυµατοδηγών σε ηµιαγωγικά υλικά, είναι απαραίτητος ο καθορισµός του δείκτη διάθλασης των χρησιµοποιούµενων υλικών. Αυτό γίνεται είτε µε τον έλεγχο των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων (συγκέντρωση ελεύθερων φορέων), είτε µε τον έλεγχο των προσµείξεων. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιµοποιούνται επιταξιακές τεχνικές και ο δείκτης διάθλασης καθορίζεται µε πολύ µεγάλη ακρίβεια, ενώ είναι δυνατή η προσαρµογή του πλέγµατος τετραδικών ή τριαδικών υλικών µε δυαδικά που παίζουν το ρόλο του υποστρώµατος. Έτσι προκύπτουν κυµατοδηγοί µε πολύ µικρές απώλειες. Γενικά οι ιδιότητες του τετραδικού υλικού (In 1-x Ga x As y P 1-y ) προσεγγίζονται χρησιµοποιώντας τον κανόνα του Vegard, σύµφωνα µε τον οποίο οι ιδιότητες αυτές καθορίζονται από το ποσοστό των δυαδικών συστατικών του. Παράµετροι όπως η σταθερά πλέγµατος, η ενέργεια χάσµατος και οι µάζες ηλεκτρονίων και οπών µπορούν Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 1
να εκτιµηθούν από τα δυαδικά συστατικά GaAs, GaP, InAs, και InP σύµφωνα µε τη σχέση [Nahory 1978]: Β(In 1-x Ga x As y P 1-y ) = xyb(gaas)+x(1-y)b(gap)+y(1-x)b(inas)+(1-x)(1-y)b(inp) (.0) όπου η µεταβλητή Β αναπαριστά τη σταθερά πλέγµατος a, την ενέργεια χάσµατος Ε g ή τη µάζα m e, m lh, και m hh. Βασικές ιδιότητες του υλικού In 1-x Ga x As y P 1-y συνοψίζονται στον πίνακα που ακoλουθεί. Πίνακας Α1 Ιδιότητες των υλικών InP και In 1-x Ga x As y P 1-y σε θερµοκρασία δωµατίου. [Fiedler 1987) Σταθερά πλέγµατος (Α) 5.8688 InP In 1-x Ga x As y P 1-y Συνθήκη προσαρµογής πλέγµατος στο InP y =.0x/(1+0.0659y) Eνέργεια χάσµατος Ε g (ev) 1.35 1.35-0.7y+0.1y Συνήθως το τετραδικό υλικό In 1-x Ga x As y P 1-y περιγράφεται από το αντίστοιχο µήκος κύµατος λ g του ενεργειακού χάσµατος σε θερµοκρασία δωµατίου και όχι από την περιεκτικότητά του σε Ga ή As. Έτσι για παράδειγµα, το υλικό In 0.7 Ga 0.8 As 0.61 P 0.39, το οποίο έχει λ g = 1.3 µm σε θερµοκρασία δωµατίου, δηλώνεται σαν Q(1.3). Αλλάζοντας την ποσοστιαία σύσταση του υλικού, αλλάζει η ενέργεια χάσµατος, και φυσικά ο δείκτης διάθλασης..1.3 Τεχνικές κατασκευής οπτικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων Ο σχηµατισµός κυµατοδηγών ή άλλων στoιχείων ενός ΟΙC απαιτεί εξαιρετικά µεγάλη ακρίβεια, έτσι ώστε να περιορίζονται οι απώλειες οπτικής ισχύος λόγω ανωµαλιών στην επιφάνεια. Μετά τη σχεδίαση και την επιλογή των υλικών, πρέπει να επιλεγεί και η κατάλληλη τεχνική, ώστε ο κυµατοδηγός που θα προκύψει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις όσον αφορά τις διαστάσεις, την ανώτερη στάθµη απωλειών και την ικανότητα παραγωγής σε ευρεία κλίµακα. Οι πιο γνωστές χρησιµοποιούµενες τεχνικές που ουσιαστικά αποτελούν επέκταση των τεχνικών της µικροηλεκτρονικής. είναι: Τεχνικές διάχυσης (Diffusion) και Τεχνικές εµφύτευσης - ανταλλαγής ιόντων (ion implantation - exchange). Χρησιµοποιούνται στην τεχνολογία διατάξεων του LiNbΟ 3. Οι κυµατοδηγοί κατασκευάζονται µε διάχυση προσµείξεων στο υλικό του υποστρώµατος [Schmidt 1974], µε εµφύτευση [Stewart 1977] ή ανταλλαγή ιόντων [Nishihara 1989]. Η πιο διαδεδοµένη µέθοδος είναι αυτή της διάχυσης ατόµων µετάλλου (π.χ. Ti) σε κρύσταλλο LiNbΟ 3 µε τη βοήθεια υψηλών θερµοκρασιών. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 13
Τεχνικές ανάπτυξης (Growing). Εδώ υλικό προσµείξεων παρόµοιο µε το υλικό του υποστρώµατος, επιπροστίθεται µε τη µορφή κρυσταλλοποιηµένου στρώµατος στο υπόστρωµα. Χρησιµοποιούνται διαδικασίες όπως ο RF βοµβαρδισµός ιόντων (sputtering) [Maissel 1973] και η επιταξία (epitaxial growth) (Cheo 1973). Η πρώτη τεχνική, χρησιµοποιήθηκε στα πρώτα βήµατα της ολοκληρωµένης οπτικής. Οι επιταξιακές τεχνικές χρησιµοποιούνται σήµερα, σχεδόν αποκλειστικά, στην κατασκευή µονολιθικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων και αποσκοπούν στην κρυσταλλική ανάπτυξη, µε προσαρµογή πλέγµατος, ενός ηµιαγωγικού υλικού επάνω σε ένα άλλο. Επιτρέπουν την ανάπτυξη σύνθετων τριαδικών ή τετραδικών ηµιαγωγών που ικανοποιούν τη σχέση: E g κυµατοδηγού > E g φωτοπηγής > E g φωτοφωρατή όπου E g η ενέργεια χάσµατος. Επιπλέον παρέχουν την απαραίτητη µεταβολή του δείκτη διάθλασης για να έχουµε κυµατοδήγηση. Οι πιο γνωστές τεχνικές είναι η επιταξία υγρής φάσης LPE (Liquid Phase Epitaxy), η επιταξία αέριας φάσης VPE (Vapor Phase Epitaxy) και η επιταξία µοριακής δέσµης MBE (Molecular Beam Epitaxy) [Tamir 1990]. Στη διαδικασία LPE ένα κορεσµένο διάλυµα των συστατικών του στρώµατος που πρόκειται να αναπτυχθεί κρυσταλλοποιείται µε ψύξη ενώ είναι σε επαφή µε το υπόστρωµα. Στη VPE το στρώµα επιταξίας σχηµατίζεται από την αντίδραση αερίων συστατικών (AsCl3, PCl3, PH3) µε την επιφάνεια του θερµαινόµενου υποστρώµατος (GaAs ή InP). Η µέθοδος είναι γνωστή και σαν εναπόθεση χηµικής εξάχνωσης CVD (Chemical Vapor Deposition) ανάλογα µε τη φύση των αντιδρώντων. Παραλλαγή της είναι η τεχνική µεταλλο-οργανικής εναπόθεσης µε χηµική εξάχνωση MOCVD (Metal- Organic Chemical Vapor Deposition) στην οποία αλκύλια µετάλλων χρησιµοποιούνται ως πηγή των συστατικών του αναπτυσσόµενου στρώµατος επιταξίας. Στη διαδικασία MBE το στρώµα επιταξίας αναπτύσσεται µε αντίδραση µορίων ή ατόµων των συστατικών στοιχείων του στρώµατος που πρόκειται να αναπτυχθεί µε το κρυσταλλικό υπόστρωµα, το οποίο διατηρείται σε συνθήκες υψηλής θερµοκρασίας και σχεδόν απόλυτου κενού. Παραλλαγές των πιο πάνω µεθόδων είναι οι διαδικασίες µεταλλοοργανικής επιταξίας µοριακής δέσµης ΜΟΜΒΕ (Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy) και η µεταλλο-οργανική επιταξία αέριας φάσης MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) [Agrawal 1986]. Τεχνικές εγχάραξης (Εtching). Με τις τεχνικές αυτές καθορίζεται η γεωµετρία των δοµών των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων και ουσιαστικά ακολουθούν την ανάπτυξη των στρωµάτων κυµατοδήγησης. Είναι απαραίτητες στο σχηµατισµό των οπτικών τρισδιάστατων κυµατοδηγών και βασίζονται σε τυπικές φωτολιθογραφικές µεθόδους µε τις οποίες η Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 14
επιθυµητή δοµή αποτυπώνεται (patterning) πάνω σε ένα στρώµα ευπαθούς υλικού. Ο κυµατοδηγός σχηµατίζεται µε προσβολή του στρώµατος κάλυψης (mask) µε χηµικά αντιδραστήρια (wet etching), ή µε την επίδραση δέσµης ιόντων RIE (Reactive Ion Etching) και RIBE (Reactive Ion Beam Etching) [Tamir 1990]. Στο Σχήµα 1.3 παρουσιάζεται σε αδρές γραµµές το διάγραµµα ροής που ακολουθεί η κατασκευή ενός υβριδικού ή µονολιθικού οπτικού κυκλώµατος. σχεδίαση OIC Υπόστρωµα LiNbO 3 Ηµιαγωγός επικάλυψη µε ευπαθές υλικό επιταξία LPE VPE MBE εγγραφή µε δέσµη ηλεκτρονίων ή ιόντων χρήση µάσκας λιθογραφία uv x-r ion beam αποτύπωση δοµής (patterning) επεξεργασία διάχυση εµφύτευση ιοντων ανταλλαγή ιόντων εγχάραξη χηµική RIE OIC Σχήµα. Απλουστευµένο διάγραµµα ροής της διαδικασίας κατασκευής ενός ολοκληρωµένου οπτικού κυκλώµατος Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 15
. Τυπικοί κυµατοδηγοί στην ολοκληρωµένη οπτική Οι οπτικοί κυµατοδηγοί της ολοκληρωµένης οπτικής, συγκεντρώνουν και οδηγούν τη φωτεινή ισχύ συνδέοντας τα δοµικά στοιχεία ενός ολοκληρωµένου οπτικού κυκλώ- µατος. Έτσι δίκαια θεωρούνται ως νευραλγικής σηµασίας τµήµα ενός OIC. Η βασική δοµή κυµατοδήγησης στα υβριδικά ή µονολιθικά ολοκληρωµένα οπτικά κυκλώµατα, αποτελείται ουσιαστικά από ένα επίπεδο στρώµα διηλεκτρικού υλικού µε υψηλό δείκτη διάθλασης n c, τον πυρήνα (core layer). Ο πυρήνας περιορίζεται µεταξύ ενός ανώτερου στρώµατος (upper layer), που αρκετά συχνά είναι ο αέρας, µε δείκτη διάθλασης n u και του υποστρώµατος (substrate), που αποτελείται από υλικό µε χαµηλότερο δείκτη διάθλασης n s. Η οπτική ισχύς κυµατοδηγείται µέσα στον πυρήνα λόγω ολικών ανακλάσεων στις διαχωριστικές επιφάνειες των διηλεκτρικών στρωµάτων (n c > n s > n u ). O δείκτης διάθλασης στον πυρήνα µπορεί να είναι σταθερός (step index) ή να µεταβάλλεται βαθµιαία (graded index). Η δοµή που περιγράφηκε είναι γνωστή ως επίπεδος άπειρος (slab) ή διδιάστατος (D) κυµατοδηγός, φαίνεται στο Σχήµα 1.4α και επιτυγχάνει συγκέντρωση της οπτικής ισχύος µόνο ως προς µια διεύθυνση κατά τον x ή y-άξονα αν θεωρήσουµε ότι η διεύθυνση διάδοσης του φωτός είναι κατά τον z-άξονα. n u x d n c n s d w (α) Σχήµα.3 α) Επίπεδος άπειρος κυµατοδηγός (slab waveguide) και β) τρισδιάστατος κυµατοδηγός τύπου καναλιού. y (β) z Για λόγους συµβατότητας µε τις µονότροπες οπτικές ίνες και για πιο αποτελεσµατικό έλεγχο της οπτικής ισχύος είναι απαραίτητη η συγκέντρωση του φωτός και ως προς τις δύο εγκάρσιες διευθύνσεις. Έτσι κατασκευάζονται οι τύπου καναλιού (channel waveguides) ή τρισδιάστατοι (3D) κυµατοδηγοί (Σχήµα 1.4β). Η συγκέντρωση του φωτός και ως προς τις δύο εγκάρσιες διευθύνσεις µειώνει επίσης την κατανάλωση της ισχύος τροφοδοσίας της πηγής. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των οπτικών κυµατοδηγών είναι οι διαστάσεις τους, που καθορίζουν το αν είναι µονότροποι ή όχι, την ευκολία σύζευξης µε την οπτική ίνα και φυσικά το συνολικό µέγεθος του OIC. Το λεγόµενο πάχος αποκοπής d c του επίπεδου άπειρου κυµατοδηγού που φαίνεται στο Σχήµα 1.4α δίνεται από τη σχέση: d c = n n (.1) c λ s Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 16
όπου λ το χρησιµοποιούµενο µήκος κύµατος. Με αυτή την απλή σχέση εκτιµάται επίσης κατά προσέγγιση το πάχος d ενός τρισδιάστατου κυµατοδηγού, προκειµένου να έχουµε µονότροπη λειτουργία. Το πλάτος του w λαµβάνεται το πολύ δύο φορές το πάχος d, για να αποφεύγεται η ελλειπτική µορφή στην εγκάρσια διατοµή της φωτεινής δέσµης (spot shape) του τρόπου διάδοσης. H ποσότητα n n για τα υλικά που χρησιµοποιούνται στην ολοκληρωµένη οπτική, παίρνει τιµές στο διάστηµα [0.1, 1]. Το κάτω όριο αυτού του διαστήµατος αντιστοιχεί σε κυµατοδηγούς πολύ καλά συµβατούς µε τις µονότροπες οπτικές ίνες, ενώ για τιµές της µεγαλύτερες του 0.7 προκύπτουν κυµατοδηγοί µε ισχυρή κυµατοδήγηση, κατάλληλοι για την κατασκευή καµπυλώσεων µε µικρή ακτίνα καµπυλότητας. Τέτοιοι κυµατοδηγοί είναι απαραίτητοι στη σύνθεση OIC µικρού µεγέθους. Στη πρώτη περίπτωση ανήκουν οι κυµατοδηγοί των υλικών της κλάσης του LiNbΟ 3, ενώ στη δεύτερη οι κυµατοδηγοί των καταλλήλων για µονολιθική ολοκλήρωση ηµιαγωγικών υλικών. c s..1 Τύποι τρισδιάστατων κυµατοδηγών για ολοκληρωµένες οπτικές διατάξεις Έχει αναπτυχθεί ένα µεγάλο πλήθος τεχνικών για την κατασκευή των οπτικών κυµατοδηγών [Alferness 1987]. Κοινό τους χαρακτηριστικό, είναι ότι όλες στοχεύουν στην τοπική µεταβολή του δείκτη διάθλασης του βασικού υλικού που χρησιµοποιείται σαν υπόστρωµα, πράγµα που επιτυγχάνουν µε διάφορους τρόπους. Στο Σχήµα 1.5 παρουσιάζονται οι πλέον διαδεδοµένες µορφές οπτικών κυµατοδηγών (3D) που χρησιµοποιούνται σήµερα στην ολοκληρωµένη οπτική και επιτυγχάνουν τη συγκέντρωση της οπτικής ισχύος κατά τις δυο εγκάρσιες διευθύνσεις (x, y) του άξονα διάδοσης z. Σε όλες τις περιπτώσεις ο κυµατοδηγός αποτυπώνεται φωτολιθογραφικά και µερικές φορές µε απευθείας εγγραφή µε τη βοήθεια δέσµης ηλεκτρονίων. Για την κατασκευή των τεσσάρων πρώτων τύπων - ραβδωτού (rib), θαµµένου ραβδωτού (buried rib), οπτικής ταινιογραµµής (strip - line) και θαµµένης ταινίας (buried strip) - καθώς και του ραχιαίου κυµατοδηγού (ridge) χρησιµοποιούνται διαδικασίες εναπόθεσης και εγχάραξης που ήδη έχουν αναφερθεί (χηµική, RIE, RIBE). Η επιλογή της διαδικασίας και ο λόγος βάθος εγχάραξης/µέγεθος δοµής καθορίζουν τη µορφή του κυµατοδηγού, την οµαλότητα της επιφανείας του και τις κατασκευαστικές ανοχές. Για τα ηµιαγωγικά υλικά της οµάδας III-V, τα υποστρώµατα αυτών των κυµατοδηγών αναπτύσσονται µε επιταξία συνήθως MOVPE ή ΜΟΜΒΕ και σπάνια µε LPE. Η επιλογή της µεθόδου καθορίζει το διαθέσιµο διάστηµα τιµών για το πάχος των υποστρωµάτων και τη σύσταση του χρησιµοποιούµενου υλικού (δηλαδή τους δείκτες διάθλασης). Επιπλέον καθορίζει τις κατασκευαστικές ανοχές τους και το βαθµό οµαλότητας των διαχωριστικών επιφανειών τους. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 17
Ραβδωτός κυµατοδηγός (rib) Κυµατοδηγός οπτικής ταινιογραµµής (optical strip-line) Θαµµένος κυµατοδηγός καναλιού (buried channel) Θαµµένος ραβδωτός κυµατοδηγός (buried strip) Θαµµένος κυµατοδηγός διάχυσης (buried diffused) Ραχιαίος κυµατοδηγός (ridge) Kυµατοδηγός ταινίας (strip) Σχήµα.4 Βασικοί τύποι οπτικών κυµατοδηγών (3D) της ολοκληρωµένης οπτικής. Με λευκό χρώµα παριστάνεται η εγκάρσια διατοµή της φωτεινής δέσµης. Οι τύποι κυµατοδηγών - διάχυσης (diffused) και θαµµένου κυµατοδηγού διάχυσης (buried diffused) - χρησιµοποιούνται κυρίως στις διατάξεις του LiNbO 3. Κατασκευάζονται µε θερµική διάχυση ατόµων τιτανίου Ti σε κρυσταλλικό υπόστρωµα του υλικού. Τα άτοµα των προσµείξεων προέρχονται από µια λεπτή ταινία µετάλλου τοποθετηµένη στην επιφάνεια του κρυστάλλου. Χρησιµοποιούνται επίσης οι τεχνικές της εµφύτευσης ή ανταλλαγής ιόντων σε συνδυασµό µε χρήση καλυµµάτων (masking). Οι θαµµένοι κυµατοδηγοί διάχυσης απαιτούν µια δεύτερη διαδικασία διάχυσης για το σχηµατισµό του ανώτερου Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 18
στρώµατος. Η µορφή αυτών των κυµατοδηγών και οι κατασκευαστικές ανοχές τους εξαρτώνται από τη διαδικασία διάχυσης και τις παραµέτρους της (δηλαδή από τη χρονική διάρκεια διάχυσης, τις διαστάσεις της µεµβράνης Τi που πρόκειται να διαχυθεί, και τη θερµοκρασία διάχυσης) [Tamir 1990]. Κύριο χαρακτηριστικό αυτών των κυµατοδηγών είναι οι πολύ µικρές απώλειες εδοµένου ότι διαφορετικές διατάξεις απαιτούν κυµατοδηγούς µε διαφορετικές ιδιότητες, είναι δύσκολο να τυποποιηθεί η χρήση τους, ακόµη και για υλικά του ίδιου συστήµατος... Καµπύλοι κυµατοδηγοί Οι καµπύλοι κυµατοδηγοί χρησιµοποιούνται για την αλλαγή της διεύθυνσης διάδοσης της οπτικής ισχύος και την διασύνδεση των διαφόρων δοµικών στοιχείων ενός OIC. Οι παράµετροι που τους χαρακτηρίζουν είναι κυρίως η ακτίνα καµπυλότητάς τους R και οι απώλειες οπτικής ισχύος, που συνεπάγεται η παρεµβολή τους. Όσο µειώνεται η ακτίνα καµπυλότητας, η κατεύθυνση µιας οπτικής διαδροµής αλλάζει σε µικρότερη απόσταση διάδοσης. Αντίθετα όµως οι απώλειες οπτικής ισχύος λόγω καµπυλότητας του κυµατοδηγού αυξάνονται µε τη µείωση της ακτίνας R. Σχήµα.5 Εξέλιξη της κατανοµής του ηλ. πεδίου ε(y) κατά τη διεύθυνση διάδοσης z και απώλειες ακτινοβολίας καµπύλου τµήµατος κυµατοδηγού. Προσέγγιση φασικής ταχύτητας. Ένας εύληπτος τρόπος για να γίνει κατανοητός ο µηχανισµός απωλειών είναι η προσέγγιση της φασικής ταχύτητας [Marcatili 1969]. Η ταχύτητα φάσης του οπτικού κύµατος πρέπει να είναι ανάλογη της απόστασης από το κέντρο καµπυλότητας, διαφορετικά δεν διατηρείται η αναγκαία επίπεδη ισοφασική επιφάνειά του µετώπου του κύµατος. Ας θεωρήσουµε την περίπτωση διάδοσης ενός τρόπου σε ένα καµπύλο κυµατοδηγό ακτίνας R µε σταθερά διάδοσης β z. Η κατανοµή του ηλεκτρικού πεδίου ε(y) φαίνεται παραστατικά στο Σχήµα 1.6. Υπάρχει µια συγκεκριµένη κρίσιµη απόσταση r c πέρα από την οποία, η ταχύτητα διάδοσης της οπτικής ισχύος στο υπόστρωµα µε δείκτη διάθλασης n s θα πρέπει να είναι µεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός για να διατηρηθεί το µέτωπο του κύµατος. Αυτό όµως σηµαίνει ότι τα φωτόνια που βρίσκονται σε αποστάσεις µεγαλύτερες από r c δεν µπορούν να κινηθούν τόσο γρήγορα ώστε να παραµείνουν µε Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 19
το υπόλοιπα φωτόνια του τρόπου. Έτσι αποχωρίζονται από τη δέσµη και µε µορφή ακτινοβολίας διαφεύγουν στο υπόστρωµα µε δείκτη διάθλασης n s. Είναι δύσκολο να εκτιµηθεί ακριβώς αυτή η ενδογενής απώλεια των καµπύλων τµηµάτων του κυµατοδηγού. Μια ικανοποιητική προσέγγιση για το συντελεστή απωλειών α R δίνεται από τη σχέση [Hunsperger 1985]: α R = c 1 exp(-c R) (.) όπου c 1 και c σταθερές που εξαρτώνται από τις διαστάσεις του κυµατοδηγού και τη µορφή του τρόπου διάδοσης. Φαίνεται όµως καθαρά ότι οι απώλειες αυξάνουν εκθετικά όσο αυξάνει η ακτίνα καµπυλότητας. Έχει βρεθεί ότι οι απώλειες µειώνονται µε χρήση κυµατοδηγών ισχυρής κυµατοδήγησης. Η συνηθέστερα χρησιµοποιούµενη γεωµετρία καµπύλων κυµατοδηγών είναι αυτή του τύπου S, που φαίνεται στο Σχήµα 1.7α. Οι κυµατοδηγοί αυτού του τύπου σχηµατίζονται συνδέοντας δύο κυµατοδηγούς που αντιστοιχούν γεωµετρικά σε τόξα π/4 µε την ίδια κατ απόλυτο τιµή ακτίνα καµπυλότητας. (α) (β) Σχήµα.6 α) Κυµατοδηγός τύπου S και β) η τεχνική των πλευρικών µετατοπίσεων (offsets). Στην επιφάνεια επαφής µεταξύ των δυο τόξων αλλά και στην επιφάνεια σύνδεσης του µορφής S µε έναν ευθύγραµµο κυµατοδηγό εµφανίζονται απώλειες µετάβασης (transition losses), λόγω της παραµόρφωσης του τρόπου διάδοσης [Ruiter 1984]. Σηµαντική βελτίωση στις απώλειες µετάβασης λόγω της ανοµοιότητας των τρόπων διάδοσης επιτυγχάνεται µε τη χρήση πλευρικών µετατοπίσεων (offset) των κυµατοδηγών στις επιφάνειες σύνδεσης [Νeumann 198]. Στο Σχήµα 1.7β φαίνεται ένας κυµατοδηγός τύπου S µε µετατοπίσεις. Εκτός από τις µετατοπίσεις, µπορεί να µεταβάλλονται και τα πλάτη των κυµατοδηγών, ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη προσαρµογή των οπτικών πεδίων (matching). Η άριστη τιµή των µετατοπίσεων για µετάβαση από καµπύλο σε καµπύλο κυµατοδηγό είναι s, όπου s η µετατόπιση για µετάβαση από ευθύγραµµο σε καµπύλο κυµατοδηγό. Η µείωση των απωλειών µε τη τεχνική που περιγράφηκε έχει αποδειχτεί πειραµατικά [Pennings 1989]...3 Μηχανισµοί απωλειών στους οπτικούς κυµατοδηγούς Ο µηχανισµός απωλειών οπτικής ισχύος λόγω ακτινοβολίας που αναφέρθηκε προηγουµένως, οφείλεται στη γεωµετρία των οπτικών κυµατοδηγών. Όµως τόσο οι Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 0
ευθύγραµµοι όσο και οι καµπύλοι κυµατοδηγοί εµφανίζουν απώλειες που οφείλονται σε δύο άλλους διαφορετικούς µηχανισµούς: της σκέδασης (scattering) και της απορρόφησης (absorption) [Hunsperger 1985, Nishihara 1989]. Κατά την απορρόφηση φωτόνια χάνονται, αποδίδοντας την ενέργειά τους είτε στα άτοµα του υλικού διάδοσης είτε σε άλλα υποατοµικά σωµατίδια (συνήθως ηλεκτρόνια) του υλικού. Αντίθετα κατά την ακτινοβολία ή τη σκέδαση τα φωτόνια διατηρούν τη φωτονική υπόστασή τους, αλλάζοντας απλώς κατεύθυνση και µερικές φορές χάνουν µέρος της ενέργειάς τους µε µη γραµµική σκέδαση Raman. Εποµένως είτε µε τον ένα, είτε µε τον άλλο από τους πιο πάνω τρόπους, τα φωτόνια αποµακρύνονται από την οπτική δέσµη και έτσι όταν τα φωτόνια σκεδάζονται, απορροφώνται ή ακτινοβολούνται, η ισχύς του οπτικού σήµατος που διαδίδεται στον κυµατοδηγό µειώνεται...3.1 Απώλειες σκέδασης Σε ένα οπτικό κυµατοδηγό, παρατηρούνται δυο τύποι απωλειών σκέδασης : η σκέδαση όγκου και η σκέδαση επιφανείας. Στον πρώτο τύπο οι απώλειες οφείλονται σε σκεδαστές που είναι ατέλειες του υλικού του κυµατοδηγού, όπως άτοµα προσµείξεων ή παραµορφώσεις του κρυσταλλικού πλέγµατος. Οι απώλειες σε αυτή την περίπτωση εξαρτώνται από το πλήθος των κέντρων σκέδασης και το µέγεθος των σκεδαστών, που συνήθως είναι αρκετά µικρό συγκρινόµενο πάντα µε το χρησιµοποιούµενο µήκος κύµατος. Οι απώλειες λόγω σκέδασης επιφανείας είναι πολύ πιο σηµαντικές από εκείνες της σκέδασης όγκου ακόµη και σε κυµατοδηγούς µε πολύ λείες επιφάνειες, ιδιαίτερα για τους τρόπους διάδοσης υψηλότερης τάξης, κι αυτό λόγω της ισχυρής αλληλεπίδρασης των διαδιδόµενων κυµάτων µε την επιφάνεια του κυµατοδηγού (φαινόµενο ολικής ανάκλασης). Για την ποσοτική περιγραφή του µεγέθους των απωλειών σε αυτή την περίπτωση, χρησιµοποιείται ένας εκθετικός συντελεστής εξασθένησης α s. H οπτική ισχύς σε οποιοδήποτε σηµείο z κατά µήκος του κυµατοδηγού δίνεται από τη σχέση: P(z) = P 0 e -α s z (.3α) όπου P 0 η αρχική ισχύς στο z = 0. Ο συντελεστής α s δίνεται από τη σχέση [Tien 1971]: Aσ α s = λ 0 (1.3β) όπου λ 0 το χρησιµοποιούµενο µήκος κύµατος, Α µια σταθερά που εξαρτάται από τη γεωµετρία του κυµατοδηγού και σ η στατιστική διακύµανση των ανωµαλιών της επιφανείας του. Οι απώλειες λόγω σκέδασης επιφανείας είναι σηµαντικότερες στους κυµατοδηγούς που κατασκευάζονται µε εναπόθεση ή µε διάχυση. Στους κυµατοδηγούς που κατασκευάζονται µε επιταξιακές τεχνικές (µε εξαίρεση την LPE) όπου οι µεταβολές της επιφάνειας κυµαίνονται γύρω στο 0.01 µm, οι απώλειες σκέδασης αγνοούνται σε σχέση µε τις απώλειες λόγω απορρόφησης. Εν γένει οι απώλειες σκέδασης αυξάνονται στις διαχωριστικές επιφάνειες των κυµατοδηγών όπου η διαφορές του δείκτη διάθλασης είναι µεγάλες. Αρ. ΤΣΙΠΟΥΡΑΣ 1