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Fotonica 2003
Tecniche Fotoniche per la Generazione e la Rivelazione di
Onde Millimetriche
T.Tambosso, TILabS.Donati, Università di Pavia
Fotonica 2003
gli autori ringraziano per la collaborazione:
G.Giuliani - M. Norgia - R.Miglierina M. Passerini - M.Sorel S.Barbieri - A. Fanzio - C.Borean
vedansi anche le memorie B1.5, B6.2, P.1.1
Fotonica 2003
Sommario:- due recenti ‘trend’ nella fotonica portano alle onde millimetriche - il fotomescolamento- generatori fotonici di onde mm - applicazioni
- prospettive e conclusioni
Due recenti trend
Con l’aumento della frequenza di cifra (e gia’ dai 40 Gb/s), i ricevitori tradizionali TIA ( a transimpedenza) non sono piu’ ottimali, e vengono superati dai ricevitori OPA - preamplificati otticamente
Fotonica 2003
TIAreceiver
fiber
SOAOpAmp
OPAreceiver
fiber
TIA vs OP
A partire da circa 20-40 GHz, la transresistenza del TIA scende intorno a ≈50 e la corrente critica di regime quantico
diventa Iph ≈1 mA
Allora il rumore dell’OP, dato dallo shot-noise dell’ASE = 2 h (≈ 20-100 mW) é nettamente piu’ basso Usando un fotodiodo ultrarapido in guida,possiamo integrarlo con l’amplificatore ottico (SLA) nella stessa tessera di semiconduttore, ad es. il ternario InGaAs per III finestra
Prestazione ricevitori TLC/FO
TRANSMISSION RATE 1/T (Gbit/s)
0.1 0.4 1.0 4 10
-70
-60
-50
-40
-30
RE
CE
IVE
R
INP
UT
EQ
V N
OIS
E (
dB
m)
-20
SEL 88
BT 85
NEC88
NEC 89AT&T 88
SEL87
FUJ 87
AT&T 85
NTT 85
NTT 89
AT&T 85
COHERENT
DIRECT
NTT 92
20
RE
CE
IVE
R I
NP
UT
EQ
V N
OIS
E (
(W
)
10
0.1
1
10n
1n
0.1n
40
NTT 97
.
. .
x
x
x
xx
x x
xx
x
O
O
O
O
O
O
O
O
2 100 200
A OPTICAL PREAMPLA
BELL 01
ABELL 02
NEC 85
direct detection
coherent detection
optical preamp
4 ph/bit10
36
Ricevitore preamplificato otticamente
n+ InP
quantum wells
RIDGE
isolation(e.g. by intermixing)
SOA
waveguide PINphotodiode
taper(beam expander)
p+p+
light in
(+) (-)
500 m150 m
100 m
InGaAs
photodiode
3m
Gnauk et al:PTL-15, p.99; Mason:OFC-02 PDP, FB-10
Fotodiodi ultrarapidi
Naturalmente servono fotodiodi ultrarapidi !
Si deve passare dalla struttura verticale (ove le regioni di assorbimento e deriva sono sovrapposte) a quella di guida planare, ove sono perpendicolari (l’opposto dei laser, transitati da planari a verticali !)
Diminuendo appropriatamente la sezione trasversale sino a monomodale, taglio estrinseco e intrinseco crescono sino a 300 GHz e oltre, mentre l’efficienza quantica e la saturazione restano buone
Due recenti trend
Il fotomescolamento: una nuova tecnica basata su un vecchio principio: il battimento ottico
E cos t1 1 2+ E cos t2
2 E E cos ( -) t1221
uscita elettricaentrata ottica
(due modi di un laser)
(S.Donati: Photodetectors, Prentice Hall 2000)
Schema di fotomescolamento
Schema di fotomescolamento 2
laser a 2 o piu’ modi, meglio se ModeLocking, con spaziatura
fotodiodo ultraveloce
uscita elettricaa frequenza typ. 60 GHz)
Applicazione: generatore a fotomescolamento, vedi memoria B1.5
Potenza generata per fotomescolamento
P = [σ]el ottP 2R
=50R
( )dBmottP
Pel
( )dBm
0
-10
-20
+10-10
0
-30
σ=1 / A W
0.5
0.3
e’ quadratica in P ,e’ importante massimizzare lasensibilità spettrale σdel fotodiodoe il carico R, ove possibile
ott
Sorgenti per fotomescolamento
*
- A semiconduttore (GaAlAs o InGaAs) in tessera integrata con il fotodiodo per comunicazioni wireless a onde millimetrica
- A stato solido, ad es Er-Yb pompato da diodi - per Terahertz Imaging
generatore di mm-wave per fotomescolamento: i componenti
fotodiodocoplanare
assorbitoresaturabile
laser ad anello
amplificatore ottico
tessera di GaAlAs
mode-locking
uscitaelettrica
Sorgenti a semiconduttore: problemi
Materiale: il GaAlAs è più facilmente processato, maInGaAs su InP ha la σ circa doppia (+6dB in potenza)
Struttura del laser: quella del mode-locking passivo(il doppio DBR é troppo costoso)
Cavità laser: la Fabry-Perot lineare si adatta meglio alle lunghezze necessarie, ma ha problemi di accoppiamento (specchio d’uscita) al resto della tessera
La cavita’ ad anello richiede maggiore n ma esce più facilmente (con accoppiatore in guida); ha problemi di pulsazione e multistabilità (vedi mem. B6.2)
figura 1.1: andamenti della frequenza di taglio estrinseco Fest (linee verdi) al variaredell’area di giunzione e della frequenza di taglio intrinseco Fint (linee blu) per diversivalori del coefficiente di assorbimento _ per un fotodiodo in Si. Entrambi sonofunzione dello spessore della regione intrinseca w. Sono inoltre indicati icorrispondenti valori di tempo di deriva _d e capacità di giunzione Cb.
Fotodiodi rapidi planari (1)
figura 1.1: andamenti della frequenza di taglio estrinseco Fest (linee verdi) al variaredell’area di giunzione e della frequenza di taglio intrinseco Fint (linee blu) per diversivalori del coefficiente di assorbimento _ per un fotodiodo in Ga0.47In0.53As. Entrambisono in funzione dello spessore della regione intrinseca w. Sono inoltre indicati icorrispondenti valori di tempo di deriva _d e capacità di
Fotodiodi rapidi planari (2)
fotodiodi rapidi in guida
figura 2.1: andamenti della frequenza di taglio estrinseco Fest (linee verdi) edintrinseco Fint (linee blu) al variare dello spessore della regione intrinseca d.Sono,inoltre, indicati i corrispondenti valori di tempo di deriva _d e capacità digiunzione Cb, oltre ai valori di tensione da applicare ai capi del fotodiodo (linearossa tratteggiata).
saturation.
saturation current (mA)
100
10
1
10 20 50 100 200
3-dB cutooff frequency (GHz)
planar-PD
co-planar waveguide PD
TW-PD
power on 50 ( )dBm
-10
+20
+10
0
Adapted from: Lin et al., MTT-45,1997, p.1320
Fotodiodi in guida otticaFotodiodi in guida ottica• Strutture innovativeStrutture innovative
Fotodiodo in guida ottica “ad onda viaggiante” (TWPD)
Fotodiodo in guida ottica “ad onda viaggiante” periodico (TWPD)
dispositivi ad elementi distribuiti
risposta in frequenza limitata dal disaccordo tra le velocità di propagazione della radiazione nella guida ottica e del segnale elettrico nella linea di trasmissione
Schema proposto da Giboney et al. Schema proposto da Kato et al.
Caratterizzazione di fotodiodi in guida ottica Caratterizzazione di fotodiodi in guida ottica con linea elettrica coplanarecon linea elettrica coplanare
• 18 dispositivi18 dispositivi• Materiale: GaAs/AlGaAsMateriale: GaAs/AlGaAs• Lunghezza: LLunghezza: LPDPD=50, 100, 150=50, 100, 150mm
FABBRICAZIONE: Marco Passerini (Glasgow University, Optoelectronics Group)
sonda coplanare fibra ottica
con lente
fotodiodi coplanari
Generatore fotonico integrato: la prima realizzazione
Vawter et al,(Sandia lab) PTL-9 p.1634
struttura di rete
W-LAN mm-wave ( 60GHz)
E/Oconv
E/Oconv
optical fiberBase station
Mobile units
60 GHz
IN IN IN IN
OUT OUT OUT OUT
Base station
w-lan domestica
(Y.Shoji et al.CRLab, Japan: MTT-50, 2002, p.1458)
Radio over Fiber con collegamento radio a mm-wave
Johansson et al: Proc.MTT2001,Tu3-4
L’approccio HHI
L’approccio HHI
L’approccio HHI
Prime sperimatazioni
wi-fi a Manhattan
Onde millimetricheOnde millimetriche
• Studio delle proprietStudio delle proprietà atomiche e molecolari della materiaà atomiche e molecolari della materia
• Analisi di composti organici nel settore biomedicoAnalisi di composti organici nel settore biomedico
• Sicurezza in ambito civile e militareSicurezza in ambito civile e militare
• Comunicazioni terrestri e satellitariComunicazioni terrestri e satellitari
• Realizzazione di reti locali di comunicazione di tipo Realizzazione di reti locali di comunicazione di tipo wirelesswireless
ApplicazioniApplicazioni
• Attraversano sostanze opache nel visibile e nell’infrarosso e Attraversano sostanze opache nel visibile e nell’infrarosso e
rispetto ai raggi X sono meno distruttiverispetto ai raggi X sono meno distruttive
esempi di teraherz-imaging
Quinetiq, UK e Delft University