Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc NFS+NOS 2008 [email protected]

Ing.Vítězslav Jeřábek, CScIng.Vítězslav Jeřábek, CScNFS+NOS 2008NFS+NOS 2008

[email protected]@fel.cvut.cz

Profesionální software Profesionální software pro návrhpro návrh

optoelektronických optoelektronických součásteksoučástek

Základní pojmyZákladní pojmyFotonikaFotonika – – je interdisciplinární technický je interdisciplinární technický

obor zabývající se generací, přenosem, obor zabývající se generací, přenosem, modulací, zesilováním a detekcí záření, jehož modulací, zesilováním a detekcí záření, jehož základní jednotkou ( kvantem) je foton. základní jednotkou ( kvantem) je foton.

Základní oblasti fotoniky:Základní oblasti fotoniky: Geometrická optikaGeometrická optika – studuje jevy, kdy záření – studuje jevy, kdy záření

prochází předměty, prochází předměty,

nebo kolem předmětů, jejichž rozměry jsou nebo kolem předmětů, jejichž rozměry jsou mnohem větší, než je vlnová délka záření. ( odraz -mnohem větší, než je vlnová délka záření. ( odraz -reflexe, lom – refrakce záření)reflexe, lom – refrakce záření)

Vlnová optikaVlnová optika – studuje jevy, kde se uplatňuje – studuje jevy, kde se uplatňuje vlnová povaha záření, ale pro popis jevů vystačíme vlnová povaha záření, ale pro popis jevů vystačíme se skalární matematickou reprezentací. se skalární matematickou reprezentací. ( interference, difrakce-ohyb )( interference, difrakce-ohyb )

Základní pojmyZákladní pojmy

Elektromagnetická optika ( klasická optikaElektromagnetická optika ( klasická optika ))– – zahrnuje geometrickou a vlnovou optiku jako zahrnuje geometrickou a vlnovou optiku jako limitní případ nebo aproximaci obecné limitní případ nebo aproximaci obecné elektromagnetické klasické teorie záření. Pro elektromagnetické klasické teorie záření. Pro popis jevů využíváme vektorové reprezentace popis jevů využíváme vektorové reprezentace dvou vzájemně svázaných vlnění – dvou vzájemně svázaných vlnění – elektrického a magnetického pole.elektrického a magnetického pole.

Zahrnuje základní jevy integrované optikyZahrnuje základní jevy integrované optiky ( absorpce, disperze, polarizace).( absorpce, disperze, polarizace).

Kvantová optikaKvantová optika – zahrnuje klasickou optiku – zahrnuje klasickou optiku jako aproximaci. Slouží pro popis interakce jako aproximaci. Slouží pro popis interakce elektromagnetického vlnění s hmotou elektromagnetického vlnění s hmotou (generace a zesilování záření a.p.) Pro popis (generace a zesilování záření a.p.) Pro popis jevů využívá operátorové reprezentace ve jevů využívá operátorové reprezentace ve vektorovém prostoru.vektorovém prostoru.

Zahrnuje všechny jevy integrované optiky a Zahrnuje všechny jevy integrované optiky a optoelektroniky.optoelektroniky.

Základní pojmyZákladní pojmy

Rozdělení oblastí fotonikyRozdělení oblastí fotoniky

Postup návrhu a realizacePostup návrhu a realizace

Přehled profesionálních sofwarových nástrojůPřehled profesionálních sofwarových nástrojů pro návrh fotonických obvodů:pro návrh fotonických obvodů:

Návrh součástek – TCAD, R Soft, Optiwave a.p.Návrh součástek – TCAD, R Soft, Optiwave a.p. Návrh obvodů – OrCAD, AutoCAD, SCOPE a.p.Návrh obvodů – OrCAD, AutoCAD, SCOPE a.p.

Postup návrhu:Postup návrhu: Vytvoření softwarového modelu součástky nebo Vytvoření softwarového modelu součástky nebo

subsystémusubsystému Simulace základních ověřovacích charakteristik a Simulace základních ověřovacích charakteristik a

porovnání se zadáním. Pokud neodpovídá,úprava porovnání se zadáním. Pokud neodpovídá,úprava modelu.modelu.

Vytvoření laboratorního vzoru součástky nebo Vytvoření laboratorního vzoru součástky nebo subsystémusubsystému

Odměření charakteristik modelu a porovnání se Odměření charakteristik modelu a porovnání se zadáním.zadáním.

Pokud neodpovídají zadání úprava a doplnění Pokud neodpovídají zadání úprava a doplnění softwarového modelu a opakování všech kroků včetně softwarového modelu a opakování všech kroků včetně vytvoření nového laboratorního vzoru vytvoření nového laboratorního vzoru

Softwarové produkty pro OE Softwarové produkty pro OE simulacesimulace

Přehled programových balíků pro Přehled programových balíků pro simulace subsystémů v integrované simulace subsystémů v integrované fotonice:fotonice: OrCAD (AutoCAD)OrCAD (AutoCAD)– vychází z řešení – vychází z řešení

soustav lineárních a linearizovatelných soustav lineárních a linearizovatelných obvodových rovnic v časové a frekvenční obvodových rovnic v časové a frekvenční oblasti. Modely optoelektronických oblasti. Modely optoelektronických aktivních prvků jsou vytvořením jejich aktivních prvků jsou vytvořením jejich elektrických modelů začleněny do elektrických modelů začleněny do obvodových rovnic subsystémů a řešeny obvodových rovnic subsystémů a řešeny jako elektrický lineární, nebo jako elektrický lineární, nebo linearizovatelný obvod.linearizovatelný obvod.

Metody softwarového obvodového Metody softwarového obvodového návrhunávrhu

Elektrický model optoelektronického MES FET přijímače (OEP)

pracujícího s šířkou pásma 500 MHz.

Realizace OE přijímače

Optoelektronický MES FET přijímač, realizovaný jako tenkovrstvý hybridní obvod

Softwarové produkty pro Softwarové produkty pro simulace ve fotonicesimulace ve fotonice

Přehled základních programových balíků pro Přehled základních programových balíků pro simulace prvků ve fotonice:simulace prvků ve fotonice: TCAD TCAD –založený na řešení celého souboru fyzikálních –založený na řešení celého souboru fyzikálních

rovnic (Poissonova, kontinuity, Schrodingerova a.p.) rovnic (Poissonova, kontinuity, Schrodingerova a.p.) metodami konečných prvků FE, konečných objemů FV a metodami konečných prvků FE, konečných objemů FV a konečných diferencí FD. Služí knávrhu polovodičových konečných diferencí FD. Služí knávrhu polovodičových OE součástek. OE součástek.

Beam PROPBeam PROP –založený na řešení –založený na řešení vlnové rovnicvlnové rovnic diferenčními metodou konečných diferencí FD. diferenčními metodou konečných diferencí FD. Slouží k návrhu a simulaci vlastností pasivních Slouží k návrhu a simulaci vlastností pasivních optických součástek, kde u jevů nedochází k optických součástek, kde u jevů nedochází k reflexím a rezonančním jevůmreflexím a rezonančním jevům

Full Wave Full Wave - metoda založená na řešení - metoda založená na řešení vlnové vlnové rovnice v časové oblasti rovnice v časové oblasti diferenčními metodou diferenčními metodou konečných diferencí po časových přírůstcích konečných diferencí po časových přírůstcích FDTD. Slouží k návrhu a simulaci pasivních a FDTD. Slouží k návrhu a simulaci pasivních a dynamických optických součástek, realizovaných dynamických optických součástek, realizovaných na izotropních i anizotropních materiálechna izotropních i anizotropních materiálech

Softwarové produkty pro Softwarové produkty pro simulace ve fotonicesimulace ve fotonice

RSoft Design Group – RSoft Design Group – 1990 založena, na 1990 založena, na Columbia University řešil BMP simulace, Columbia University řešil BMP simulace, později přidány i simulace aktivních později přidány i simulace aktivních komponent a systémůkomponent a systémů Softwarová řešení pro oblasti :Softwarová řešení pro oblasti :

Optických komunikací –Optických komunikací – návrh, optimalizaci a návrh, optimalizaci a plánování plánování Optoelektronické součástkyOptoelektronické součástky – návrhový nástroj pro – návrhový nástroj pro pasivní a aktivní optoelektronické součástkypasivní a aktivní optoelektronické součástky Výroba polovodičůVýroba polovodičů – modelování – modelování

elektromagnetického pole využitelné v metrologii a elektromagnetického pole využitelné v metrologii a litografiilitografii

Program BMP - teorie- teorie

Metoda aproximace pole Metoda aproximace pole – aproximaci – aproximaci exaktního řešení skalární Helmholtzovy exaktního řešení skalární Helmholtzovy rovnice pro monochro-matickou vlnu rovnice pro monochro-matickou vlnu numerickým řešením soustavy numerickým řešením soustavy aproximujících rovnicaproximujících rovnic


Exaktní řešení skalární Helmholtzovy Exaktní řešení skalární Helmholtzovy rovnice –rovnice – předpokládejme řešení ve tvaru:předpokládejme řešení ve tvaru:

kde proměnnou x,y,z) lze vyjádřit jako reálnou funkci tří proměnných pro pomalu se měnící pole :

za těchto předpokladů:

Program BMP - teorie- teoriePředpoklady platnosti skalárního lineárního řešení Předpoklady platnosti skalárního lineárního řešení

Jediná osa šíření vlnění je osa ZJediná osa šíření vlnění je osa Z Obecně lze Obecně lze vlnové číslo kvlnové číslo k vyjádřit funkcí k (x,y,z), kde n(x,y,z) je vyjádřit funkcí k (x,y,z), kde n(x,y,z) je

prostorové rozdělení indexu lomu a kprostorové rozdělení indexu lomu a ko o je vlnové číslo ve volném je vlnové číslo ve volném prostoruprostoru

kde n s pruhem je střední index lomu a ko je vlnové číslo ve volném prostoru, které můžeme vyjádřit

Střední změny fáze lze v celém objemu vyjádřit Střední změny fáze lze v celém objemu vyjádřit vlnovým číslemvlnovým číslem


Odvození aproximující rovnice pro H. rovnici-Odvození aproximující rovnice pro H. rovnici- provedeme provedeme odvození exaktní formy rovnice H. s proměnnou odvození exaktní formy rovnice H. s proměnnou u(x,y,z)u(x,y,z)

Předpokládejme, že proměnná u(x,y,z)u(x,y,z) se se mění podle osy mění podle osy z z dostatečně pomalu, pak dostatečně pomalu, pak můžeme druhou derivaci podle můžeme druhou derivaci podle z z zanedbat. Rovnice pak má tvar :zanedbat. Rovnice pak má tvar :

Jde o parciální diferenciální rovnici parabolického typu


Integrace – výhody a nevýhodyIntegrace – výhody a nevýhody Řešení upravené H. rovnice lze provést Řešení upravené H. rovnice lze provést

jednoduchou integrací a ne iterací. To jednoduchou integrací a ne iterací. To redukuje redukuje dobu výpočtudobu výpočtu

Počet hodnot,které počítáme může být Počet hodnot,které počítáme může být vzhledem k pomalu se měnícímu průběhu vzhledem k pomalu se měnícímu průběhu pole ve směru osy z menší ( hrubější rast)pole ve směru osy z menší ( hrubější rast)

Pole se musí šířit primárně ve směru osy zPole se musí šířit primárně ve směru osy z Rychlost změny amplitudy pole a jeho fáze ve Rychlost změny amplitudy pole a jeho fáze ve

směru osy z je omezenasměru osy z je omezena Eliminací druhé derivace nemohou být přesně Eliminací druhé derivace nemohou být přesně

modelovány úlohy, kde významným prvkem je modelovány úlohy, kde významným prvkem je – – reflexe a zpětné šířeníreflexe a zpětné šíření

Metoda výpočtu používající diferenční Metoda výpočtu používající diferenční rovnici danou Crank-Nicholsnovým rovnici danou Crank-Nicholsnovým schématem (metoda konečných schématem (metoda konečných diferemcí-FD):diferemcí-FD):

kde reprezentuje standardní diferenciální operátor druhého řádu daný vztahem a platí

Program BMP - teorie

Program BMP - teorie

Metoda předpokládáMetoda předpokládá:: Pole je dáno v diskrétních bodech v Pole je dáno v diskrétních bodech v

rovinách rovinách xyxy, které jsou kolmé na osu , které jsou kolmé na osu šíření vlnění šíření vlnění z. z.

Pole mezi body n a n+1 lze pak určit Pole mezi body n a n+1 lze pak určit pomocí pomocí Crank-Nicholsnova schématuCrank-Nicholsnova schématu

Tuto rovnici lze po dosazení vztahů pro Tuto rovnici lze po dosazení vztahů pro a z přepsat do třírozměrné matice: a z přepsat do třírozměrné matice:

Program BMP - využitíMetoda BMP je využitelná při návrhu Metoda BMP je využitelná při návrhu širokého spektra pasivních součástek širokého spektra pasivních součástek integrované a vláknové optiky:integrované a vláknové optiky: Návrh optických planárních vlnovodů a HIONávrh optických planárních vlnovodů a HIO WDM a DWDM rozbočniceWDM a DWDM rozbočnice Optické spinače a vazební členyOptické spinače a vazební členy Modulátory Mach-Zehenderova typuModulátory Mach-Zehenderova typu Multimódové interferenční prvkyMultimódové interferenční prvky Pasivní výkonové rozbočnice 1xN, NxNPasivní výkonové rozbočnice 1xN, NxN Návrh prvků s optickými vláknyNávrh prvků s optickými vlákny Návrh optických mřížek a senzorůNávrh optických mřížek a senzorů

Program BMP - simulace

Příklad pasivní planární interferenční Příklad pasivní planární interferenční výkonové optické rozbočnice řešené výkonové optické rozbočnice řešené BMPBMP

Prostorové rozložení výkonu optického pole

Topologie rozbočnice

Program BMP - simulace Charakteristiky pasivní planární Charakteristiky pasivní planární

interferenčníinterferenční

výkonové optické rozbočnice řešené výkonové optické rozbočnice řešené BMPBMP


Charakteristiky 3D pasivní planární Charakteristiky 3D pasivní planární interferenčníinterferenční

výkonové optické rozbočnice řešené výkonové optické rozbočnice řešené BMPBMP


Příklad pasivní planárního Příklad pasivní planárního interferenční struktury Mach-interferenční struktury Mach-Zehenderova interferometru řešené Zehenderova interferometru řešené BMPBMP

Topologie struktury Prostorové rozložení indexu lomu


Charakteristiky pasivního planární Charakteristiky pasivního planární struktury struktury

Mach- Zehenderova interferometru Mach- Zehenderova interferometru řešené BMPřešené BMP


Charakteristiky pasivního planární Charakteristiky pasivního planární struktury struktury

Mach- Zehenderova interferometru Mach- Zehenderova interferometru řešené BMPřešené BMP

Program FULL WAVE - teorie

Metoda výpočtu používá techniku finite Metoda výpočtu používá techniku finite difference time domain FDTD, založené na difference time domain FDTD, založené na rigorózním diskrétním řešení šesti rigorózním diskrétním řešení šesti Maxwellových rovnicMaxwellových rovnic

Dvě z těchto rovnic lze psát:Dvě z těchto rovnic lze psát:


Metoda řeší Maxwellovy rovnice tak, že je Metoda řeší Maxwellovy rovnice tak, že je nejdříve rozdělí na diskrétní středové nejdříve rozdělí na diskrétní středové přírůstky přírůstky

v čase a prostoru a potom numericky řeší. v čase a prostoru a potom numericky řeší. Nejznámější je metoda nazvaná Yeeova, Nejznámější je metoda nazvaná Yeeova, která vypočítává hodnoty která vypočítává hodnoty EE a a HH souřadnic ve souřadnic ve středu zvolené mřížky středu zvolené mřížky xxyyzz. Čas je . Čas je posunován po diskrétních krocích posunován po diskrétních krocích tt. . Hodnoty jsou pak prokládány ve všech třech Hodnoty jsou pak prokládány ve všech třech směrech.směrech.

Časové přírůstky pro výpočet E jsou:Časové přírůstky pro výpočet E jsou:

Časové přírůstky pro výpočet H jsou: Časové přírůstky pro výpočet H jsou: kde n reprezentuje krok počítače


Yeeova cela, kde pole H je počítáno v bodech posunutých o polovinu stupnice mřížky vůči mřížce pole E


Dvě ze šesti diferenčních rovnic Dvě ze šesti diferenčních rovnic využívaných při výpočtu:využívaných při výpočtu:

Program FULL WAVE - využitíMetoda FULL WAVE je využitelná při Metoda FULL WAVE je využitelná při návrhu širokého spektra pasivních, návrhu širokého spektra pasivních, dynamických a nanofotonických dynamických a nanofotonických součástek integrované a součástek integrované a

vláknové optiky:vláknové optiky: Kruhové rezonátoryKruhové rezonátory Mřížkové a další difrakční struktůryMřížkové a další difrakční struktůry Fotonické kvantové součástkyFotonické kvantové součástky Senzorové součástkySenzorové součástky Nano a mikro-litografieNano a mikro-litografie MetrologieMetrologie

Program FULL WAVE - simulace

Průběh přechodového děje a ustálený Průběh přechodového děje a ustálený stav v rozložení pole optického stav v rozložení pole optického kruhového planárního rezonátorukruhového planárního rezonátoru

Topologie kruhového rezonátoru vázaného na dva planární vlnovody

Prostorové rozložení indexu lomu rezonátoru

Další programy RSoftDalší programy RSoft

Přehled dalších balíků pro součástkový Přehled dalších balíků pro součástkový návrh firmy RSoft:návrh firmy RSoft: Grating MOD –optické mřížky, multiplexing- Grating MOD –optické mřížky, multiplexing-

demultiplexing, Add-Drop filtry, ekvalizace demultiplexing, Add-Drop filtry, ekvalizace zisku OZ, vlnové konvertory a.p.zisku OZ, vlnové konvertory a.p.

MOST- optimalizační program pro všechny MOST- optimalizační program pro všechny základní typy součástkových programů RSoftzákladní typy součástkových programů RSoft

LaserMOD-optický návrh F-P, DFB, VCSEL LaserMOD-optický návrh F-P, DFB, VCSEL laserů a modulátorů a.p.laserů a modulátorů a.p.

DiffractMOD-vlnovodné rezonanční mřížky, DiffractMOD-vlnovodné rezonanční mřížky, difrakční optické elementy, vlnovodné filtry, difrakční optické elementy, vlnovodné filtry, dielektr. povlaky a.p.dielektr. povlaky a.p.

Další programy RSoftDalší programy RSoft

Přehled dalších balíků pro optický Přehled dalších balíků pro optický obvodový návrh firmy RSoft:obvodový návrh firmy RSoft:

OptSimm – CAD pro jednovidové optické OptSimm – CAD pro jednovidové optické systémy- DWDM/CWDM, FTTx/PON, systémy- DWDM/CWDM, FTTx/PON, OTDM/OCDMA, CATV Digital/Analog a.p.OTDM/OCDMA, CATV Digital/Analog a.p.

ModeSYS – CAD pro návrh multividových ModeSYS – CAD pro návrh multividových optických systémůa prvků – vazba optických systémůa prvků – vazba vlákno/laser, vlákno, vlákno/laser, vlákno, vlákno/fotodetektor, multplexování, vlákno/fotodetektor, multplexování, módová a chromatická disperze, ISI, módová a chromatická disperze, ISI, signálová spektra, BER a.p.signálová spektra, BER a.p.

Metoda Mode SYS - simulace

Modelování elektronické Modelování elektronické kompenzace optické vidové kompenzace optické vidové diperze využívající programu diperze využívající programu ModeSYS:ModeSYS:

LiteraturaLiteratura

[ 1 ] A.Kuchar, M.Khodl:Optické systémy pro přenos informace, KH servis, Praha, 1995

[ 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

Documents

Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc NFS+NOS 2008 [email protected]