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