S.Donati, Università di Pavia

Presentazione sul tema: "S.Donati, Università di Pavia"— Transcript della presentazione:

1 S.Donati, Università di Pavia
Fotonica 2003 Tecniche Fotoniche per la Generazione e la Rivelazione di Onde Millimetriche T.Tambosso, TILab S.Donati, Università di Pavia

2 gli autori ringraziano per la collaborazione:
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

3 Fotonica 2003 Sommario: - due recenti ‘trend’ nella fotonica portano alle onde millimetriche - il fotomescolamento - generatori fotonici di onde mm - applicazioni - prospettive e conclusioni

4 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

5 Fotonica 2003 OpAmp fiber SOA fiber TIA receiver OPA receiver

6 TIA vs OP A partire da circa 20-40 GHz, la transresistenza del TIA scende intorno a ≈50 W e la corrente critica di regime quantico diventa Iph ≈1 mA Allora il rumore dell’OP, dato dallo shot-noise dell’ASE = 2 hn Dn (≈ 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

7 Prestazione ricevitori TLC/FO
-20 NEC88 NTT 97 x x 10 m DIRECT x AT&T 88 NEC 89 O COHERENT x x FUJ 87 x A A OPTICAL PREAMPL x BELL 01 -30 x optical preamp SEL87 A 1 m BELL 02 x NEC 85 x -40 direct detection 0.1 m O 36 NTT 92 RECEIVER INPUT EQV NOISE (dBm) O O NTT 89 10 4 ph/bit RECEIVER INPUT EQV NOISE ( (W) AT&T 85 -50 . O NTT 85 10n SEL 88 . O O . AT&T 85 BT 85 O -60 1n coherent detection -70 0.1n 0.1 0.4 1.0 2 4 10 20 40 100 200 TRANSMISSION RATE 1/T (Gbit/s)

8 Ricevitore preamplificato otticamente
waveguide taper PIN isolation SOA (beam photodiode (e.g. by (-) light expander) (+) intermixing) RIDGE 3 m m in p+ p+ InGaAs quantum wells n+ InP photodiode 500 m m 100 m m 150 m m Gnauk et al:PTL-15, p.99; Mason:OFC-02 PDP, FB-10

9 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

10 Due recenti trend Il fotomescolamento: una nuova tecnica basata su un vecchio principio: il battimento ottico uscita elettrica entrata ottica 2 E E cos ( w - ) t 1 2 E cos w t 1 2 + E cos w t (due modi di un laser) (S.Donati: Photodetectors, Prentice Hall 2000)

11 Schema di fotomescolamento

12 Schema di fotomescolamento 2
laser a 2 o piu’ modi, meglio se ModeLocking, con spaziatura Dn uscita elettrica a frequenza Dn (typ. 60 GHz) fotodiodo ultraveloce Applicazione: generatore a fotomescolamento, vedi memoria B1.5

13 Potenza generata per fotomescolamento
e’ quadratica in P , e’ importante massimizzare la sensibilità spettrale s del fotodiodo e il carico R, ove possibile ott

14 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

15 generatore di mm-wave per fotomescolamento: i componenti
amplificatore ottico uscita elettrica fotodiodo laser ad anello mode-locking coplanare assorbitore saturabile tessera di GaAlAs

16 Sorgenti a semiconduttore: problemi
Materiale: il GaAlAs è più facilmente processato, ma InGaAs su InP ha la s 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 Dn ma esce più facilmente (con accoppiatore in guida); ha problemi di pulsazione e multistabilità (vedi mem. B6.2)

17

18 Fotodiodi rapidi planari (1)

19 Fotodiodi rapidi planari (2)

20 fotodiodi rapidi in guida

21 t

22 saturation . Adapted from: Lin et al., MTT-45,1997, p.1320

23 Fotodiodi in guida ottica
Strutture innovative Fotodiodo in guida ottica “ad onda viaggiante” periodico (TWPD) Fotodiodo in guida ottica “ad onda viaggiante” (TWPD) Schema proposto da Giboney et al. Schema proposto da Kato et al. 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

24 Caratterizzazione di fotodiodi in guida ottica con linea elettrica coplanare
18 dispositivi Materiale: GaAs/AlGaAs Lunghezza: LPD=50, 100, 150mm fotodiodi coplanari sonda coplanare fibra ottica con lente FABBRICAZIONE: Marco Passerini (Glasgow University, Optoelectronics Group)

25 Generatore fotonico integrato: la prima realizzazione
Vawter et al,(Sandia lab) PTL-9 p.1634

26 struttura di rete W-LAN mm-wave ( 60GHz) Base station Base station
optical fiber E/O E/O conv conv 60 GHz OUT OUT OUT OUT IN IN IN IN Mobile units

27 (Y.Shoji et al.CRLab, Japan: MTT-50, 2002, p.1458)
w-lan domestica (Y.Shoji et al.CRLab, Japan: MTT-50, 2002, p.1458)

28 Radio over Fiber con collegamento radio a mm-wave
Johansson et al: Proc.MTT2001,Tu3-4

29 L’approccio HHI

30 L’approccio HHI

31 L’approccio HHI

32 Prime sperimatazioni wi-fi a Manhattan

33 Onde millimetriche Applicazioni
Attraversano sostanze opache nel visibile e nell’infrarosso e rispetto ai raggi X sono meno distruttive Applicazioni Studio delle proprietà atomiche e molecolari della materia Analisi di composti organici nel settore biomedico Sicurezza in ambito civile e militare Comunicazioni terrestri e satellitari Realizzazione di reti locali di comunicazione di tipo wireless

34 esempi di teraherz-imaging
Quinetiq, UK e Delft University