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

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

2 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 laumento 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 TIA receiver fiber SOA OpAmp OPA receiver fiber

6 TIA vs OP A partire da circa GHz, la transresistenza del TIA scende intorno a 50 e la corrente critica di regime quantico diventa I ph 1 mA Allora il rumore dellOP, dato dallo shot-noise dellASE = 2 h ( mW) é nettamente piu basso Usando un fotodiodo ultrarapido in guida, possiamo integrarlo con lamplificatore ottico (SLA) nella stessa tessera di semiconduttore, ad es. il ternario InGaAs per III finestra

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

8 Ricevitore preamplificato otticamente n+ InP quantum wells RIDGE isolation (e.g. by intermixing) SOA waveguide PIN photodiode taper (beam expander) p+ light in (+) (-) 500 m 150 m 100 m InGaAs photodiode 3 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 (lopposto 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 lefficienza quantica e la saturazione restano buone

10 Due recenti trend Il fotomescolamento: una nuova tecnica basata su un vecchio principio: il battimento ottico E cos t E cos t 2 2 E E cos ( - ) t 1221 uscita elettrica entrata ottica (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 fotodiodo ultraveloce uscita elettrica a frequenza typ. 60 GHz) Applicazione: generatore a fotomescolamento, vedi memoria B1.5

13 Potenza generata per fotomescolamento e quadratica in P, e importante massimizzare la sensibilità spettrale 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 fotodiodo coplanare assorbitore saturabile laser ad anello amplificatore ottico tessera di GaAlAs mode-locking uscita elettrica

16 Sorgenti a semiconduttore: problemi Materiale: il GaAlAs è più facilmente processato, ma InGaAs su InP ha la 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 duscita) 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)

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18 Fotodiodi rapidi planari (1)

19 Fotodiodi rapidi planari (2)

20 fotodiodi rapidi in guida

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

23 Fotodiodi in guida ottica Strutture innovative Strutture 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.

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

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) E/O conv E/O conv optical fiber Base station Mobile units 60 GHz IN OUT Base station

27 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 Lapproccio HHI

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32 Prime sperimatazioni wi-fi a Manhattan

33 Onde millimetriche Studio delle proprietà atomiche e molecolari della materiaStudio delle proprietà 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 wirelessRealizzazione di reti locali di comunicazione di tipo wireless Applicazioni Attraversano sostanze opache nel visibile e nellinfrarosso e rispetto ai raggi X sono meno distruttiveAttraversano sostanze opache nel visibile e nellinfrarosso e rispetto ai raggi X sono meno distruttive

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


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