doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-5-873-880


УДК 621.383.522

Расчет и оптимизация оптической схемы фотоприемного модуля спектрального диапазона 1,3–1,6 мкм

Ковач Я.Н., Андрюшкин В.В., Колодезный Е.С., Новиков И.И., Петренко А.А., Камарчук А.В., Рочас С.С., Бауман Д.А.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Ковач Я.Н., Андрюшкин В.В., Колодезный Е.С., Новиков И.И., Петренко А.А., Камарчук А.В., Рочас С.С., Бауман Д.А. Расчет и оптимизация оптической схемы фотоприемного модуля спектрального диапазона 1,3–1,6 мкм // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 5. С. 873–880. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-5-873-880


Аннотация
Предмет исследования. Рассмотрен метод проектирования и оптимизации оптической схемы фотоприемного модуля, содержащего одномодовое оптическое волокно и полупроводниковый p-i-n фотодиод с активной областью InGaAs, чувствительной к оптическому излучению диапазона 1,3–1,6 мкм. Исследована проблема потерь оптической мощности при согласовании расположенных в фотоприемном модуле оптического волокна и активной области p-i-n фотодиода, что приводит к уменьшению спектральной фоточувствительности и внешней квантовой эффективности модуля. Метод. Оптимизация оптической схемы стыковки оптического волокна и p-i-n фотодиода выполнена с использованием программного комплекса Zemax® с применением встроенного алгоритма Левенберга–Марквардта. Выполнены численные расчеты влияния продольных и поперечных сдвигов оптического волокна на качество оптической стыковки в фотоприемном модуле и его фоточувствительность. Основные результаты. Предложена и оптимизирована оптическая схема фотоприемного модуля на базе стандартного металлостеклянного корпуса. Определено оптимальное расстояние между элементами системы, при котором более 93 % излучения, выходящего из оптического волокна, достигает активной области p-i-n фотодиода. Найдена предельная чувствительность линейных микротрансляторов, необходимых для сборки фотоприемных модулей и обеспечения юстировки оптических элементов. Получена эффективность согласования оптического волокна с активной областью p-i-n фотодиода более 90 %. Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при проектировании фотоприемных модулей инфракрасного диапазона. Предложенные решения найдут применение при создании фотоприемных модулей для использования в других спектральных диапазонах

Ключевые слова: оптическая стыковка, фотоприемный модуль, оптимизация, программный комплекс Zemax®

Благодарности. Моделирования оптических систем и расчетов фоточувствительности выполнены при финансовой поддержке Программы создания и развития Центра компетенций НТИ по направлению «Фотоника» при государственной поддержке Фонда поддержки проектов Национальной технологической инициативы и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (договор предоставления гранта № 70-2021-00309 от 18.12.2021; договор на выполнение ОКТР № 763 от 26.04.2022); в части характеризации гетероструктур работа выполнена при финансовой поддержке программы «Приоритет 2030».

Список литературы
  1. Tekin T. Review of packaging of optoelectronic, photonic, and MEMS components // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2011. V. 17.N 3. P. 704–719.https://doi.org/10.1109/JSTQE.2011.2113171
  2. Zimmermann L., Preve G.B., Tekin T., Rosin T., LandlesK.Packaging and assembly for integrated photonics– a review of the ePIXpack photonics packaging platform // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2011. V. 17.N 3. P. 645–651.https://doi.org/10.1109/JSTQE.2010.2084992
  3. Fischer-Hirchert U.H.P. Photonic Packaging Sourcebook. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015. 325 p.https://doi.org/10.1007/978-3-642-25376-8
  4. Zaboub M., Guessouma A., Demaghab N.-E., Guermata A. Fabrication of polymer microlenses on single mode optical fibers for light coupling // Optics Communications. 2016. V. 366.P. 122–126.https://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.12.010
  5. Latry O., Ketata M., Ketata K., DebrieR. Optimization of the coupling between a tapered fibre and a p-i-n photodiode // Journal of Physics D: Applied Physics. 1995. V. 28.N 8. P. 1562–1572.https://doi.org/10.1088/0022-3727/28/8/004
  6. Sakai K., Kawano M., Aruga H., Takagi S.-I., Kaneko S.-I., Suzuki J., Negishi M., Kondoh Y., Fukuda K.-I. Photodiode packaging technique using ball lens and offset parabolic mirror // Journal of Lightwave Technology. 2009. V. 27. N 17. P. 3874–3879.https://doi.org/10.1109/JLT.2009.2020068
  7. Mangal N., Missinne J., Van Campenhout J., Snyder B., Van SteenbergeG. Ball lens embedded through-package via to enable backside coupling between silicon photonics interposer and board-level interconnects // Journal of Lightwave Technology. 2020. V. 38.N 8. P. 2360–2369.https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2966446
  8. Ori T., Masuko K. Bi-directional optical module. PatentUS7917036B2.2011. P. 20.
  9. Wang K.-W., Lin C.-C., Li C.-J., Chang C., Shih T.-T., Chuang Y.-C.Wavelength division multiplexing and demultiplexing transistor outline (TO)-can assemblies for use in optical communications, and methods. PatentUS9784919B2. 2017. P. 15.
  10. Baek J.-M., Park J.-W. Bidirectional optical transceiver.PatentUS7281865B2. 2007. P. 13.
  11. Ball lans unit for transmitter/receiver optical sub assembly of transceiver, and apparatus and method for manufacturing the same. PatentKR100746260B1. 2007. P. 12. (in Korean)
  12. Blasingame R.W., Chen B.S., Lee J.C., Orenstein J.D., Guenter J.K.Pluggable optical optic system having a lens fiber stop. PatentUS7298942B2. 2007. P. 14.
  13. Optical sub-module structure for optical fibre transceiver. Patent CN2607584Y. 2003. P. 20. (in Chinese)
  14. Lu S., Zhang F., Xu C., Duan J.Coupling efficiency of a laser diode to a single-mode fiber via a microlens on the fiber tip // Optical Fiber Technology. 2022. V. 68. P. 102766.https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102766
  15. Junhong Y., Linhui G., Hualing W., Huicheneng M., Hao T., Songxin G., Deyong W. Analysis influence of fiber alignment error on laser–diode fiber coupling efficiency // Optik. 2016. V. 127.N 6. P. 3276–3280.https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.11.219
  16. Ramesh R., Tiwari N., Joshi P. Design of a coupling lens assembly and study on the impact of optical misalignments and variations of lens assembly on BER of a system // Proc. of the 2017 International Conference on Nextgen Electronic Technologies: Silicon to Software (ICNETS2). 2017. P. 10–13.https://doi.org/10.1109/ICNETS2.2017.8067886
  17. Yang C.-C., Huang Y.-H., Peng T.-C., WuM.-C., Ho C.-L., Hong C.-C., Liu I.-M., TsaiY.-T. Monte Carlo ray trace simulation for micro-ball-lens-integrated high-speed InGaAs p-i-n photodiodes // Journal of Applied Physics. 2007. V. 101.N 3. P. 033107.https://doi.org/10.1063/1.2432484
  18. Engelbrecht J.A.A. An assessment of some theoretical models used for the calculation of the refractive index of InXGa1−xAs // Physica B: Condensed Matter. 2018. V. 535. P. 8–12.https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.05.047
  19. Dinges H.W., Burkhard H., Lösch R., Nickel H., SchlappW. Refractive indices of InAlAs and InGaAs/InP from 250 to 1900 nm determined by spectroscopic ellipsometry // Applied Surface Science. 1992. V. 54. P. 477–481.https://doi.org/10.1016/0169-4332(92)90090-K
  20. Dinges H.W.,Burkhard H., Lösch R., Nickel H., SchlappW. Determination of refractive indexes of In0.52Al0.48As on InP in the wavelength range from 250 to 1900 nm by spectroscopic ellipsometry // Materials Science and Engineering: B. 1993. V. 20.N 1–2. P. 180–182.https://doi.org/10.1016/0921-5107(93)90423-K
  21. Pettit G.D., Turner W.J. Refractive index of InP // Journal of Applied Physics. 1965. V. 36.N 6. P. 2081.https://doi.org/10.1063/1.1714410
  22. Luke K., Okawachi Y., Lamont M.R.E., Gaeta A.L., Lipson M.Broadband mid-infrared frequency comb generation in a Si3N4 microresonator // Proc. of the Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO).2015.P. 7184257. https://doi.org/10.1364/CLEO_SI.2015.STu4I.8
  23. Kolodeznyi E.S., Novikov I.I., Gladyshev A.G., Rochas S.S., Sharipo K.D., Karachinsky L.Ya., Egorov A.Yu., Bougrov V.E. Study of antireflection coatings for high-speed 1.3 -1.55 µm InGaAs/InP PIN photodetector // Materials Physics and Mechanics. 2017. V. 32.N 2. P. 194–197.https://doi.org/10.18720/MPM.3222017-11
  24. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.: МИСИС, 2000. 432 с.
  25. Korte S., Farrer I., Beere H.E., CleggW.J. Discontinuous yield in InGaAs thin films // Surface and Coatings Technology. 2008. V. 203.N 5–7.P. 713–716. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.08.052
  26. Kelly R.L. Program of the 1972 Annual Meeting of the Optical Society of America // Journal of the Optical Society of America. 1972. V. 62.N 11. P. 1336.https://doi.org/10.1364/JOSA.62.001336
  27. Курташ В.А., Егоренков А.А. Исследование оптических свойств структур фотокатода InP/InGaAs/InP //Материалы XI Ежегодной научно-технической конференции молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники» 14-15 апреля 2020 г. Базовый научный центр АО ЦНИИ «Электрон» [Электронный ресурс].URL:http://www.niielectron.ru/issledovanie-opticheskih-svojstv-struktur-fotokatoda-inp-ingaas-inp/, свободный(дата обращения:01.09.2022).
  28. Zemax User’s Manual. 2014. 879 p.
  29. Chen S., Chen J. Optimization of absorption layer in InGaAs/InP uni-traveling carrier photodiode // Proceedings of SPIE. 2021.V. 11781.P. 117811E.https://doi.org/10.1117/12.2591305
  30. Wang X.D., Hu W.D., Chen X.S., Xu J.T., Li X.Y., Lu W.Photoresponse study of visible blind GaN/AlGaN p-i-n ultraviolet photodetector // Optical and Quantum Electronics. 2011.V. 42. N 11. P. 755–764.https://doi.org/10.1007/s11082-011-9473-8
  31. Rochas S.S., KolodeznyiE.S., KozyrevaO.A., VoropaevK.O., SudasD.P., NovikovI.I.,EgorovA.Yu. A heterostructure for resonant-cavity GaAs p-i-n photodiode with 840-860 nm wavelength // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1236.N 1. P. 012071.https://doi.org/10.1088/1742-6596/1236/1/012071


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика