Меню
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
![](/pic/nikiforov.jpg)
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
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
Читать статью полностью
![](/images/pdf.png)
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
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
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
Ori T., Masuko K. Bi-directional optical module. PatentUS7917036B2.2011. P. 20.
-
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.
-
Baek J.-M., Park J.-W. Bidirectional optical transceiver.PatentUS7281865B2. 2007. P. 13.
-
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)
-
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.
-
Optical sub-module structure for optical fibre transceiver. Patent CN2607584Y. 2003. P. 20. (in Chinese)
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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
-
Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.: МИСИС, 2000. 432 с.
-
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
-
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
-
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).
-
Zemax User’s Manual. 2014. 879 p.
-
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
-
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
-
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