ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-5-873-880ntv-55Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGРасчет и оптимизация оптической схемы фотоприемного модуля спектрального диапазона 1,3–1,6 мкмOptimization of the optical scheme of a photodetector module operating in the spectral range of 1.3–1.6 μmhttps://orcid.org/0000-0003-4858-4968КовачЯ. Н.KovachYa. N.

Ковач Яков Николаевич — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Yakov N. Kovach — Engineer

Saint Petersburg, 197101

j-n-kovach@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7471-8627АндрюшкинВ. В.AndryushkinV. V.

Андрюшкин Владислав Васильевич — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 57209329441

Vladislav V. Andryushkin — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 57209329441

 

vvandriushkin@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3056-8663КолодезныйЕ. С.KolodeznyiE. S.

Колодезный Евгений Сергеевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 56520395600

Evgenii S. Kolodeznyi — PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 56520395600

evgenii_kolodeznyi@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1983-0242НовиковИ. И.NovikovI. I.

Новиков Иннокентий Игоревич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 7202658480

Innokenty I. Novikov — PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 7202658480

innokenty.novikov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7862-971XПетренкоА. А.PetrenkoA. A.

Петренко Артем Александрович — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 57221166765

Artem A. Petrenko — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 57221166765

aapetrenko@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2953-0334КамарчукА. В.KamarchukA. V.

Камарчук Анна Владимировна — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Anna V. Kamarchuk — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

annakamarchuck@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6519-2897РочасС. С.RochasS. S.

Рочас Станислав Станиславович — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 57197720739

Stanislav S. Rochas — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 57197720739

stanislav_rochas@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5762-5920БауманД. А.BaumanD. A.

Бауман Дмитрий Андреевич — кандидат физико-математических наук, ведущий инженер

Санкт-Петербург, 197101

sc 57197463747

Dmitrii A. Bauman — PhD (Physics & Mathematics), Leading Engineer

Saint Petersburg, 197101

sc 57197463747

dabauman@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202211122024225873880Copyright © Ковач Я.Н., Андрюшкин В.В., Колодезный Е.С., Новиков И.И., Петренко А.А., Камарчук А.В., Рочас С.С., Бауман Д.А., 20242024Ковач Я.Н., Андрюшкин В.В., Колодезный Е.С., Новиков И.И., Петренко А.А., Камарчук А.В., Рочас С.С., Бауман Д.А.Kovach Y.N., Andryushkin V.V., Kolodeznyi E.S., Novikov I.I., Petrenko A.A., Kamarchuk A.V., Rochas S.S., Bauman D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/55Предмет исследования

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

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

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

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.

Optical system consisting of single-mode optical fiber and p-i-n photodiode semiconductor chip with InGaAs active layer was investigated. Considered photodetector module has responsivity in 1.3–1.6 µm. The problem of optical power loss due to inaccurate matching between the optical fiber and the active medium of photodiode in photodetector modules is investigated; resolving the power loss problem will lead to an increase in the spectral photosensitivity and external quantum efficiency of the photodetector module. Optimization of optical fiber coupling with semiconductor chip was implemented in Zemax® software with built-in Levenberg–Marquardt algorithm. Also, numerical calculations of the influence of the transverse and longitudinal displacement on optical coupling efficiency in the photodetector module were carried out. The optical system of photodetector module based on standard metal can package was built in Zemax® software. Optimal distances between elements of the photodetector module were calculated, and maximum efficiency of 93.1 % optical coupling between single-mode fiber and photodiode aperture was achieved. The necessary sensitivity of linear micro translators used during the assembly of photodetector modules was determined to ensure the alignment of optical elements with coupling efficiency more than 90 %. The results of this work can be used in the design of photodetector modules. The proposed solutions can be relatively easily modified to create photodetector modules of other spectral ranges.

оптическая стыковкафотоприемный модульоптимизацияпрограммный комплекс Zemax®optical couplingphotodetector moduleoptimizationZemax® softwareМоделирования 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».This work was supported by the Program of the Formation and Development of the NTI Center of Excellence in Photonics with the government support of the Foundation for National Technology Initiative’s Project Support and the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (grant agreement No. 70-2021-00309 of 12.18.2021; R&D contract No. 763 of 26.04.2022) for the part of optical modeling and photoresponsivity calculation and by Priority 2030 program for the part of heterostructure characterization.ReferencesTekin 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.2011.2113171Tekin T. Review of packaging of optoelectronic, photonic, and MEMS component. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, 2011, vol. 17, no. 3, pp. 704–719. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2011.2113171Zimmermann L., Preve G.B., Tekin T., Rosin T., Landles K. 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.2010.2084992Zimmermann L., Preve G.B., Tekin T., Rosin T., Landles K. Packaging and assembly for integrated photonics — a review of the ePIXpack photonics packaging platform. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, 2011, vol. 17, no. 3, pp. 645–651. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2010.2084992Fischer-Hirchert U.H.P. Photonic Packaging Sourcebook. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2015. 325 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25376-8Fischer-Hirchert U.H.P. Photonic Packaging Sourcebook. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2015, 325 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25376-8Zaboub 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.2015.12.010Zaboub M., Guessouma A., Demaghab N.-E., Guermata A. Fabrication of polymer microlenses on single mode optical fibers for light coupling. Optics Communications, 2016, vol. 366, pp. 122–126. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.12.010Latry O., Ketata M., Ketata K., Debrie R. 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/10.1088/0022-3727/28/8/004Latry O., Ketata M., Ketata K., Debrie R. Optimization of the coupling between a tapered fibre and a p-i-n photodiode // Journal of Physics D: Applied Physics, 1995, vol. 28, no. 8, pp. 1562–1572. https://doi.org/10.1088/0022-3727/28/8/004Sakai 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.2009.2020068Sakai 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, vol. 27, no. 17, pp. 3874–3879. https://doi.org/10.1109/JLT.2009.2020068Mangal N., Missinne J., Van Campenhout J., Snyder B., Van Steenberge G. Ball lens embedded through-package via to enable backside coupling between silicon photonics interposer and boardlevel interconnects // Journal of Lightwave Technology. 2020. V. 38. N 8. P. 2360–2369. https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2966446Mangal N., Missinne J., Van Campenhout J., Snyder B., Van Steenberge G. Ball lens embedded through-package via to enable backside coupling between silicon photonics interposer and boardlevel interconnects. Journal of Lightwave Technology, 2020, vol. 38, no. 8, pp. 2360–2369. https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2966446Ori T., Masuko K. Bi-directional optical module. Patent US7917036B2. 2011. P. 20.Ori T., Masuko K. Bi-directional optical module. Patent US7917036B2, 2011, pp. 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. Patent US9784919B2. 2017. P. 15.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. Patent US9784919B2, 2017, pp. 15.Baek J.-M., Park J.-W. Bidirectional optical transceiver. Patent US7281865B2. 2007. P. 13.Baek J.-M., Park J.-W. Bidirectional optical transceiver. Patent US7281865B2, 2007, pp. 13.Ball lans unit for transmitter/receiver optical sub assembly of transceiver, and apparatus and method for manufacturing the same. Patent KR100746260B1. 2007. P. 12. (in Korean)Ball lans unit for transmitter/receiver optical sub assembly of transceiver, and apparatus and method for manufacturing the same. Patent KR100746260B1, 2007, pp. 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. Patent US7298942B2. 2007. P. 14.Blasingame R.W., Chen B.S., Lee J.C., Orenstein J.D., Guenter J.K. Pluggable optical optic system having a lens fiber stop. Patent US7298942B2, 2007, pp. 14.Optical sub-module structure for optical fibre transceiver. Patent CN2607584Y. 2003. P. 20. (in Chinese)Optical sub-module structure for optical fibre transceiver. Patent CN2607584Y, 2003, pp. 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.2021.102766Lu 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, vol. 68, pp. 102766. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102766Junhong 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.2015.11.219Junhong 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, vol. 127, no. 6, pp. 3276–3280. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.11.219Ramesh 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/ICNETS2.2017.8067886Ramesh 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, pp. 10–13. https://doi.org/10.1109/ICNETS2.2017.8067886Yang C.-C., Huang Y.-H., Peng T.-C., Wu M.-C., Ho C.-L., Hong C.-C., Liu I.-M., Tsai Y.-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/10.1063/1.2432484Yang C.-C., Huang Y.-H., Peng T.-C., Wu M.-C., Ho C.-L., Hong C.-C., Liu I.-M., Tsai Y.-T. Monte Carlo ray trace simulation for micro-ball-lens-integrated high-speed InGaAs p-i-n photodiodes. Journal of Applied Physics, 2007, vol. 101, no. 3, pp. 033107. https://doi.org/10.1063/1.2432484Engelbrecht 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.2017.05.047Engelbrecht 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, vol. 535, pp. 8–12. https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.05.047Dinges H.W., Burkhard H., Lösch R., Nickel H., Schlapp W. 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-KDinges H.W., Burkhard H., Lösch R., Nickel H., Schlapp W. Refractive indices of InAlAs and InGaAs/InP from 250 to 1900 nm determined by spectroscopic ellipsometry. Applied Surface Science, 1992, vol. 54, pp. 477–481. https://doi.org/10.1016/0169-4332(92)90090-KDinges H.W., Burkhard H., Lösch R., Nickel H., Schlapp W. 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-KDinges H.W., Burkhard H., Lösch R., Nickel H., Schlapp W. 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, vol. 20, no. 1–2, pp. 180–182. https://doi.org/10.1016/0921-5107(93)90423-KPettit G.D., Turner W.J. Refractive index of InP // Journal of Applied Physics. 1965. V. 36. N 6. P. 2081. https://doi.org/10.1063/1.1714410Pettit G.D., Turner W.J. Refractive index of InP. Journal of Applied Physics, 1965, vol. 36, no. 6, pp. 2081. https://doi.org/10.1063/1.1714410Luke 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 ElectroOptics (CLEO). 2015. P. 7184257. https://doi.org/10.1364/CLEO_SI.2015.STu4I.8Luke 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, pp. 7184257. https://doi.org/10.1364/CLEO_SI.2015. STu4I.8Kolodeznyi 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.3222017-11Kolodeznyi 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, vol. 32, no. 2, pp. 194–197. https://doi.org/10.18720/MPM.3222017-11Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.: МИСИС, 2000. 432 с.Blistanov A.A. Crystals of Quantum and Nonlinear Optics. Moscow, MISIS Publ., 2000, 432 p. (in Russian)Korte S., Farrer I., Beere H.E., Clegg W.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.2008.08.052Korte S., Farrer I., Beere H.E., Clegg W.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.2008.08.052Kelly 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.62.001336Kelly 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.62.001336Курташ 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).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.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/10.1117/12.2591305Chen 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/10.1117/12.2591305Wang 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/s11082-011-9473-8Wang 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/s11082-011-9473-8Rochas S.S., Kolodeznyi E.S., Kozyreva O.A., Voropaev K.O., Sudas D.P., Novikov I.I., Egorov A.Yu. A heterostructure for resonantcavity 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/10.1088/1742-6596/1236/1/012071Rochas S.S., Kolodeznyi E.S., Kozyreva O.A., Voropaev K.O., Sudas D.P., Novikov I.I., Egorov A.Yu. A heterostructure for resonantcavity 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

The authors declare that there are no conflicts of interest present.