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

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.

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., 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.2010.2084992

3. Fischer-Hirchert U.H.P. Photonic Packaging Sourcebook. SpringerVerlag 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., 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/10.1088/0022-3727/28/8/004

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 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.2020.2966446

8. Ori T., Masuko K. Bi-directional optical module. Patent US7917036B2. 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. Patent US9784919B2. 2017. P. 15.

10. Baek J.-M., Park J.-W. Bidirectional optical transceiver. Patent US7281865B2. 2007. P. 13.

11. 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)

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. Patent US7298942B2. 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., 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/10.1063/1.2432484

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., 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-K

20. Dinges 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-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 ElectroOptics (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.