LU CFI zinātniskais seminārs (17.09.2014)

Fotonikas industrija ir viena no šī brīža straujāk augošajām un populārākajām nozarēm. Sagaidāms, ka tuvākajā laikā fotonika nodrošinās straujāko izaugsmi informāciju tehnoloģiju (IT) industrijā [1], kurā nepieciešami lēti un efektīvi risināju datu pārsūtīšanai un apstrādei. Pēdējā desmitgadē novērots, ka datu pārraides apjoms ik gadu palielinās eksponenciāli [2]. Šāda pieprasījuma apmierināšanai tuvākajā laikā būs jārada jaunas fotonikas ierīces, kas spēs darboties ātrāk un ar mazāku enerģijas patēriņu. Viena no svarīgākajām komponentēm, kas nosaka datu pārraides ātrumu, ir elektro-optiskais (EO) modulators. EO modulators ir ierīce, kurā ar elektriskā lauka palīdzību tiek modulēta gaismas intensitātē vai fāze tādejādi nodrošinot informācijas pārraidi. EO modulāciju iespējamību nodrošina nelineāri optisks (NLO) materiāls. Šobrīd komerciāli pieejamos, kā arī tīkla izmantotos EO modulatoros kā aktīvo vidi izmanto litija niobātu (LiNbO₃) [3]. LiNbO₃ ir neorganisks NLO materiāls ar zemiem EO un absorbcijas koeficientiem, bet ar augstu dielektrisko caurlaidību. Galvenokārt šo fizikālo īpašību dēļ EO modulatori, kuros tiek izmantots LiNbO₃, nespēj darboties ātrāk par 100 GHz [4]. Par labu alternatīvu LiNbO₃ šobrīd tiek uzskatīti organiski NLO materiāli. Galvenās organisko materiālu priekšrocības ir to zemās dielektriskās caurlaidības, augsta nelinearitāte (EO koeficienti līdz pat 300 pm/V), zema cena u.c [5]. Līdz ar to, aiz vien lielākas pūles tiek veltītas, lai EO modulatoros viļņvadu struktūras izstrādātu no organiskiem NLO aktīviem materiāliem [6]. Jau 2010. gadā viens no telekomunikāciju tehnoloģiju industrijas līderiem GigOptix demonstrēja komerciāli pieejamu EO modulatoru, kas veidots no organiskiem NLO aktīviem viļņvadiem un spēj darboties ar ātrdarbību līdz 100 Gb/s. Diemžēl līdz šim izmantotajiem organiskiem EO materiāliem ir nepietiekama termiskā stabilitāte, kas ierobežo to pielietošanu komunikāciju tīkla infrastruktūrās. Šī iemesla dēļ vēl joprojām tiek meklēti un pētīti piemēroti organisku NLO materiāli un izstrādātas jaunas EO modulatoru struktūras. Šajā darbā autors demonstrē pētījumu rezultātus, kas iegūti meklējot risinājumus 1. NLO organisku materiālu sagatavošanā un orientēšanā; 2. metožu ieviešanā, kas paredzētas organisku materiālu lineāri un nelineāri optisko īpašību noteikšanā; 3. jaunu ar CMOS procesu savietojamu EO modulatoru struktūru izstrādē un modelēšanā. Viens no priekšnosacījumiem NLO organiska materiāla izmantošanai EO modulatoros ir augsta otrās kārtas nelinearitāte. Šāda īpašība piemīt tikai tiem materiāliem, kuri pieder pie necentrosimetrisko materiālu klases. Lai polimēri kļūtu necentrosimetriski, tie ir jāorientē elektriskā laukā pie temperatūras, kas ir tuva tā stiklošanās temperatūrai. Viena no perspektīvākajām metodēm EO organisku materiālu orientēšanai ir orientēšana ar joniem, kas rodas Koronas izlādes procesā [7]. Šādi polimērus orientē ar Koronas triodes ierīci, ar kuru orientēšanas procesā iespējams novērtēt materiālam uzlikto elektrisko lauku, kā arī, pateicoties triodes konfigurācijā, turēt jonu avotu stabilā režīmā. Veicot NLO aktīvu polimēru orientēšanu pie noteiktiem parametriem, novērots, ka orientētajā daļā uz materiāla virsmas un tā tilpumā rodas neregularitātes, kas būtiski samazina kopējo novērojamo NLO aktivitāti. Šo nehomogenitāšu blīvums ir atkarīgs no uzliktā lauka stipruma, orientēšanas temperatūras un pirms-orientēšanas parametriem. Veicot orientēšanas procesa optimizāciju, iegūta parametru kopa, pie kuriem nehomogenitātes neparādās, savukārt NLO aktivitātē novērojams desmitkārtīgs pieaugums. Lai skaidrotu virsmas un tilpuma neregularitāšu būtību un to veidošanās iemeslus, tiek veikti optiskā, otrās harmonikas un elektrona mikroskopa mērījumi, kā arī pētīta materiālu vadāmība. Pēc NLO organisku materiālu orientēšanas, nepieciešams raksturot to optiskās īpašības. Lai noteiktu materiāla biezumu un laušanas koeficienta atkarību no viļņa garuma, tika ieviesta spektrālās reflektometrijas metode, kā arī Kramers-Kronig transformācijas. Materiāla nelineāritātes novērtēšanai nepieciešams noteikt tā EO koeficientu, ko var mērīt ar dažādām optiskām metodēm [8], no kurām populārākās ir Fabri-Pero interferometriskā metode, transmisijas polarimetriskā metode, Maha-Zendera interferometriskā (MZI) metode, Tenga-Mana (TM) metode, kā arī vājinātās iekšējās atstarošanās (ATR) metode [9]. Autors demonstrēs eksperimentāli iegūtos plānu organisku kārtiņu EO koeficientu mērījumus, kas veikti ar trīs ieviestām metodēm – MZI, TM un ATR. Tiks parādīts, ka TM un MZI eksperimentālos datus var labi aprakstīt skaitliski ar metodi, kas balstīta uz Abelsa matricu formālismu. Šī metode ļauj ne tikai ņemt vērā interferences efektus plānajās kārtiņās, bet arī biezuma un absorbcijas modulācijas, kas var būtiski ietekmēt visu ieviesto metožu precizitāti. Darba izskaņā demonstrēta jauna tipa patentēšanai iesniegta EO modulatora struktūra, kurā izmantots NLO aktīvs polimērs. Demonstrētās struktūras lielākā priekšrocība ir tā vienkārša pagatavošana, kā arī iespēja pagatavošanas procesu iekļaut CMOS apstrādes ciklā. Pie noteiktiem parametriem šāds EO modulators spētu darboties komunikāciju logos, kas atrodas 800 – 900 nm un 1260 – 1675 nm diapazonos. Prezentācijā tiks apskatīti EO modulatora izstrādes soļi, skaitliski optimizācijas rezultāti, kā arī uzsvērti šāda modulatora priekšrocības un trūkumi. References  

1. A Photonics Private Public Partnership in Horizon2020, Photonics21 strategic roadmap, 1-52 (2014)
2. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology 2012–2017 (2013)
3. M. Minakata, “Recent Progress of 40 GHz high-speed LiNbO3 optical modulator”, Proc. SPIE 4532, 16 (2001).
4. T. Gorman, S. Haxha, “Design Optimisation of Z-Cut Lithium Niobate Electrooptic Modulator With Profiled Metal Electrodes and Waveguides”, J. Lightwave Technology 25(12), 3722-3729 (2007). Photon. Technol.Lett. ,5,pp.3O7-3lO, 1993
5. L. R. Dalton, “Rational design of organic electro-optic materials”, J. Phys.: Condens. Matter, 15, 897–934 (2003)
6. R. A. Norwood, C. DeRose, Y. Enami, H. Gan, C. Greenlee, R. Himmelhuber, O. Kropachev, C. Loychik, D. Mathine, Y. Merzylak, M. Fallahi, N. Peyghambarian, “Hybrid Sol-gel electro-optic polymer modulators: beating the drive voltage/loss tradeoff,” J. Nonlinear. Opt. Phys 16, 217-230 (2007)
7. D. Möncke, G. Mountrichas, S. Pispas, E. I. Kamitsos, V. Rodriguez, „SHG and orientation phenomena in chromophore DR1-containing polymer films” Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications 9, 119–124 (2011)
8. M. Dumont, Y. Levy, D. Morichere, “Electro optic organic waveguides: optical characterization,” Organic molecules for nonlinear optics and photonics 194, 461-480 (1991)
9. M. Aillerie, N. Theofanous, “Measurement of the electro-optic coefficients: description and comparison of the experimental techniques,” Appl. Phys. B 70, 317–334 (2000)