ITMI20122216A1 - Sistema di rivelazione di radiazione ottica includente un circuito di misura di parametri elettrici - Google Patents
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Description
"Sistema di rivelazione di radiazione ottica includente un circuito di misura di parametri elettrici"
CAMPO TECNICO
La presente descrizione si riferisce ad una tecnica di monitoraggio o rivelazione dello stato di un mezzo ottico quale, per esempio, un componente ottico o un circuito ottico.
TECNICA NOTA
Sono noti diversi dispositivi impiegabili per la rivelazione o il monitoraggio dello stato di un mezzo ottico basati sulla conversione della radiazione ottica in segnale elettrico.
L'articolo di M. W. Geis, et al., "CMOS-Compatible Ali-Si High-Speed Waveguide Photodiodes With High Responsivity in Near-Infrared Communicat ion Band," Photonics Technology Letters, IEEE , voi. 19, no. 3, pp.152-154, Feb.l, 2007 (http ://dx .doi.org/10.1109/LPT.2006. 890109) descrive un fotodiodo per circuiti ottici in silicio avente lo scopo di convertire la luce in corrente elettrica.
Nell'articolo di A. Rumar et al., "Power monitoring in dielectric-loaded surface plasmonpolariton waveguides", Opt. Express 19, 2972-2978, 2011 (http ://www .opticsinfobase .org/oe/abstract .cfm? URI=oe- 19-4-297 2) è presentato un dispositivo per il monitoraggio della intensità di luce in una guida d'onda plasmonica. Tale dispositivo è progettato specificatamente per guide plasmoniche e sfrutta il riscaldamento del metallo dovuto all'assorbimento della luce.
Il documento US-A-7792393 descrive un fotorivelatore dotato di un elettrodo metallico posto direttamente sul nucleo di una guida d'onda in silicio per aumentare la quantità di potenza ottica assorbita e convertita in forma elettrica.
Il documento US-2 007-A-l89688 mostra un fotorivelatore che preleva il segnale ottico per convertirlo in un formato elettrico, che comprende due strati: uno strato per guidare la luce ed un secondo strato per assorbire la luce.
Il documento US-2010-A- 6614213 si riferisce ad un fotorivelatore che si basa esclusivamente sull'effetto di assorbimento a due fotoni (TPA) e che estrae una quantità superiore al 15% della potenza della luce presente all'interno di una guida d'onda.
US-2003-A-213895 descrive una tecnica di monitoraggio delle prestazioni e della potenza ottica di un chip impiegante un fotodiodo montato sul chip stesso in modo da intercettare parte della luce che fuoriesce da una guida d'onda per effetti di radiazione o diffusione.
Queste tecniche convenzionali presentano lo svantaggio di prelevare una parte della radiazione ottica dal mezzo ottico da monitorare, introducendo una perturbazione nel comportamento e nelle prestazioni del mezzo stesso.
Nell'articolo di A. Gumennik "Ali-in- Fiber Chemical Sensing" Advanced Materials, 2012 (http ://onlinelibrary.wiley. com/do i/10.1002/ adma.2012 03053/abstract) è descritto un dispositivo in cui la presenza di radiazione luminosa viene rivelata attraverso la variazione di impedenza indotta in un mezzo assorbente. Il dispositivo è progettato per assorbire la radiazione luminosa (nello specifico emessa in loco da una reazione chimica) , inducendo una forte perturbazione della radiazione stessa. In particolare viene aggiunto alla fibra ottica uno strato di materiale calcogenuro fortemente assorbente alle lunghezze d'onda di interesse e viene osservata la variazione dei parametri elettrici di questo materiale a seguito di tale assorbimento.
SOMMARIO
La Richiedente ha affrontato il problema di fornire una tecnica di rivelazione di radiazione ottica in un mezzo ottico trasmissivo che causi una perturbazione della radiazione che interessa il mezzo ottico ridotta rispetto a quanto avviene nei dispositivi realizzati secondo le tecniche convenzionali o che risulti addirittura trascurabile.
Una soluzione alla problematica sopra indicata è offerta da un sistema di rivelazione di radiazione ottica come descritto nella rivendicazione 1 e da sue forme di realizzazione particolari descritte nelle rivendicazioni indipendenti.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Verranno di seguito descritte alcune forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:
la figura 1 mostra una prima forma di attuazione di un sistema di rivelazione di radiazione ottica comprendente un mezzo ottico;
la figura 2 mostra un vista prospettica di una guida d'onda ottica impiegabile in detto sistema;
la figura 3 mostra una sezione trasversale di un esempio di guida d'onda ottica di tipo ridge;
la figura 4 mostra una sezione trasversale di un esempio di guida d'onda ottica di tipo rib;
la figura 5 mostra una forma di realizzazione particolare del sistema di rivelazione di figura 1 che impiega un circuito di misura strutturato secondo la tecnica del sensing di corrente accoppiato con il rilevamento sincrono (lock-in);
la figura 6 mostra un esempio di realizzazione di una guida d'onda integrata e di un elettrodo integrato impiegabili in detto sistema di rivelazione;
le figure 7(a) e 7(b) mostrano esempi di realizzazione di guide d'onda ed elettrodi integrati;
le figure 8(a), 8(b) e 8(c) mostrano schematicamente sezioni trasversali di esempi di guide d'onda ottiche in tecnologia a semiconduttore impiegabili come mezzo ottico per detto sistema di rivelazione;
la figura 9 mostra una sezione trasversale di un esempio di guida d'onda ottica integrata su una piattaforma di tipo silicio-su-isolante, SOI;
le figure 10(a) e 10(b) mostrano in sezione trasversale ulteriori esempi di guide d'onda realizzate in tecnologia al fosfuro di indio (InP); la figura 11(a) mostra in sezione trasversale una prima guida d'onda sperimentale integrata su silicio e impiegata per un primo esperimento;
la figura 11(b) mostra una sezione longitudinale della guida d'onda di figura 11(a) sovrapposta al suo circuito equivalente elettrico;
la figura 12 (a) mostra una curva sperimentale rappresentativa della variazione della conduttanza associata alla guida d'onda di figura 11(a) in funzione della potenza ottica;
la figura 12(b) mostra due curve ciascuna indicativa della misura del rapporto tra la potenza del segnale ottico di disturbo indotto dal sistema di rivelazione e la potenza della radiazione ottica in continua, per due livelli di potenza ottica nella guida d'onda;
la figura 13(a) mostra in sezione trasversale una seconda guida d'onda sperimentale integrata su fosfuro di indio InP e impiegata per un secondo esperimento;
la figura 13 (b) mostra una curva rappresentativa della variazione della conduttanza della guida d'onda di figura 13(a) in funzione della potenza ottica locale;
la figura 14 mostra una seconda forma di attuazione del sistema di rivelazione di radiazione ottica comprendente una pluralità di componenti ottici ;
la figura 15(a) mostra un esempio di risonatore Fabry-Pérot impiegabile come mezzo ottico nel sistema di figura 1 o di figura 14;
la figura 15(b) mostra un esempio di risonatore ad anello impiegabile come mezzo ottico nel sistema di figura 1 o di figura 14;
le figure 16(a) e 16(b) mostrano curve relative alla trasmissione e all'aumento della potenza all'interno del risonatore Fabry-Pérot di figura 15(a), in funzione della frequenza normalizzata;
la figura 17(a) mostra un esempio di mezzo ottico comprendente una cascata di risonatori ottici, la figura 17(b) mostra l'andamento della trasmittanza di detta cascata di risonatori ottici, in funzione della frequenza normalizzata;
la figura 17 (c) mostra schematicamente un esempio di realizzazione di risonatore ad anello munito di un attuatore ottico;
la figura 18 mostra un altro esempio di sistema di rivelazione di radiazione ottica comprendente un interferometro di tipo Mach-Zehnder ;
la figura 19 (a) mostra un ulteriore esempio di detto sistema di rivelazione strutturato per l'accoppiamento ottico fra una fibra ottica e una porta di ingresso di una guida d'onda;
la figura 19(b) mostra un altro esempio di detto sistema di rivelazione strutturato per l'accoppiamento ottico fra una fibra ottica e una guida d'onda attraverso l'uso di un reticolo di accoppiamento;
la figura 20 mostra un altro esempio del sistema di rivelazione strutturato per misure di test su un wafer sul quale sono integrati componenti ottici.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La figura 1 mostra schematicamente un primo esempio di un sistema di rivelazione di radiazione ottica 100 includente un mezzo ottico 1, almeno un primo elettrodo 2 ed un blocco elettrico di sonda 200, a sua volta comprendente un generatore di energia elettrica 4 (G) ed un circuito elettrico di misura 50 (M-C) .
Più in dettaglio, il mezzo ottico 1 comprende una regione ottica 5 adatta alla trasmissione della radiazione ottica Sope tale da presentare almeno un parametro elettrico variabile in funzione della radiazione ottica che lo attraversa. La radiazione ottica Sopcomprende la radiazione alle frequenze ottiche, e in particolare le lunghezze d'onda del medio e vicino infrarosso e del visibile, cioè da 10 μm a 300 nm di lunghezza d'onda. Inoltre, si intendono incluse nella radiazione ottica Sopanche la radiazione con lunghezza d'onda compresa fra 10 pm e 100 pm e la radiazione ultravioletta UV avente cioè lunghezza d'onda compresa fra 100 nm e 300 nm .
Un mezzo ottico, oppure una regione di tale mezzo ottico, è definibile come "trasmissivo" o equivalentemente "adatto alla trasmissione della radiazione ottica" se, un proprio coefficiente di trasmissione, e cioè il rapporto fra una potenza della radiazione ottica di uscita Poutdal mezzo ottico e una potenza della radiazione ottica di ingresso Pinal mezzo ottico, è maggiore di 0,5, preferibilmente maggiore di 0,8, più preferibilmente maggiore di 0,9, e ancora più preferibilmente maggiore di 0,95.
Si noti che i valori del coefficiente di trasmissione sopra indicati si riferiscono non necessariamente all'intero spettro di frequenze indicato nel definire la radiazione ottica Sop, ma possono riferirsi anche solo ad una porzione di tale spettro .
Inoltre, come meglio chiarito più avanti, tale coefficiente di trasmissione si intende valutato considerando le potenze Pine Poutpresenti, rispettivamente, ad una porta di ingresso e ad una porta di uscita della regione 5 o del mezzo ottico 1 individuate in corrispondenza di detto almeno un primo elettrodo 2.
Il mezzo ottico 1 di tipo trasmissivo è, ad esempio, una guida d'onda quale una fibra ottica, una guida d'onda integrata oppure un altro tipo di componente ottico integrato. In particolare, il mezzo ottico 1 comprende una guida d'onda integrata, che può essere, esemplificativamente, di tipo ridge o di tipo rib. Secondo altri esempi, il mezzo ottico 1 include guide realizzate in tecnologie cristallo fotonico, guide ottenute attraverso processi di diffusione (ad esempio titanio diffuso in un cristallo di niobato di litio), guide slot.
Con riferimento ai possibili materiali cui il mezzo ottico 1 può essere realizzato, possibili realizzazioni includono materiali semiconduttori, come ad esempio una piattaforma tecnologica siliciosu-isolante oppure in tecnologia fosfuro di indio. Altri possibili materiali includono ad esempio, niobato di litio, silicio amorfo, AlGaAS e sue combinazioni con altri materiali, in particolare quelli appartenenti al gruppo III-V (per esempio, InP) , germanio e sue combinazioni con altri materiali , in particolare quelli appartenenti al gruppo IV (per esempio Si).
Più avanti verranno descritti degli esempi di realizzazione secondo alcune delle tecnologie sopra elencate .
Con riferimento al parametro elettrico del mezzo ottico 1, che risulta funzione della radiazione ottica, tale parametro può essere uno o più delle seguenti grandezze elettriche: l'impedenza del mezzo ottico 1 e, in particolare, la sua resistenza e/o la sua capacità. Inoltre, tale parametro elettrico può essere anche la tensione elettrica (misurata applicando una corrente) e/o la corrente elettrica (misurata applicando una tensione) che interessano il mezzo ottico 1.
Il primo elettrodo 2 è accoppiato elettricamente al mezzo ottico 1 ed è disposto ad una distanza tale dalla regione 5 tale da non perturbare la radiazione ottica che attraversa il mezzo ottico 1 o da perturbarla in modo trascurabile. Il sistema di rivelazione di radiazione ottica 100 può anche comprendere almeno un secondo elettrodo 3 anch'esso accoppiato elettricamente al mezzo ottico 1 e disposto ad una distanza dalla regione 5 tale da non perturbare la radiazione ottica che attraversa il mezzo ottico 1 o da perturbarla in modo trascurabile.
In particolare, il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 sono disposti a contatto con il mezzo ottico 1 ma ad una relativa distanza dalla regione 5 interessata dalla radiazione ottica tale per cui il campo elettrico associato alla radiazione ottica sia trascurabile.
Per esempio, con riferimento ad elettrodi metallici o ad altri materiali che possono avere un effetto perturbativo del campo ottico, la distanza d del primo elettrodo 2 da una zona della regione 5 in cui l'intensità del campo elettrico della radiazione ottica è massimo E0è scelta in modo tale che nella zona in cui è posizionato il primo elettrodo 2 il campo E(d) (inferiore al campo massimo EQ) soddisfi la seguente relazione espressa in decibel:
R= |E0/E (d)I<2>> 10 dB, preferibilmente, R è maggiore di 20 dB, più preferibilmente R è maggiore di 30 dB e ancora più preferibilmente R è maggiore di 40 dB .
Almeno uno fra il primo ed il secondo elettrodo 2 e 3 può essere un elemento metallico o può essere realizzato in altri materiali conduttivi come, per esempio, il polisilicio, eventualmente drogato p o n. Inoltre, uno od entrambi fra il primo ed il secondo elettrodo 2 e 3 può coincidere con una porzione strutturale del mezzo ottico 1, come sarà indicato esemplificativamente più avanti.
Secondo ulteriori forme di attuazione, il primo 2 e/o il secondo elettrodo 3 possono essere realizzati in materiali elettricamente conduttivi, ma otticamente trasparenti, come ITO (ossido di titanio e indio) e AZO (ossido di zinco e alluminio), o in alternativa semiconduttori fortemente drogati (in particolare silicio e InP) . I materiali otticamente trasparenti assicurano una minore perturbazione del campo elettrico all'interno della regione 5 e per essi si può adottare una distanza d dalla regione 5 inferiore a quella ottenibile sulla base delle relazioni sopra indicate relative al rapporto R |E0/E (d)|<2>.
Si osservi che la regione 5 rispetta i valori indicati del rapporto fra le potenze ottiche di uscita P0ute di ingresso Pinconsiderando come porte di ingresso ed uscita in cui valutare queste potenze due sezioni estreme contrapposte della regione 5 della quale si vuole misurare il parametro elettrico. In particolare, le porte di ingresso e di uscita possono essere definite in corrispondenza dell'inizio e della fine dell'elettrodo 2, nella direzione di propagazione della radiazione ottica.
Nel caso di impiego sia del primo elettrodo 2 sia del secondo elettrodo 3, le porte di ingresso e di uscita possono essere definite in corrispondenza di una prima sezione prossima ad un estremo iniziale del primo elettrodo 2 e una seconda sezione prossima ad un estremo finale del secondo elettrodo 3, nella direzione di propagazione della radiazione ottica.
Si noti anche che l'accoppiamento elettrico del primo elettrodo 2 e del secondo elettrodo 3 con il mezzo ottico 1 può essere, in particolare, di tipo capacitivo e/o resistivo ed è quindi schematizzabile con una relativa impedenza di accesso. In particolare, l'accoppiamento elettrico fra il primo elettrodo 2 ed il mezzo ottico 1 è schematizzabile mediante una prima impedenza di accesso Z1mentre l'accoppiamento elettrico fra il secondo elettrodo 3 ed il mezzo ottico 1 è schematizzabile con una seconda impedenza di accesso Z2. I valori della prima impedenza Z1e della seconda impedenza Z2sono noti in quanto fissati in fase di progetto.
Il generatore di energia elettrica 4 è, per esempio, collegato al primo elettrodo 2 ed è strutturato per fornire un segnale elettrico Sein tensione o in corrente, in continua o in alternata. In particolare, nel caso in cui il primo 2 ed il secondo elettrodo 3 realizzino un accoppiamento capacitivo il generatore 4 genera un segnale Sein alternata (AC) mentre in caso di accoppiamento resistivo il segnale Sepuò essere in continua.
L'ampiezza del segnale elettrico Seè tale da evitare sostanzialmente qualsiasi effetto indesiderato delle proprietà ottiche del mezzo ottico 1 quale, per esempio, uno dei seguenti effetti: elettroottico, effetto Kerr, effetto di elettrostrizione, effetto piezoelettrico, effetto termico, iniezione/rimozione di portatori, effetto acus toottico .
Il circuito elettrico di misura 50 collegato, secondo l'esempio di figura 1, al secondo elettrodo 3 è strutturato per fornire un segnale elettrico di misura Serappresentativo di una variazione di detto parametro elettrico del mezzo ottico 1. In particolare, il circuito elettrico di misura 50 è in grado di effettuare una misura della variazione di un'impedenza elettrica Z0associata al mezzo ottico 1. Tale misura della variazione dell'impedenza elettrica Z0può essere effettuata anche in modo indiretto cioè mediante una misura della variazione della corrente o della tensione che interessano il mezzo ottico 1.
Il circuito elettrico di misura 50 può essere tale da implementare una qualsiasi tecnica di misura di impedenza quale, ad esempio: una tecnica basata sull'eccitazione sinusoidale del primo elettrodo 2 (ad una singola frequenza o a più frequenze), una tecnica che sfrutta il sensing di corrente accoppiato con il rilevamento sincrono (lock-in), tecniche basate su circuiti a ponte, a mezzo-ponte (per esempio, nella configurazione a partitore raziometrico ), a ponte intero (per esempio, ponte di Wheatstone), nonché tecniche basate sulla trasformata veloce di Fourier FFT (Fast Fourier Transform) e tecniche risonanti .
Il circuito elettrico di misura 50 può anche essere configurato per realizzare tecniche di misura nel dominio del tempo (basate sull'analisi della risposta del mezzo ottico 1 ad un segnale di stimolazione Sediverso da una sinusoide, come segnali a gradini, impulsi o onde quadre) . Si noti che le tecniche di misura nel dominio del tempo permettono l'impiego di circuiti di condizionamento relativamente semplici.
Il circuito elettrico di misura 50 può essere realizzato, per esempio, sia con componenti discreti commerciali sia con circuiti integrati dedicati (ASIC), in particolare fabbricati in tecnologia CMOS standard.
Il sistema di rivelazione di radiazione ottica 100 può anche comprendere un modulo di calcolo 6 (per esempio un processore dotato di un relativo software) in grado di associare, in una fase di calibrazione, la variazione misurata del parametro elettrico (quale l'impedenza Z0)ad un valore della variazione della potenza della radiazione ottica che interessa il mezzo ottico 1.
Questa calibrazione può essere effettuata sulla base di una funzione di associazione predeterminata (per esempio, schematizzabile con una tabella di valori) ottenuta sperimentalmente in seguito ad una caratterizzazione del mezzo ottico 1.
Un primo esempio mezzo ottico 1 è mostrato in figura 2, la quale illustra una prima guida d'onda ottica WG1 .
La prima guida d'onda ottica WG1 comprende una regione interna 5 di un materiale ad alto indice di rifrazione nco, generalmente indicato come regione di core (o nucleo), circondata da una regione esterna 8 di materiale con indice di rifrazione inferiore (nc1), generalmente indicato come cladding (rivestimento).
In tale struttura, il campo elettromagnetico associato alla radiazione ottica è principalmente confinato nella regione di core 5 e la luce si propaga lungo l'asse longitudinale z della prima guida d'onda WG1, mentre la propagazione nel piano xy trasversale è prevalentemente inibita.
La regione del core 5 può essere realizzata sia in materiale omogeneo avente un indice di rifrazione ncosingolo o da un insieme di materiali diversi con una pluralità di differenti indici di rifrazione nco1, nc02, nco3, ... .
Analogamente, la regione di rivestimento 8 può essere realizzata sia con un unico materiale omogeneo con indice di rifrazione singolo nc1, sia da un insieme di materiali con differente indice di rifrazione ncn, nc12, nc13, ... .
I materiali sia del nucleo 5 che della regione di rivestimento 8 hanno preferibilmente una elevata trasparenza alla frequenza della radiazione luminosa. A seconda del contrasto di indice di rifrazione (definito come Δη = (nco- nc1) / nc1, in modo analogo) della regione del core 5 e della frequenza della radiazione luminosa, la prima guida d'onda WG1 può sostenere la propagazione della luce su uno o più modi di propagazione. La prima guida d'onda WG1 può essere monomodale oppure multimodale con un numero arbitrario di modi e per ogni stato di polarizzazione della radiazione.
Le figure 3 e 4 mostrano rispettivamente un secondo ed un terzo esempio di mezzo ottico 1 quali: una seconda guida d'onda integrata WG2 di tipo ridge (figura 3) e una terza guida d'onda ottica integrata WG3 di tipo rib (figura 4).
Nel caso di figura 3, la seconda guida d'onda WG2 include uno strato di materiale di nucleo 5, con indice di rifrazione ncoed altezza h, realizzato su un primo strato 8 di indice di rifrazione ncche forma il rivestimento inferiore. Lo strato di materiale di nucleo 5 è coperto da un materiale di rivestimento superiore 20, di indice di rifrazione nc12,che forma il rivestimento superiore.
Il rivestimento inferiore 8 e quello superiore 20 possono essere dello stesso materiale o di materiali diversi. Ad esempio, l'aria può essere utilizzata come materiale sia per il rivestimento inferiore 8 sia per quello superiore 20. Il materiale di nucleo 5 presenta una regione centrale con larghezza w ed altezza h e regioni laterali di spessore s inferiore ad h.
La terza guida d'onda WG3, mostrata in figura 4, presenta il nucleo 5 di sezione rettangolare con dimensioni w x h posto al di sopra di un rivestimento inferiore 8 che forma una regione rialzata di larghezza w e spessore e. Anche in questa configurazione le regioni di rivestimento inferiore 8 e superiore 20 possono essere realizzate da uno stesso materiale o da materiali diversi.
In relazione al funzionamento del sistema di rivelazione 100 impiegante, per esempio, come mezzo ottico 1 la prima guida d'onda WG1, si osservi che quando la radiazione ottica Sopattraversa la prima guida d'onda WG1 diversi meccanismi fisici possono originare una variazione nel parametro elettrico della guida rivelando la presenza della radiazione stessa. Alcuni di questi meccanismi sono:
Riscaldamento termico, causato dall'assorbimento della radiazione ottica nella prima guida d'onda WG1; - Generazione di portatori (coppie elettrone -lacuna) indotta dalla presenza della radiazione ottica;
Elettrostrizione, ovvero un cambiamento nella densità di regioni della prima guida d'onda WG1 sotto l'effetto del campo ottico;
Variazione della mobilità dei portatori liberi presenti nel materiale per effetto di pressione di radiazione e/o elettrostrizione indotta dalla presenza del campo ottico.
Considerazioni analoghe sono valide per le altre possibili tipologie del mezzo ottico 1, quali per esempio, la seconda guida d'onda WG2 o la terza guida d'onda WG3 .
Il generatore di energia elettrica 4 fornisce il segnale elettrico Seal primo elettrodo 2. La prima guida d'onda WG1 è inserita nel circuito elettrico che comprende il generatore di energia elettrica 4 e il circuito di misura 50.
Al variare delle caratteristiche della radiazione ottica, per esempio la sua potenza, si verifica una variazione del parametro elettrico associato alla prima guida d'onda WG1 , quale per esempio, l'impedenza elettrica Z0associata al nucleo 5.
Il circuito di misura 50 riceve mediante il secondo elettrodo 3 un segnale elettrico di uscita Sout(una tensione e/o una corrente elettrica) che dipende dal valore assunto dall'impedenza elettrica Z0associata alla prima guida d'onda WG1 e sulla base di questo segnale di uscita Soutfornisce il segnale di misura SMrappresentativo di una misura di un valore attuale dell'impedenza elettrica Z0.
Inoltre, il circuito di misura 50 (o il modulo di calcolo 6) raffronta il valore attuale dell'impedenza elettrica Z0con un valore della stessa grandezza misurato precedentemente e quindi rivela una possibile variazione dell'impedenza elettrica ZQ.
Il modulo di calcolo 6 associa questa variazione misurata dell'impedenza elettrica Z0ad una corrispondente variazione di potenza ottica della radiazione ottica che attraversa la prima guida d'onda WG1, restituendo quindi un valore stimato Poprappresentativo della potenza ottica assoluta o della variazione della potenza ottica all'interno della prima guida d'onda WG1.
La figura 5 mostra una forma di realizzazione particolare del sistema ottico 100 che impiega un circuito di misura 50 configurato secondo la tecnica del sensing di corrente accoppiato con il rilevamento sincrono (lock-in). Inoltre, la figura 5 illustra anche un possibile schema elettrico equivalente del sistema di rivelazione 100 sopra descritto.
Secondo questo esempio, il generatore di energia elettrica 4 è tale da generare un segnale elettrico Sesotto forma di una tensione elettrica sinusoidale VAccon frequenza f0. Nella schematizzazione di figura 5, il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 sono elettricamente equivalenti a rispettivi terminali elettrici conduttivi.
Fra il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 è presente, in questo esempio, una capacità di elettrodi CEcorrispondente ad una capacità parassita che agisce tra il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3.
Inoltre, al primo elettrodo 2 è associata, per esempio, una prima impedenza di accesso Z1 di tipo capacitivo, corrispondente ad una prima capacità di accesso CAI. Tale prima capacità di accesso CAIè relativa alla presenza di una capacità di accoppiamento che agisce, per esempio, fra il primo elettrodo 2 e la regione 5 interessata dalla radiazione ottica.
Al secondo elettrodo 3 è associata, per esempio, una seconda impedenza di accesso Z2di tipo capacitivo, corrispondente ad una seconda capacità di accesso CA2. Tale seconda capacità di accesso CA2è relativa alla presenza di una relativa capacità di accoppiamento che agisce, per esempio, fra il secondo elettrodo 3 e la regione 5 interessata dalla radiazione ottica.
Per esempio, nel caso in cui il mezzo ottico 1 sia una guida d'onda ottica integrata in materiale semiconduttore, quale il silicio, la regione 5 corrisponde al nucleo della guida d'onda il quale è contornato da un rivestimento in ossido di silicio 8 (e 20). In tal caso, la prima capacità di accesso CA1corrisponde alla capacità secondo la quale il rivestimento 8 agisce come dielettrico interposto fra il primo elettrodo 2 e il nucleo 5. Analogamente, la seconda capacità di accesso CA2corrisponde alla capacità secondo la quale il rivestimento 8 agisce come dielettrico interposto fra il secondo elettrodo 3 e il nucleo di silicio 5.
Al nucleo di silicio 5 corrisponde un resistore di resistenza RWGche risulta collegato fra quei terminali della prima e della seconda capacità di accesso CA1e non collegati al primo elettrodo 2 e al secondo elettrodo 3. I valori della prima capacità di accesso CA1, della seconda capacità di accesso sono parametri di progetto che vengono dimensionati nella fase di ottimizzazione del dispositivo mentre la capacità parassita tra gli elettrodi CE, la cui presenza è indesiderata ma inevitabile, va minimizzata sempre in fase di progetto.
Il nucleo 5 della prima guida d'onda WG1, corrispondente al mezzo ottico 1, presenta una resistenza elettrica RWGfunzione della radiazione ottica che attraversa il nucleo 5 stesso.
Il circuito di misura 50 come mostrato in figura 5 comprende un convertitore corrente-tensione 7 ed un demodulatore lock-in 9. Il convertitore correntetensione 7 è provvisto di un primo terminale di ingresso 10 collegato al secondo elettrodo 3 per ricevere una corrente alternata IAc· Un primo terminale di uscita 11 del convertitore correntetensione 7 è collegato ad un secondo terminale di ingresso del demodulatore lock-in 9. Il convertitore corrente- tensione 7 è strutturato per fornire al primo terminale di uscita 11 un segnale elettrico in tensione Sv.
Preferibilmente, il convertitore correntetensione 7 comprende un amplificatore a transimpedenza 12 realizzabile, ad esempio, mediante un amplificatore operazionale avente un ingresso non invertente collegato ad un terminale di terra GND ed un ingresso invertente collegato al primo terminale di ingresso 10. Il primo terminale di uscita 11 è collegato al terminale invertente dell'amplificatore operazionale 12 mediante una resistenza di retroazione RFad esempio, di valore pari a 10 kΩ.
L'amplificatore a transimpedenza 7 ha una larghezza di banda maggiore (almeno un fattore 10) della frequenza f0della tensione sinusoidale VACin modo tale da evitare inaccuratezze (attenuazione dell'ampiezza e sfasamento)
Secondo un esempio, il demodulatore lock-in 9 comprende un primo demodulatore includente un primo moltiplicatore 13 ed un primo filtro passa basso 14. Il primo moltiplicatore 13 è configurato per moltiplicare il segnale elettrico Secon il segnale elettrico in tensione Svpresente al primo terminale di uscita il. Il circuito di misura 50 è inoltre provvisto di un secondo demodulatore includente uno sfasatore 15, un secondo moltiplicatore 16 ed un secondo filtro passa-basso 17.
Il secondo moltiplicatore 16 è configurato per moltiplicare una versione sfasata di 90°, fornita dallo sfasatore 15, del segnale elettrico Secon il segnale elettrico in tensione Svpresente al primo terminale di uscita il.
Nel funzionamento, il primo elettrodo 2 viene eccitato dalla tensione sinusoidale VACalla frequenza fo, mentre la corrente alternata IACche fluisce al secondo elettrodo 3 viene convertita nel segnale elettrico in tensione Sv dall'amplificatore di transimpedenza 7. Questo segnale elettrico in tensione Svè quindi demodulato dal rilevatore lock-in 9.
In maggior dettaglio, il segnale elettrico in tensione Sv è moltiplicato dal primo moltiplicatore 13 per la tensione sinusoidale VACed è moltiplicato dal secondo moltiplicatore 16 per la versione in quadratura della tensione sinusoidale VAC.
Il secondo filtro passa-basso 17 filtra il segnale uscente dal secondo moltiplicatore 16 e su una porta di uscita 19 fornisce la parte immaginaria del segnale elettrico in tensione Sv corrispondente alla parte immaginaria dell'inverso dell'impedenza complessa Im[l/Z], dove Z è l'impedenza totale del tratto considerato della prima guida d'onda WG1.
Il primo filtro passa-basso 14 filtra il segnale uscente dal primo moltiplicatore 13 e su una ulteriore porta di uscita 18 fornisce la parte reale del segnale elettrico in tensione Svcorrispondente alla parte reale dell'inverso dell'impedenza complessa Re[l/Z] .
Nel caso in cui il mezzo ottico 1 sia una guida d'onda a semiconduttore, la presenza della radiazione ottica produce un aumento dei portatori di carica elettrica che corrisponde ad una riduzione della resistenza RWGassociata al nucleo 5.
Il modulo di calcolo 6 calcola la resistenza RWGa partire dall'inverso dell'impedenza complessa Re[l/Z] . Il monitoraggio, effettuabile mediante il circuito di misura 50 e il modulo di calcolo 6, della grandezza Re[l/Z] e, in particolare della resistenza RWG, presente all'ulteriore porta di uscita 18 permette di rivelare, previa un'opportuna calibrazione, la presenza e l'intensità della radiazione ottica.
Con riguardo alle modalità di realizzazione del circuito di misura 50, si osservi che l'impiego della tecnologia CMOS consente, oltre alla miniaturizzazione estrema e all'integrazione con i circuiti integrati fotonici, la parallelizzazione multicanale e la riduzione di componenti elettrici parassiti associati alle connessioni che si traduce in un miglioramento significativo delle prestazioni, soprattutto in termini di sensibilità. Infatti, il rumore (e di conseguenza la risoluzione) dell'amplificatore di transimpedenza 7 è limitato dal valore della capacità parassita CE in ingresso, tipicamente dominante rispetto alle capacità di accesso. Queste capacità parassite sono dovute principalmente ai fili di collegamento e all'accoppiamento capacitivo tra ciascuno fra il primo 2 ed il secondo elettrodo 3 di metallo attraverso il substrato della prima guida d'onda WG1. La riduzione di tali accoppiamenti capacitivi parassiti produrrà un miglioramento della risoluzione del sistema di rivelazione 100.
Inoltre, il sistema di rivelazione 100, in particolare lo schema esemplificativo di figura 5, può essere realizzato mediante integrazione monolitica dei sistemi fotonici con i circuiti microelettronici sullo stesso substrato. Ciononostante, il sistema di rivelazione 100 può anche essere realizzato secondo qualsiasi schema di integrazione ibrido ed eterogeneo, come nel caso di due chip separati (fianco a fianco nello stesso package, con fili di bonding tra i pad per i collegamenti elettrici) o come nel caso del bonding chip-to-chip diretto o lo stacking 3D (collegamento mediante la sovrapposizione dei pad o mediante through-silicon-vias ).
Si faccia ora riferimento al primo elettrodo 2 e ad secondo elettrodo 3, i quali sono preferibilmente uno o più contatti conduttivi disposti attorno alla prima guida d'onda WG1. Tali contatti conduttivi possono essere realizzati utilizzando piazzole metalliche, materiali semiconduttori altamente drogati, o qualsiasi altro materiale composito che presenta una conducibilità elettrica convenientemente elevata .
Si consideri, come esempio di mezzo ottico 1, una quarta guida d'onda integrata WG4, a sezione rettangolare, mostrata in figura 6 e comprendente un relativo nucleo 5, con indice di rifrazione nco, e un relativo rivestimento superiore 20, con indice di rifrazione nci.
Come già osservato, il primo ed il secondo elettrodo 2 e 3 sono posizionati ad una opportuna distanza d (figura 6) dal materiale del nucleo 5 della quarta guida d'onda WG4 a sezione rettangolare per evitare di attenuare il campo elettromagnetico. Secondo lo schema di figura 6, in cui è mostrato solo il primo elettrodo 2, la distanza minima tra il nucleo 5 e ed il primo elettrodo 2 può essere valutata tenendo conto della lunghezza di penetrazione del campo elettrico evanescente nel rivestimento 20. Un analogo approccio è valido per il secondo elettrodo 3 o per un ulteriore elettrodo eventualmente impiegato . L'ampiezza del campo elettrico E(x) nella regione di rivestimento 20 diminuisce tipicamente secondo un decadimento esponenziale dato dalla seguente relazione
dove E0e 1 ' ampiezza del campo elettrico all'interfaccia nucleo-rivestimento e γ è la costante di decadimento del campo elettrico all'interno della regione di rivestimento. La costante di decadimento γ può essere espressa dalla seguente relazione:
2
dove λ è la lunghezza d'onda della radiazione ottica e neffè l'indice di rifrazione efficace del modo ottico che si propaga nella quarta guida d'onda WG4 rettangolare .
Secondo un ulteriore esempio di dimensionamento, al fine di evitare perturbazioni della radiazione ottica e quindi del campo elettromagnetico, la distanza d è scelta in modo da essere sufficientemente grande da rendere l'ampiezza del campo elettrico evanescente della radiazione ottica sul secondo elettrodo trascurabile, ovvero |E(d) / E0| « 1 .
In accordo con quanto già affermato sopra, si può assumere come distanza minima dmin= 6 / γ, valore per cui si ha una riduzione dell'intensità di campo |E(d) / E0|<2>all'interfaccia con l'elettrodo 2 pari a circa 52 dB . Va osservato che, secondo l'equazione (2), la distanza minima dmindipende dalla lunghezza d'onda della radiazione ottica e da tutti i parametri ottici che influenzano la guida d'onda effettiva di indice neff, ovvero il contrasto di indice di rifrazione (nC02- nc1), la dimensione e la forma della guida d'onda, e lo stato di polarizzazione della radiazione ottica.
Il limite superiore alla massima distanza dmaxè dato dalla sensibilità del circuito elettronico di misura 50 alle variazioni delle proprietà elettriche del mezzo ottico 1. Ad una maggiore distanza corrispondono impedenze d'accesso Zi e Z2più elevate. Ad esempio, nel caso di un accoppiamento puramente capacitivo (Zi = l/2Π_fC) come illustrato in Fig. 5, l'impedenza di accesso può essere semplicemente stimata calcolando la capacità di un condensatore piano (una piastra essendo l'elettrodo metallico e l'altra essendo la guida d'onda) come C = ε A / d, dove A è l'area efficace del condensatore, ε = ε0sr, dove εoe εrsono rispettivamente la permettività del vuoto e la costante dielettrica relativa del materiale compreso tra le piastre di suddetto condensatore. Risulta evidente che la capacità è inversamente proporzionale a d e che, per una data frequenza f, l'aumento di d corrisponde ad un aumento della prima impedenza di accesso Zi. La tensione massima applicata alla sonda è tipicamente limitata a 0.1-10 V (per vincoli tecnologici e anche per evitare perturbazioni del segnale luminoso ed effetti non lineari). Un incremento dell'impedenza di accesso si traduce in una riduzione della corrente elettrica di sonda. Il limite superiore dmaxè quindi fissato dalla risoluzione (cioè il rumore) del circuito elettronico di rivelazione.
Poiché la prima impedenza di accesso Zi e la seconda impedenza di accesso Z2risultano in serie all'impedenza Z0associata al nucleo 5, la condizione ottimale per misurare ZQ è quando la somma (Z1+ Z2) è trascurabile rispetto a Z0. Tuttavia, per rispettare la condizione d > dnin, le impedenze di accesso Z1e Z2possono diventare più grandi di Z0e persino dominanti. Regole di progettazione quantitative, in particolare per quest'ultima condizione più critica, dipendono dalla specifica geometria e alcune di esse verranno discusse più avanti con riferimento a casi particolari .
La figura 7(a) e la figura 7(b) mostrano altre forme di realizzazione del mezzo ottico 1 e del primo elettrodo 2 del secondo elettrico 3, nel caso di guide d'onda integrate su un substrato. In particolare, la figura 7(a) mostra un mezzo ottico 1 comprendente un primo substrato 21 che supporta una quinta guida d'onda WG5, di tipo a sezione rettangolare. Il primo elettrodo 2 e il secondo elettrodo 3, realizzati in materiale conduttivo, sono disposti sul medesimo lato del substrato 21 dalla quale sporge la quinta guida d'onda WG5, ma giacciono su porzioni opposte rispetto alla quinta guida d'onda WG5 ed opportunamente distanziati da quest 'ultima .
Si noti che è anche possibile impiegare un numero di elettrodi superiore a due e situati lateralmente o sopra la quinta guida d'onda WG5, da parti opposte rispetto alla guida o dalla stessa parte rispetto alla guida, al fine di massimizzare la sensibilità del sistema di rivelazione 100 al cambiamento dei parametri elettrici del mezzo ottico 1, indotta da radiazione luminosa.
La figura 7 (b) mostra un mezzo ottico 1 comprendente, oltre al primo substrato 21, sul quale è realizzata la sesta guida d'onda WG6 ed uno degli elettrodi (per esempio il primo elettrodo 2), anche un secondo substrato conduttivo 22 che può svolgere il ruolo del secondo elettrodo 3.
Questo caso di figura 7(b) include, ad esempio, guide d'onda ottiche realizzate su un substrato semiconduttore, come silicio, InP e AlGaAs e consente una riduzione del numero di elettrodi da realizzare su un chip ottico, poiché il secondo substrato 22 può essere utilizzato come piano di massa comune per diverse unità di rilevamento situate in posizioni diverse di un circuito integrato fotonico. Quanto sopra descritto con riferimento alle figure 7(a) e 7 (b) è applicabile sia a guide di tipo ridge che di tipo rib.
Facendo riferimento, per esempio, alla seconda guida d'onda WG2 (di tipo ridge) o alla terza guida d'onda WG3 (di tipo rib) si noti che, come già accennato, il nucleo 5 o i rivestimenti 8 o 20 sono realizzabili in materiale semiconduttore. In un semiconduttore il principale meccanismo fisico responsabile della modifica dei parametri elettrici del mezzo ottico in presenza di radiazione ottica, in particolare luminosa, è la generazione di portatori liberi. La generazione di portatori liberi nei semiconduttori per effetto della radiazione luminosa può verificarsi sia all'interno di un materiale omogeneo che all'interfaccia tra due materiali diversi .
In un materiale omogeneo trasparente, l'assorbimento è inibito a quelle lunghezze d'onda alle quali il salto di energia Egtra le bande elettroniche è superiore all'energia del fotone. Tuttavia, un assorbimento simultaneo di due fotoni può verificarsi se la somma dell'energia associata ai due fotoni supera il gap di energia Egdel materiale alla frequenza fotone. Questo fenomeno, noto come assorbimento a due fotoni (TPA), porta alla generazione di una coppia elettrone -lacuna per ogni coppia di fotoni assorbiti. Un esempio tipico è dato da materiale semiconduttore, ad esempio silicio (Eg= 1,1 eV) o fosfuro di indio (Eg= 1,35 eV), che sono trasparenti al di sopra di una lunghezza d'onda di 1000 nm, ma presentano TPA fino ad una lunghezza d'onda di circa 2000 nm.
All'interfaccia tra due materiali, le bande energetiche sono fortemente distorte rispetto al caso di un materiale omogeneo, e tipicamente il gap energetico viene significativamente ridotto. Facendo riferimento al caso di Si e InP, ciò significa che alla superficie del materiale esiste una certa probabilità di assorbimento di un fotone singolo, cioè esiste la probabilità di generare coppie elettrone-lacuna da un singolo fotone, anche ad una lunghezza d'onda superiore a 1000 nm.
Il sistema di rivelazione 100 può basarsi sia sulla generazione di portatori all'interfaccia tra due materiali, quali quello del rivestimento 5 e quello del nucleo 8 e/o 20 (essendo questo l'effetto generalmente dominante a un basso livello di potenza ottica) , sia sulla generazione di portatori all'interno di materiali omogenei (dove gli effetti di TPA diventano dominanti ad un alto livello di potenza ottica) .
La figura 8 mostra schematicamente alcuni esempi di guide d'onda ottiche in tecnologia a semiconduttore impiegabili come mezzo ottico 1 per il sistema di rivelazione 100. Il materiale semiconduttore può essere utilizzato solo nella regione del nucleo 5 di una settima guida d'onda WG7 [figura 8 (a)], solo nel rivestimento 8 di una ottava guida d'onda WG8 [figura 8(b)], o sia per il nucleo 5 o per il rivestimento 8 di una nona guida d'onda WG9 [figura 8(c)]. In ogni caso, la propagazione della luce attraverso la guida d'onda è responsabile della generazione di portatori, localmente nella regione di semiconduttore investita dalla radiazione ottica. La variazione di densità di portatori è responsabile di una variazione locale delle proprietà elettriche del materiale semiconduttore, che implica una variazione del parametro elettrico misurata mediante il circuito di misura 50.
La figura 9 si riferisce, ad esempio, alla realizzazione di una decima guida d'onda ottica WG10 impiegabile come mezzo ottico 1. La decima guida d'onda ottica WG10 di tipo rib fabbricata su una piattaforma di tipo silicio-su-isolante (silicon-oninsulator, SOI). Secondo un particolare esempio, il nucleo di silicio 5 (indice di rifrazione nSipari a 3,45) ha una larghezza w compresa tra 100 nm e 5 ym e un'altezza h compresa tra 50 nm e 5 ym. Lo spessore s della regione di nucleo laterale è preferibilmente compreso tra 0 (materiale di silicio completamente rimosso ai lati della guida d'onda) e 90% h. Sotto il nucleo 5 di silicio, è posto un materiale elettricamente isolante che forma un ulteriore rivestimento inferiore 23. Lo spessore del materiale di rivestimento inferiore 23 è preferibilmente compreso tra 500 nm e 10 ym. Sopra il nucleo 5 di silicio, un materiale dielettrico può essere aggiunto come rivestimento superiore 24. Lo spessore preferito per il materiale del rivestimento superiore 24 è compreso tra 0 (in questo caso il rivestimento è dato dall'aria) e 5 ym.
Verranno ora descritte, con riferimento alla figura 10, due altri esempi di guide d'onda impiegabili come mezzo ottico 1 e realizzate in tecnologia al fosfuro di indio (InP).
La figura 10(a) mostra una decima guida d'onda WG10 di tipo rib comprendente un relativo substrato in InP 25, un relativo nucleo 5 anch'esso in InP ed avente un indice di rifrazione superiore a quello del substrato 25. In particolare, il nucleo 5 della decima guida WG10 può avere, per esempio, un indice di rifrazione compreso tra 3,2 e 3,5. Per esempio, la larghezza w del nucleo 5 è compresa tra 0,5 ym e 5 ym e una altezza h compresa tra 0,1 e 5 ym.
Inoltre, la decima guida d'onda WG10 è provista di almeno uno strato di rivestimento superiore 8, ma possono essere aggiunti anche altri strati, anch'esso in InP avente un indice di rifrazione inferiore a quello dello strato di nucleo 5, e preferibilmente compresi tra 3,15 e 3,20. Lo strato di rivestimento 8, se presente, della decima guida d'onda WG10 ha, per esempio, uno spessore he inferiore a 5 ym. Lo strato del nucleo 5 comprende una regione laterale 5L, con uno spessore s preferibilmente compreso tra 0 (completa rimozione della regione laterale del nucleo della guida d'onda) e 90% dell'altezza h. La decima guida d'onda WG10 può essere a contatto con l'aria o con uno altro materiale dielettrico di copertura 26 con un indice di rifrazione inferiore a quello del materiale del nucleo 5.
La figura 10(b) mostra una sezione di una undicesima guida d'onda ottica WG11 in tecnologia a fosfuro di indio (InP), di tipo ridge, comprendente un rispettivo substrato 25, un rispettivo nucleo 5 ed un rispettivo rivestimento 8 realizzati in fosfuro di indio. Gli indici di rifrazione del nucleo 5, del rivestimento 8 e del substrato 25 dell'undicesima guida d'onda WG11 e gli spessori del nucleo 5 e del rivestimento 8 dell'undicesima guida d'onda WG11 sono analoghi quelli definiti per la decima guida d'onda WG10. Il substrato 25 dell'undicesima guida d'onda WG11 definisce, al di sotto dello strato di nucleo 5, una regione di spessore e rialzata rispetto alle zone laterali del substrato 25 stesso.
ESPERIMENTO 1 (Tecnologia in silicio)
La Richiedente ha realizzato un primo esperimento impiegando come mezzo ottico 1 una dodicesima guida d'onda WG12 integrata su silicio e mostrata in sezione trasversale in figura 11(a).
Come mostrato in figura 11 (a), il nucleo 5 di silicio ha una forma rettangolare ed è sepolto in un rivestimento 8 omogeneo di vetro (più in particolare, biossido di silicio, Si02), realizzato sopra un substrato 27 di silicio. Il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 (non visibile in figura 11(a)) sono metallici e sono posti sulla parte superiore della dodicesima guida d'onda WG12 ad una distanza verticale hupdal nucleo 5. Tale distanza hupè stata scelta in modo da evitare ulteriori perdite ottiche rispetto alla perdita di propagazione della guida d'onda in assenza di elettrodi metallici, e secondo i criteri descritti in precedenza.
In maggior dettaglio, il nucleo 5 ha una forma rettangolare con larghezza w = 1 pm e altezza h = 220 nm. Lo spessore del rivestimento 8 ha uno spessore superiore pari a hup= 900 nm e uno spessore inferiore pari a hdown= 2 pm rispetto a facce contrapposte del nucleo 5. Il substrato 27 ha uno spessore di circa 500 pm. Sia il primo elettrodo 2 sia il secondo elettrodo 3 hanno forma quadrangolare di area we<2>= 200pm x 200pm. La distanza L, parallelamente all'asse di propagazione della dodicesima guida d'onda WG2, tra il primo ed il secondo elettrodo è L = 700 μm. La figura il (b) mostra una sezione longitudinale della dodicesima guida d'onda WG12 sovrapposta al suo circuito equivalente elettrico. A causa del livello di drogaggio intrinseco dei wafer SOI convenzionali (densità di portatori liberi dell'ordine di IO<15>cm<"3>), il nucleo 5 di silicio agisce principalmente come un resistore di resistenza RWG· Il vetro del rivestimento 8 agisce come capacità di accoppiamento verso il primo ed il secondo elettrodo metallico 2 e 3 (sono mostrati due capacitori ciascuno avente una capacità di accesso verso gli elettrodi Cup) e verso il substrato di silicio 27 (sono mostrati altri due capacitori ciascuno avente capacità di accesso verso il substrato Cdown)· Un'ulteriore capacità parassita (CE) agisce tra il primo elettrodo metallico 2 ed il secondo elettrodo metallico 3.
La quantità di luce presente nella dodicesima guida d'onda WG12 è stata valutata misurando l'impedenza elettrica complessiva Z vista fra il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 mediante un circuito di misura 50 analogo a quello descritto con riferimento alla figura 5.
Fra il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 è stato applicato un segnale elettrico in tensione alternata VACcon una ampiezza pari a 0,8 V, per evitare qualsiasi effetto significativo di modulazione della radiazione ottica. La frequenza fa del segnale elettrico VACè stata scelta in modo da attraversare la capacità di accesso verso gli elettrodi Cuped era pari a f0= 2 MHz.
Questa frequenza di funzionamento f0è stata scelta in base alle seguenti considerazioni. Come mostrato in figura 11(b), nella particolare disposizione geometrica del primo elettrodo 2 e del secondo elettrodo 3, la distanza orizzontale L tra gli elettrodi determina il valore della resistenza RWG(data la resistività del silicio pSi= 5.7 Ω -cm e la sezione della dodicesima guida d'onda WG12).
Le distanze verticali huptra gli elettrodi 2 e 3 ed il nucleo 5 insieme alla lunghezza dell'elettrodo wee alla larghezza w del nucleo 5, determinano il valore della capacità di accesso verso gli elettrodi Cup. Pertanto, il valore della capacità di accesso verso gli elettrodi Cuppuò essere stimato come Cup= ε0-εSiO2 '(w-e<■>w)/(hup- h) ≈ 10 fF, dove ε0e εsi02sono rispettivamente la permettività del vuoto e la costante dielettrica relativa del Sio2. Poiché la resistenza della dodicesima guida d'onda WG12 in assenza di luce è stimata come Rwg = ρSi<■>L/ (h-w) = 180 ΜΩ, la frequenza alla quale l'impedenza della capacità di accesso verso qli elettrodi Cupuquaqlia in modulo la resistenza RWGè approssimativamente data dal polo -fPoio= 1/ (2nKigCup/2) = 177 kHz.
Pertanto, per essere nella reqione spettrale in cui l'impedenza complessiva Z è dominata da RWG, la frequenza operativa f0viene impostata una decade al di sopra di fpolocioè a circa 2 MHz.
La Richiedente ha osservato che la capacità parassita Cetra il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 (che da misure effettuate risulta di circa 1 pF) produce un percorso parallelo per il sondaqqio della corrente alternata che a questi valori di frequenza è circa 1000 volte più conduttivo di G = 1/RWG. Pertanto, le variazioni della conducibilità del nucleo 5 da rilevare si sovrapponqono ad un'ammettenza totale dominata da una componente parassita circa 1000 volte superiore.
Poiché per la dodicesima quida d'onda WG12 la componente parassita dell'ammettenza è immaqinaria, mentre la variazione di conducibilità che si vuole misurare (cioè la parte influenzata dalla luce) è reale, un sistema di rilevamento in qrado di separare componenti tra loro ortoqonali (come il demodulatore di tipo lock-in 9 del circuito di misura 50) può facilmente estrarre variazioni di G=1/RWGindipendentemente dalla presenza di Ce.
Si noti anche che la presenza di ritardi di fase introdotti dalla catena di acquisizione del segnale elettrico (cavi, banda finita dell'amplificatore, ecc) rende più difficile la rivelazione, in quanto piccole variazioni della parte immaginaria dell'ammettenza (1000 superiore al segnale da misurare) possono produrre errori significativi sulla stima della parte reale.
Quindi una misura completa della parte reale e della parte immaginaria dell'impedenza (o dell'ammettenza), attraverso un sistema di rivelazione di corrente a basso rumore (con una risoluzione migliore di una parte su IO<4>), come ottenibile con il circuito di misura 50 di figura 5, appare vantaggiosa.
Si noti che, ipotizzando una frequenza massima di funzionamento f0= 100 MHz e mantenendo fissa la disposizione orizzontale mostrata in figura 11(a), la distanza huptra gli elettrodi 2 e 3 di metallo ed il nucleo 5 può essere incrementata fino ad un massimo di cinquanta volte. D'altra parte, la riduzione della distanza orizzontale L tra gli elettrodi comporta una riduzione del volume sottostante del nucleo 5, cioè una minore resistenza Rwg(maggiore conduttanza G) . Considerando che per una potenza di luce all'interno della guida d'onda superiore a -10 dBm, il rapporto segnale-rumore è superiore a 10, tale distanza L può essere ridotta di un ordine di grandezza, senza modificare i parametri del sistema di misura.
Nell'esperimento, alla dodicesima guida d'onda WG12 è stato accoppiato un segnale ottico in continua avente una lunghezza d'onda di 1550 nm.
La figura 12(a) mostra la variazione AG della conduttanza misurata G = 1/Rwgdella guida d'onda in funzione della potenza ottica locale Pop. Quando la potenza all'interno della dodicesima guida d'onda WG12 aumenta da -16 dBm a 6 dBm, la conduttanza G aumenta di conseguenza, mostrando una variazione AG da 0.1 nS a 4 nS . Pertanto, dalla misura della conduttanza G è possibile ottenere una misura univoca della potenza Popdella luce propagante all'interno della dodicesima guida d'onda WG12.
La Richiedente ha inoltre verificato la sostanziale assenza, o trascurabilità, di effetti di modulazione sulla radiazione ottica alla lunghezza d'onda di 1550 nm che attraversa la dodicesima guida d'onda ottica WG12 da parte di un segnale elettrico in tensione VAcalla frequenza f0pari a 2 MHz con una tensione crescente da 0 a 2 V.
La presenza di eventuali effetti di modulazione ottica sul segnale ottico alla frequenza del segnale elettrico VACapplicato è stata studiata per mezzo di un amplificatore lock-in con una larghezza di banda di 1 Hz. Le curve in figura 12(b) mostrano il rapporto tra la potenza Pfodi un segnale ottico di disturbo, e cioè della luce modulata alla frequenza fo della tensione applicata, e la potenza media della luce PM, misurato dopo la propagazione attraverso la regione di guida d'onda interessata dalla presenza degli elettrodi.
La misurazione è stata condotta a due livelli di potenza ottica nella guida d'onda, -10 dBm e 0 dBm, come chiaro dalla legenda riportata in figura 12(b) . In entrambi i casi, la perturbazione indotta dagli elettrodi 2 e 3 è inferiore a -50 dB per una tensione applicata VACinferiore a 0.5V.
Più in generale, anche con riferimento ad altre forme di attuazione descritte, il rapporto tra la potenza Pfo del segnale ottico di disturbo e la potenza media del segnale di ingresso PMdella luce, misurato dopo la propagazione attraverso la regione 5 del mezzo ottico 1 è minore di -20 dB, preferibilmente minore di -30 dB, più preferibilmente minore di -40 dB, e ancora più preferibilmente minore di - 50 dB .
ESPERIMENTO 2 (Tecnologia in fosfuro di indio)
La Richiedente ha realizzato un secondo esperimento impiegando come mezzo ottico 1 una tredicesima guida d'onda WG13 integrata in fosfuro di indio InP e mostrata in sezione trasversale in figura 13 (a).
Lo strato centrale del materiale del nucleo 5 in InP ha uno spessore hi = 1 ym ed un indice di rifrazione nco= 3.26, ed è realizzato sopra un substrato 28 di InP con indice di rifrazione ncl= 3.17.
La porzione di nucleo 5 della tredicesima guida d'onda WG13 ha una larghezza di wei= 2.5 ym e una regione laterale con uno spessore s7= 0.4 ym. Nessuno strato dielettrico di copertura è presente sulla parte superiore del materiale del nucleo.
Il primo 2 e il secondo elettrodo metallico 3 (con dimensioni 2.5 ym x 10 ym) sono realizzati su uno strato 29 di nitruro di silicio (SÌ3N4) avente uno spessore di 120 nm. La distanza relativa tra il primo elettrodo 2 e il secondo elettrodo 3 è L 3⁄4 2000 ym.
Per la misura della variazione della conduttanza G si è impiegato un circuito di misura analogo al circuito di misura 50 di figura 5.
La figura 13 (b) mostra la variazione AG della conduttanza misurata G = 1/Rwqdella tredicesima guida d'onda WG13 in funzione della potenza ottica locale Pop. Il segnale di tensione VACapplicato ha un'intensità VAc = 2 V ed una frequenza fo = 100 kHz. Il segnale in continua della luce accoppiata alla tredicesima guida d'onda WG13 ha una lunghezza d'onda di 1550 nm. Quando la potenza Popall'interno della tredicesima guida d'onda WG13 aumenta da -25 dBm a -4 dBm, la conduttanza misurata aumenta, mostrando una variazione AG da 0.03 a 1.2 nS. Pertanto, la misura della conducibilità elettrica della guida d'onda fornisce una misura univoca della potenza della luce Poppresente all'interno della tredicesima guida d'onda WG13 .
ULTERIORI FORME DI ATTUAZIONE
Sondaggio ottico
La possibilità di misurare la quantità di radiazione luminosa all'interno del mezzo ottico 1, sostanzialmente senza alterare le proprietà della radiazione luminosa stessa, può essere vantaggiosa in svariate applicazioni.
Un primo esempio di applicazione è il sondaggio ottico sostanzialmente non perturbativo che può essere utilizzato per ispezionare localmente lo stato attuale di un circuito ottico . La figura 14 mostra una particolare forma di attuazione del sistema di rivelazione 100 in cui il mezzo ottico 1 include un circuito ottico 30 comprendente una pluralità di elementi ottici OEi, OE2, ..., OEj, ..., OENadatti ad essere interessati dalla radiazione ottica. Il sistema di rivelazione 100 include anche una pluralità di coppie elettrodi E1-ENelettricamente accoppiati agli elementi ottici OE1-OEN(tale accoppiamento è rappresentato simbolicamente in figura 14 da una linea tratteggiata) . Ciascuna coppia di elettrodi della pluralità EI-ENè disposta ad una distanza da un relativo elemento ottico della pluralità OEI-OENche può essere calcolata in modo analogo a quanto descritto sopra con riferimento al primo elettrodo 2 e al secondo elettrodo 3. Inoltre, ciascuna coppia di elettrodi della pluralità EI-ENè elettricamente collegata ad un blocco elettronico 200 che comprende, per esempio, uno o più generatori di energia elettrica 4 e uno più circuiti di misura di misura 50 che possono essere analoghi a quelli qui descritti in precedenza.
Il circuito ottico 30 è provvisto di una pluralità di porte di ingresso Ρη, Pi2, ..., Pijper la radiazione ottica. La radiazione ottica può anche essere generata all'interno del circuito ottico 30 mediante una o più sorgenti di radiazione Si, S2, ... SM- La radiazione luminosa in uscita dal circuito ottico 30 può essere osservata da una pluralità di porte di uscita P0i, P02, ··· Ρ0κ·
Le proprietà ottiche della radiazione luminosa alle porte di uscita P0i, P02, ··· POKdipendono dalle proprietà della radiazione luminosa entrante nel circuito ottico 30 o generata al suo interno, e dallo stato attuale del circuito ottico 30, cioè dallo stato di ognuno degli elementi ottici OEI-OENcompresi nel circuito ottico 30.
Tramite misure di parametri elettrici effettuabili con il blocco elettronico 200 si possono ottenere informazioni sull'intensità luminosa all'interno di ciascun elemento ottico OEI-OEn, permettendo quindi una conoscenza approfondita dello stato attuale del circuito ottico 30 nella sua globalità. La conoscenza dello stato attuale di un circuito consente il monitoraggio in tempo reale dello stato operativo del circuito ottico stesso, rendendo possibili operazioni come il rilevamento di un guasto, la riconfigurazione dinamica del circuito ed il reinstradamento della luce lungo percorsi desiderati .
Risonatore ottico
Secondo un'altra forma di attuazione, il mezzo ottico 1 del sistema di rivelazione 100 comprende un primo risonatore ottico 300 di tipo Fabry-Pèrot, mostrato esemplificativamente in figura 15(a) . Anche un risonatore ottico è un mezzo ottico trasmissivo secondo la definizione sopra riportata.
In questo caso, il sistema di rivelazione 100 può essere utilizzato per valutare se il primo risonatore ottico 300 lavori in una condizione di risonanza, senza la necessità di misurare l'intensità della luce ad una porta del risonatore e senza alterare le caratteristiche del risonatore, come ad esempio il fattore di qualità Q, ma servendosi di misure di parametri elettrici. Nel primo risonatore ottico 300, come in ogni risonatore ottico, la radiazione ottica è costretta a ricircolare attraverso un percorso ottico per mezzo di una struttura retroazionata.
In maggiore dettaglio, il primo risonatore ottico 300 comprende un primo specchio 301 ed un secondo specchio 302, aventi trasmittanza T e ri flettanza R che realizzano la desiderata retroazione . Una prima coppia di elettrodi ECfanaloghi al primo 2 ed al secondo elettrodo 3 già descritti, è collegata al circuito elettronico 200 che comprende un relativo generatore di segnale elettrico 4 e un relativo circuito di misura 50 per la misura delle variazioni di parametro elettrico del materiale ottico 300 al variare della potenza della radiazione ottica.
Come conseguenza della retroazione ottica, la trasmittanza attraverso il risonatore ottico 300 è fortemente dipendente dalla lunghezza d'onda della radiazione ottica, rendendo così i risonatori ottici dei dispositivi chiave per la realizzazione di filtri ottici, e più in generale per la manipolazione della radiazione luminosa. Considerando lo schema di figura 15(a), l'intensità della trasmittanza 3⁄4 della radiazione dalla porta di ingresso, corrispondente al primo specchio 301, alla porta di uscita, corrispondente al secondo specchio 302, è data dalla seguente relazione:
cui
è la fase del round trip del risonatore, Lrè la lunghezza geometrica del round trip del risonatore (pari a due volte la distanza geometrica tra gli specchi) , neffè l'indice di rifrazione efficace del materiale ottico 303 incluso fra il primo 301 ed il secondo specchio 302, f è la frequenza del segnale ottico e c è la velocità della luce nel vuoto.
Le figure 16(a) e 16(b) si riferiscono alla trasmittanza Tr e all'aumento Δ P della potenza all'interno del primo risonatore Fabry-Pérot 300, con R = 0 , 1 e T = 0, 9 in funzione della frequenza normalizzata fn = (f-fr)/FSR .
La figura 16 (b) mostra (prima curva A) l'intensità della trasmittanza I H2I<2>del primo risonatore ottico 300 avente con R = 0 , 1 e T = 0 , 9 in funzione della frequenza ottica normalizzata ( f — fr) / FSR, dove il free spectral range FSR=c/ngL fornisce la periodicità della risposta spettrale, con ngl'indice di rifrazione di gruppo efficace del materiale ottico 303.
A certe frequenze, ovvero le frequenze di risonanza frdel risonatore la fase φ è pari a φ = 2πί neffLr/ C = 2 π M (con M intero) , la trasmittanza è massima, mentre il minimo si ha quando
Come conseguenza della retroazione ottica, la potenza ottica in avanti (I<+>) e la potenza ottica indietro ( I-) all'interno del primo risonatore 300 sono aumentate rispetto alla potenza della radiazione in ingresso di un fattore<F+>ed un fattore F<~>, rispettivamente:
e
La radiazione propagante (I<+>) e quella contro propagante (I<~>), condividono lo stesso percorso ottico, in modo che un fattore di aumento medio
viene osservato all'interno del primo risonatore 300.
In particolare, la figura 16 (a) mostra in linea spessa tratteggiata (seconda curva B) l'aumento dell'intensità media all'interno di un risonatore Fabry-Pérot con trasmittanza | H2|<2>in funzione della frequenza ottica normalizzata fn = (f-fr)/FSR, dove fr è la prima frequenza di risonanza. L'aumento dell'intensità intra-cavità è massimo a quelle frequenze (le frequenze di risonanza) alle quali la trasmittanza è massima.
Pertanto, misurando il livello di potenza ottica all'interno del primo risonatore 300, è possibile sapere se esso funziona in condizione di risonanza, senza la necessità di misurare la luce uscente dal primo risonatore 300.La misura della potenza ottica è effettuata grazie alla misura di un parametro elettrico, per esempio la variazione di impedenza nel materiale ottico 303, tramite il circuito di misura 50 .
Supponendo, ad esempio, un segnale ottico in ingresso alla frequenza f = fr, nel primo risonatore 300, all'interno di detto risonatore verrà osservato un aumento dell'intensità di 13 dB. A causa di una varietà di effetti fisici (fluttuazioni termiche, cross-talk dovuto ai dispositivi adiacenti, invecchiamento, effetti non lineari indotti da altri segnali ottici, ecc), la frequenza di risonanza del risonatore può spostarsi rispetto alla frequenza del segnale ottico, causando una riduzione dell'intensità all'interno della cavità.
Come mostrato dalle curve in linea sottile (terza curva C e quarta curva D) di figura 16(a), uno spostamento reciproco di FSR/4 potrebbe degradare il fattore di aumento di oltre 20 dB .
La figura 16(b) mostra che un piccolo spostamento pari a 0,01 FSR, corrispondente a circa il 25% della larghezza di banda di trasmissione 3dB del risonatore, degraderebbe il fattore di aumento di circa 1,5 dB . Una volta che un disallineamento fra la frequenza di risonanza del risonatore e la frequenza del segnale ottico viene rilevato, la frequenza di risonanza del risonatore può essere regolata per mezzo di attuatori convenzionali (ad esempio riscaldatori ).
Il principale vantaggio offerto dal sistema di rivelazione 100 comprendente i risonatori ottici è la possibilità di rilevare la condizione di risonanza di un risonatore, senza la necessità di estrarre l'intensità della luce (né all'interno del risonatore né alle porte di uscita), e senza alterare il fattore di qualità del risonatore, essendo questo parametro estremamente sensibile a ulteriori perdite che si verificano all'interno del risonatore.
La figura 15(b) mostra un secondo risonatore ottico 310, di tipo ad anello risonante, in cui il feedback ottico è fornito da un primo divisore di potenza 311 e da un secondo divisore di potenza 312 che dividono la luce di ingresso in due percorsi, secondo i rapporti T e R, rispettivamente. Il primo divisore di potenza 311 comprende un primo ingresso 313 (per la radiazione ottica) e una prima uscita 314 ed una seconda uscita 315. Il secondo divisore di potenza 312 comprende un secondo ingresso 316 e una terza uscita 317 ed una quarta uscita 318. La seconda uscita 314 è accoppiata otticamente al secondo ingresso 316 mediante, per esempio, un primo tratto di guida d'onda ottica (oppure una fibra ottica o un tratto in spazio libero a seconda della tecnologia impiegata) 320 mentre la quarta uscita 318 è accoppiata otticamente ad un ulteriore ingresso 321 del primo divisore 311 mediante un secondo tratto di guida d'onda ottica integrata 322 (oppure una fibra ottica o un tratto in spazio libero a seconda della tecnologia impiegata) . Per il secondo risonatore 310 valgono considerazioni analoghe a quelle fatte con riferimento al primo risonatore 300.
Pluralità di risonatori accoppiati
In alcuni circuiti ottici basati sui risonatori ottici, le porte di uscita dei risonatori non sono direttamente accessibili, in modo che l'unico modo per conoscere lo stato del risonatore, secondo le tecniche convenzionali, è la misura dell'intensità della radiazione ottica, per esempio la luce, all'interno del risonatore.
Un esempio di tale situazione è illustrato in figura 17(a) che mostra il caso in cui il mezzo ottico 1 include il circuito ottico 30 comprendente come elementi ottici EOI-EONuna cascata di risonatori ottici Risl-RisN accoppiati direttamente. In tale pluralità di risonatori, un risonatore di ingresso Risi è dotato di un ingresso IN per la radiazione ottica e un risonatore di uscita RisN è dotato di una uscita OUT per la radiazione di uscita. I risonatori della pluralità Risl-RisN possono essere, per esempio, risonatori ad anello, analoghi al risonatore 310 di figura 15(b) .
La figura 17 (c) mostra schematicamente un esempio di realizzazione del primo risonatore ad anello Rsl che comprende (oltre al primo ed al secondo divisore 312 e 314 qui non mostrati) anche un attuatore ottico 323 che si basa su effetti termici o elettroottici per modificare la frequenza di risonanza del primo risonatore ad anello Rsl. L' attuatore ottico 323 è controllato da un circuito di controllo 324 collegato al blocco elettronico 200.
I risonatori accoppiati Risl-RisN possono essere utilizzati in ottica in un gran numero di applicazioni, tra cui filtri per la multiplazione a divisione di lunghezza d'onda (Wavelength Division Mult iplexing, WDM) , linee di ritardo (fisse e regolabili), dispositivi per la conversione della lunghezza d'onda, e dispositivi per la generazione di singoli fotoni in ottica quantistica. In queste strutture, si richiede che le cavità ottiche risuonino a frequenze ben definite. Ad esempio, nel caso di filtri ottici, tutti i risonatori devono condividere esattamente la stessa frequenza di risonanza .
La figura 17(b) mostra l'andamento, in funzione della frequenza normalizzata fn = (f-fr)/FSR, della trasmittanza di un circuito ottico 30 comprendente un filtro a quattro risonatori ad anello Risl-Ris4 nel caso di frequenze risonanti correttamente allineate (curva G, linea continua) e nel caso di deviazione casuale (con una deviazione standard di FSR/5) della frequenza di risonanza di ciascun anello (curva J, linea tratteggiata) .
A causa del disallineamento delle risonanze, sia la zona della banda passante che la zona di taglio fuori banda del filtro sono fortemente influenzate. Le frequenze di risonanza dei risonatori Rsl-RsN possono essere regolate modificando localmente il materiale ottico di ciascun risonatore attraverso un relativo attuatore ottico 323 (vedi figura 17 (c)).
Si osservi che in una struttura a risonatori accoppiati di tipo convenzionale non è possibile leggere individualmente la frequenza di risonanza di ciascun anello dalle misure alle porte di ingresso ed uscita del circuito ottico, e di conseguenza gli attuatori che controllano la frequenza di risonanza non possono essere efficacemente controllati.
Come già affermato per il primo ed il secondo risonatore 300 e 310, anche il sistema di rivelazione 100 che comprende come mezzo ottico 1 il circuito ottico 30 di figura 17 (a) permette di rilevare la condizione di risonanza di un risonatore dal livello di potenza ottica all'interno del risonatore stesso, quindi indipendentemente dalla presenza di risonatori laterali accoppiati di altri dispositivi ottici.
Pertanto, lo stato di ciascun risonatore ad anello Rsl-RsN è determinato grazie a misure di variazione di impedenza effettuate mediante un relativa coppia di elettrodi Ec ed il circuito elettrico 200. Grazie a tale valutazione dello stato dei risonatori Rsl-RsN, il circuito di controllo 324 può inviare un segnale di retroazione Sfeedal1 'attuatore ottico 323 controllando la frequenza di risonanza di uno o più risonatori Rsl-RsN.
Si osservi che la regolazione delle modalità di funzionamento di un elemento ottico mediante un attuatore non si limita al caso strutture a risonatori accoppiati ma a qualsiasi altro tipo di elemento ottico OEI-OENdel circuito ottico 30 di figura 14.
In questo modo, il comportamento corretto di ciascun elemento ottico OEI-OENe del circuito ottico 30 del sistema di rivelazione 100 può essere automaticamente ed adattat ivamente modificato per compensare gli effetti delle tolleranze di fabbricazione, delle fluttuazioni ambientali, dell'invecchiamento dei componenti, e più in generale di tutti quei fattori che degradano le prestazioni del circuito stesso.
Circuito ottico con configurazione differenziale La figura 18 mostra una forma di attuazione del sistema di rivelazione 100 in cui il mezzo ottico 1 comprende un interferometro 60 includente un primo ramo ottico 325 e un secondo ramo ottico 326, realizzati, ad esempio, mediante rispettive guide d'onda ottiche integrate. Il primo ramo ottico 325 è dotato di un ingresso 327 per una radiazione ottica d'ingresso con intensità Iined inoltre è otticamente accoppiato con il secondo ramo ottico 326 in modo da formare un primo divisore ottico DIVI e un secondo divisore ottico DIV2, distanziato dal primo divisore ottico DIVI.
Il secondo divisore DIV2 è accoppiato otticamente anche ad un primo tratto di uscita 328 del primo ramo ottico 325 e un secondo tratto di uscita 329 del secondo ramo ottico 326. Il primo tratto di uscita 328 è elettricamente accoppiato ad un primo elettrodo superiore 2U e ad un secondo elettrodo superiore 3U, analoghi al primo ed al secondo elettrodo 2 e 3 descritti in precedenza. Il primo tratto di uscita 328 è provvisto di una porta di uscita Outl per la radiazione ottica.
Il secondo tratto di uscita 329 è elettricamente accoppiato ad un primo elettrodo inferiore 2D e ad un secondo elettrodo inferiore 3D, analoghi al primo ed al secondo elettrodo 2 e 3 descritti in precedenza. Il secondo tratto di uscita 329 è provvisto di una porta di uscita Out2 per la radiazione ottica. L'interferometro 60 consente di dividere l'intensità Iindella radiazione d'ingresso verso le due porte di uscita Outl e Out2, con un'intensità rispettivamente pari a lout1e lout2 ■
Secondo un esempio, il secondo elettrodo superiore 3U ed il secondo elettrodo inferiore 3D sono collegati al generatore di energia elettrica 4. Il primo elettrodo superiore 2U e il secondo elettrodo superiore 2D sono collegati al circuito di mi sura 50.
1 Il circuito di misura 50, analogo a quello descritto in precedenza, è tale da misurare le variazioni di impedenza (o di un altro parametro elettrico) associate alle variazioni di potenza ottica nel primo tratto di uscita 328 e fornire in uscita un primo segnale di misura SMI· Inoltre, il circuito di misura 50 è tale da misurare anche le variazioni di impedenza (o di un altro parametro elettrico) associate alle variazioni di potenza ottica nel secondo tratto di uscita 329 e fornire in uscita un secondo segnale di misura SM2.
Assumendo che il primo ed il secondo divisore di potenza DIVI e DIV2 siano divisori a 3 dB, il rapporto di suddivisione dell'intensità del campo alle due porte di uscita è dato da:
in cui Δφ = 2 πf(neff 1- neff2L2)/ C è la differenza di sfasamento tra i campi elettrici che si propagano lungo il primo ramo ottico 325 e il secondo ramo ottico 326 dell'interferometro 60, con indici di rifrazione efficaci neff1e neff2/e lunghezze geometriche L1e L2dei tratti del primo ramo ottico 325 e del secondo ramo ottico 326 compresi fra il primo DIVI ed il secondo divisore di potenza DIV2. Secondo l'equazione (6), il rapporto K può essere variato controllando la lunghezza geometrica o l'indice di rifrazione efficace dei materiali ottici dei due rami dell'interferometro 60.
Il primo segnale di misura SM1ed il secondo segnale di misura SM2, rappresentativi delle intensità
Iout1e I0ut2sono forniti a rispettivi ingressi di un comparatore 330, quale un amplificatore operazionale. Il comparatore 330 genera quindi un segnale di differenza SAproporzionale alla differenza delle intensità I0ut1-Iout2, cioè al grado di sbilanciamento dell'interferometro 60.
In un tratto del primo ramo ottico 325, compreso fra il primo divisore DV1 ed il secondo divisore DIV2, può essere disposto un attuatore superiore 323U, analogo al sopra citato attuatore 323 di figura 17. In un tratto del secondo ramo ottico 326, compreso fra il primo divisore DV1 ed il secondo divisore DIV2, può essere disposto un attuatore inferiore 323D, analogo al sopra citato attuatore 323 di figura 17. Il primo ed il secondo attuatore 323U e 323D sono controllati dal circuito di controllo 324. Il primo ramo ottico 325 e il secondo ramo ottico 326 costituiscono delle linee di ritardo per la radiazione ottica aventi un rispettivo ritardo regolabile grazie al primo ed al secondo attuatore 323U e 323D. Il segnale di differenza SΔpuò essere utilizzato dal circuito di controllo 324 per pilotare il primo e il secondo attuatore ottico 323U e 323D, in modo da variare e fissare il grado di bilanciamento dell'interferometro 60, o per modificare dinamicamente il punto di lavoro su qualunque valore desiderato di K.
Si noti che l'impiego di un comparatore 330, e quindi della configurazione differenziale non sono limitati al caso specifico dell'interferometro 60 di tipo Mach-Zehnder , ma tale configurazione può essere applicata per misurare la differenza di intensità di luce tra due generici punti di un generico mezzo ottico .
Accoppiamento ottico fibra-guida
In accordo con un'altra forma di attuazione del sistema di rivelazione 100, questo può essere applicato per l'accoppiamento della luce da una fibra a una guida ottica, e viceversa.
Secondo la tecnica convenzionale, la luce in uscita dalla fibra è accoppiata in una guida ottica posizionando la terminazione della fibra di fronte alla terminazione della guida, che si trova sulla faccetta del chip ottico. La posizione relativa della fibra rispetto alla faccetta del chip è ottimizzata in modo da garantire la massima sovrapposizione tra il modo guidato nella fibra e il modo propagante della guida ottica, garantendo così la massima iniezione di luce nella guida.
Per poter ottimizzare la posizione della fibra di ingresso, la quantità di luce accoppiata nella guida deve essere nota, e quindi misurata. A questo scopo, la procedura convenzionale richiede l'utilizzo di una seconda fibra ottica per raccogliere la luce in uscita dalla guida, posizionata in prossimità della terminazione della guida. La luce in uscita dalla guida viene poi misurata da un fotodiodo o da un foto rilevatore convenzionale a valle della fibra ottica di uscita. Questa procedura ha due svantaggi Principali:
1) due fibre ottiche devono essere allineate simultaneamente, per garantire l'accoppiamento in ingresso e in uscita, cioè verso e dalla guida rispettivamente. Ciò rende la procedura di allineamento onerosa in termini di tempo e difficilmente realizzabile tramite algoritmi automatici . Infatti , il posizionamento delle due fibre implica la massimizzazione di una funzione di costo non necessariamente convessa con sei gradi di libertà spaziali (posizione [x, y, z] di ciascuna terminazione della fibra rispetto alle terminazioni della guida), che in generale ha vari massimi relativi, rendendo così proibitiva la convergenza verso un valore assoluto.
2) poiché la luce raccolta dalla fibra di uscita si è propagata attraverso l'intero chip ottico, le proprietà del campo ottico alla sezione della faccetta di uscita possono essere significativamente diverse da quelle del campo alla sezione della faccetta d'ingresso, e in generale non sono note a priori. Per esempio, se la guida ottica è impiegata per realizzare un circuito ottico complesso, l'ampiezza e lo spettro della luce trasmessa attraverso il circuito possono essere fortemente modificati. Pertanto, non è possibile definire/stabilire un'efficienza di accoppiamento desiderata con algoritmi da essere utilizzati in sistemi di allineamento automatici.
La figura 19(a) mostra il sistema di rivelazione 100 impiegato per l'accoppiamento ottico fra una fibra ottica 400 e una quattordicesima guida d'onda WG14, che può essere una delle guide d'onda precedentemente descritte.
Alla quattordicesima guida d'onda WG14 sono applicati, analogamente a quanto descritto in precedenza, il primo elettrodo 2 ed il secondo elettrodo 3 a formare una relativa coppia di elettrodi Ecia sua volta collegati al generatore di energia 4 e al circuito di misura 50 e cioè a blocco elettrico di sonda 200.
Poiché il sistema di rivelazione 100 consente una valutazione della luce che propaga nella quattordicesima guida d'onda WG14 . Il segnale elettrico di misura SMfornito dal circuito di misura 50 può essere utilizzato per pilotare un attuatore di allineamento 401, controllando soltanto la posizione della fibra 400 in modo da massimizzare l'efficienza di accoppiamento. L' attuatore di allineamento 401 può comprendere stepper motors o piezo-attuatori .
In questo modo l'allineamento di ciascuna fibra può essere realizzato individualmente, senza bisogno di una fibra ottica ausiliaria da allineare simultaneamente alla terminazione della guida. Inoltre, la coppia di elettrodi Ecipuò essere vantaggiosamente disposta vicino alla terminazione d'uscita della quattordicesima guida WG14, così che l'intensità della luce propagante non sia affetta da nessun circuito ottico presente tra la faccetta d'ingresso e gli elettrodi stessi.
L'accoppiamento tra una fibra ottica e una guida d'onda può anche avvenire tramite un reticolo ottico, o altri ben noti sistemi di accoppiamento come ad esempio prismi o strutture a cristallo fotonico . I reticoli di accoppiamento sono dispositivi ben noti e ampiamente utilizzati per iniettare luce all'interno della una guida. La posizione relativa e l'angolo della fibra rispetto al reticolo di accoppiamento sono ottimizzati in modo da garantire il massimo trasferimento di potenza dalla fibra alla guida. Secondo le tecniche convenzionali, per ottimizzare la posizione e l'angolo della fibra di ingresso, la quantità di luce accoppiata nella guida deve essere raccolta e misurata tramite una seconda fibra ottica, posizionata in prossimità di un secondo reticolo di accoppiamento alla terminazione di uscita della guida. Questa procedura, che richiede l'allineamento simultaneo di due fibre ottiche, ha lo stesso svantaggio del caso dell'accoppiamento sopra descritto .
Come mostrato in figura 19(b), il sistema di rivelazione 100 può essere impiegato per accoppiare la fibra 400 alla quattordicesima guida d'onda WG14 dotata del reticolo ottico 402. In questo modo l'allineamento di ciascuna fibra può essere fatto individualmente, senza bisogno di una fibra ausiliaria simultaneamente allineata da un'altra terminazione della guida.
Test di wafer ottici
Secondo una ulteriore forma di attuazione del sistema di rivelazione 100, schematizzata in figura 20, il mezzo ottico 1 è un wafer 500 sul quale sono integrati i componenti ottici OEI-OEn. Il wafer ottico 500 è munito di una relativa prima porta di ingresso
Pii per la radiazione ottica Sopla quale è accoppiata otticamente ad una guida d'onda integrata di ingresso 410. La guida d'onda integrata di ingresso 410 è, a sua volta, accoppiata mediante un pluralità di divisori ottici di potenza Dv1-Dvsad una pluralità di guide d'onda integrate WGW1-WGwN, ciascuna accoppiata ad uno dei componenti ottici OEi- OEN. Le guide d'onda integrate WGW1-WGwNe/o i componenti ottici OE1- OENpossono essere guide d'onda del tipo descritto in precedenza, possono comprendere altri dispostivi ottici quali, per esempio, i risonatori descritti o altre tipologie di componenti ottici.
Il testing a livello di wafer permette una caratterizzazione del processo di fabbricazione sul wafer 500 intero senza bisogno di suddividerlo e tagliarlo in chip e di realizzarne un packaging. Secondo lo schema di figura 20, la radiazione Sopin ingresso prodotta da una sorgente ottica è accoppiata alla guida d'ingresso 410 ed è successivamente divisa sulle guide d'onda WGW1-WGwNattraverso i divisori di potenza ottici Dv1-Dvs.
Il test del wafer 500 è effettuabile mediante l'impiego di un singolo ingresso ottico, cioè la porta di ingresso (Pii), e la potenza ottica che interessa i componenti ottici OEI-OENè valutata grazie agli elettrodi EI-ENe al blocco di controllo 200, come già descritto in precedenza.
Le forme di attuazione descritte con riferimento alle figure 1-20, presentano numerosi vantaggi tra i quali :
• La tecnica di rivelazione descritta non è invasiva poiché non introduce perdite ottiche addizionali né modulazioni spurie (indesiderate) di ampiezza, fase, frequenza o polarizzazione (o loro combinazioni) nel segnale ottico.
• La tecnica descritta può essere locale poiché la dimensione dell'area di rilevamento può essere ridotta fino a poche decine di μm<2>(miniaturizzazione) .
La tecnica descritta può essere multi-sito e può essere facilmente parallelizzata in un numero potenzialmente illimitato di siti di rilevamento (le limitazioni sono poste a livello di sistema per la disposizione dei contatti elettrici e degli elettrodi) . Tecniche di multiplexing ed elettronica integrata garantiscono centinaia o migliaia di aree di rilevamento.
• La tecnica descritta può essere integrata in un qualunque sistema ottico senza step di fabbricazione addizionali (cioè senza costi di processo aggiuntivi) e senza bisogno di modificare il livello ottico (progetto indipendente), poiché gli elettrodi metallici sono indipendenti dai livelli sottostanti, e molto spesso sono già presenti nel processo di fabbricazione dei dispositivi, ad esempio per la realizzazione di attuatori termici o termo-controllori.
• L'allineamento degli elettrodi di lettura con le guide sottostanti non è particolarmente critico, e i margini di allineamento sono totalmente compatibili con qualunque tecnologia di fabbricazione, anche quelle meno recenti che hanno accuratezze soltanto dell'ordine di qualche μm.
• La tecnica descritta si adatta a qualunque tecnologia di fabbricazione, a materiali diversi, e in particolare ai semiconduttori, come per esempio il silicio e il fosfuro d'indio .
• La tecnica descritta è compatibile con i processi di fabbricazione CMOS poiché i circuiti di rilevamento del segnale elettrico possono essere facilmente implementati con la microtecnologia CMOS standard. Il vantaggio primario è la diretta integrazione monolitica del dispositivo di rilevamento con i sistemi fotonici in silicio. Altri vantaggi includono la possibilità di realizzare sistemi miniaturizzati (chip di pochi mm) per il rilevamento della luce, e quindi oggetti estremamente portabili e potenzialmente a basso costo (adatti a larghi volumi di produzione).
La tecnica descritta permette di realizzare un testing a livello di wafer.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di rivelazione di radiazione ottica (100), comprendente: un mezzo ottico (1) strutturato in modo da definire una regione ottica (5) adatta alla trasmissione della radiazione ottica ed avente associato almeno un parametro elettrico variabile in funzione della radiazione ottica che interessa detta regione; almeno un elettrodo (2, 3) accoppiato elettricamente al mezzo ottico (1) e distanziato da detta regione (5), un generatore di energia elettrica (4) collegato a detto almeno un elettrodo (2) e strutturato per fornire un segnale elettrico (Se)da applicare al mezzo ottico; un circuito elettrico di misura (50) collegato a detto almeno un elettrodo (3) e strutturato per fornire un segnale elettrico di misura (SM)rappresentativo di una variazione di detto almeno un parametro elettrico dipendente dalla radiazione ottica.
- 2. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 1, in cui detta distanza rispetto alla regione interessata dalla radiazione ottica (5) è scelta in modo tale da rendere trascurabile una perturbazione in ampiezza, fase, frequenza, o polarizzazione della radiazione ottica da parte di detto almeno un elettrodo.
- 3. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 2, in cui detta distanza è scelta in modo che un valore di ampiezza del campo elettrico E (d) associato alla radiazione ottica che agisce su detto almeno un elettrodo sia inferiore ad un valore massimo di ampiezza del campo elettrico E0associato alla radiazione ottica che agisce in detta regione (5) secondo la relazione in decibel: R= |E0/E(d)|<2>> 10 dB, preferibilmente, R è maggiore di 20 dB, più preferibilmente R è maggiore di 30 dB e ancora più preferibilmente R è maggiore di 40 dB.
- 4. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 1, in cui detta mezzo ottico (1) comprende almeno uno dei seguenti dispostivi ottici: guida d'onda (WG1), guida d'onda integrata, guida d'onda integrata di tipo ridge (WG2), guida d'onda integrata di tipo rib (WG3), guida d'onda a canale (WG12), guida realizzata in tecnologia cristallo fotonico, guida slot, guida ottenuta attraverso processi di diffusione, guide ottenute mediante titanio diffuso in un cristallo di niobato di litio, guida d'onda in tecnologia a semiconduttore, in tecnologia con piattaforma silicio-su-isolante, guida d'onda in tecnologia fosfuro di indio, fibra ottica, dispositivo ottico in niobato di litio, dispositivo ottico in silicio amorfo, dispositivo ottico in AlGaAS e sue combinazioni con altri materiali, in particolare quelli appartenenti al gruppo III-V (per esempio, InP), germanio e sue combinazioni con altri materiali, in particolare quelli appartenenti al gruppo IV (per esempio Si), risonatore ottico, risonatore Fabry-Pérot (300), risonatore ad anello (310), una pluralità di risonatori otticamente accoppiati (30) interferometro ottico, interferometro Mach-Zehnder (60), un circuito ottico integrato su un wafer (500).
- 5 Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 1, in cui detto almeno un parametro elettrico è correlato a o è almeno uno delle seguenti grandezze elettriche: una resistenza elettrica associata al mezzo ottico, una capacità elettrica associata al mezzo ottico, una impedenza elettrica associata al mezzo ottico, una tensione elettrica associata al mezzo ottico, una corrente elettrica associata al mezzo ottico, un'ammettenza elettrica associata al mezzo ottico.
- 6. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 2, in cui detto almeno un elettrodo e il segnale elettrico da applicare al mezzo ottico sono tali per cui un rapporto tra una prima potenza di un segnale ottico di disturbo associato a detto segnale elettrico e una seconda potenza media della radiazione ottica , misurata dopo una propagazione attraverso detta regione (5) è minore di -20 dB, preferibilmente minore di -30 dB, più preferibilmente minore di -40 dB, e ancora più preferibilmente minore di -50 dB.
- 7. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 1, in cui a detto almeno un elettrodo accoppiato elettricamente al mezzo ottico è associata una impedenza di accoppiamento equivalente.
- 8. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 7, in cui: detto generatore è tale per cui il segnale elettrico (Se)avente una frequenza tale da consentire l'accoppiamento di detto segnale elettrico al mezzo ottico (1) mediante detta impedenza di accoppiamento equivalente; detto circuito di misura (50) è strutturato in modo da adottare una delle seguenti tecniche di misura: rilevazione di corrente con il rilevamento sincrono (lock-in), tecniche basate su circuiti a mezzo-ponte, tecniche basate su circuiti a ponte nella configurazione a partitore raziometrico, tecniche basate su circuiti a ponte intero, tecniche basate sul ponte di Wheatstone), tecniche basate sulla trasformata veloce di Fourier FFT, Fast Fourier Transform, tecniche risonanti.
- 9. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 1, in cui il sistema è strutturato per misurare detto segnale elettrico di misura (SM) rappresentativo di una variazione di detto almeno un parametro elettrico dipendente dalla radiazione ottica nell'ambito di una delle seguenti applicazioni: sondaggio ottico per la misura della quantità di radiazione ottica in detta regione, valutazione della condizione di risonanza di risonatori, posizionamento ai fini dell'accoppiamento ottico fibra-guida, test di wafer ottici.
- 10. Sistema di rivelazione secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un dispositivo attuatore (324) collegato a detto circuito di misura (50) e configurato per modificare caratteristiche di funzionamento del mezzo ottico (1) in funzione di detto segnale di misura.
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