ITTO941064A1

ITTO941064A1 - Elemento ottico non lineare per elevatissime frequenze di cifra.

Info

Publication number: ITTO941064A1
Application number: IT94TO001064A
Authority: IT
Inventors: Domenico Campi
Original assignee: Cselt Centro Studi Lab Telecom
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1996-06-23
Also published as: JP2692041B2; ITTO941064A0; EP0718670A3; EP0718670A2; CA2166041A1; IT1268194B1; JPH08234248A; US5689357A

Abstract

L'ELEMENTO OTTICO NON LINEARE PER ELEVATISSIME FREQUENZE DI CIFRA CONSISTE IN UNA PIASTRINA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE IN CUI E' REALIZZATA UNA SUCCESSIONE DI STRATI VARIAMENTE DROGATI, CHE POSSONO FASE ESSERE ATTRAVERSATI IN OPERATIVA DA UNA O PIU' RADIAZIONI LUMINOSE.E' COMPOSTO DA UNA SUCCESSIONE DI STRUTTURE CHE MOSTRANO NON-LINEARITA' ECCITONICHE, POSTE GEOMETRICAMENTE VICINE A STRATI DI DIMENSIONI MAGGIORI, CHE FUNGONO DA SERBATOIO DI DILUIZIONE/RICOMBINAZIONE PER I PORTATORI ELIMINATI DALLE STRUTTURE NON LINEARI.ESSO PERMETTE DI REALIZZARE DISPOSITIVI OTTICI, QUALI MEMORIE, ACCOPPIATORI DIREZIONALI, COMMUTATORI, ETC., IN CUI LA NON-LINEARITA' ECCITONICA VELOCE E' MOLTO EVIDENTE E IN CUI I PORTATORI SONO ELIMINATI IN INTERVALLI DI TEMPO COMPRESI TRA 1 e 10 PS, POTENDO COSI' OPERARE AD ELEVATISSIME FREQUENZE.

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

ELEMENTO OTTICO NON LINEARE PER ELEVATISSIME FREQUENZE DI CIFRA"

Testo della descrizione

La presente invenzione riguarda il campo delle telecomunicazioni utilizzanti radiazioni luminose come veicoli d'informazione e in particolare si riferisce a un elemento ottico non lineare per elevatissime frequenze di cifra.

I moderni sistemi di telecomunicazioni ottiche fanno uso sia di dispositivi optoelettronici, quali i laser e gli amplificatori ottici, sia di dispositivi elettro-ottici, quali i modulatori e le matrici di commutazione, che sono in grado di funzionare in modo soddisfacente fino a frequenze di cifra dell'ordine dei Gbit/s.

Volendo operare a frequenze più alte, si incontrano serie difficoltà derivanti dalla natura "elettrica" degli attuali dispositivi. Infatti, la tecnologia odierna non permette di ottenere dispositivi elettro-ottici con capacità fra gli elettrodi di pilotaggio inferiori a qualche frazione di pF, il che porta la frequenza, di taglio, determinata dalla costante di tempo RC dei dispositivi, a valori che non possono superare l'ordine di grandezza indicato.

Anche i dispositivi opto-elettronici hanno limiti di velocità di funzionamento dovuti al fatto che essi non possono essere modulati direttamente a frequenze superiori a qualche CHz, in quanto ciò richiederebbe che la cavità fosse svuotata e riempita di portatori di carica a velocità di transito non praticamente raggiungibili.

D'altro canto, si può già ora prevedere che i sistemi del futuro richiederanno frequenze di cifra molto alte, dell'ordine delle centinaia di Gbit/s, allo scopo di poter fornire su ampia scala servizi multimediali a larga banda. Saranno pertanto necessari sistemi molto più veloci, che potranno essere realizzati solo con dispositivi a controllo completamente ottico. Infatti, se nei dispositivi elettro-ottici o opto-elettronici le variazioni dei parametri che definiscono la funzione di trasferimento sono ottenute mediante un comando elettrico, sia esso in tensione o in corrente, nei dispositivi a controllo ottico le stesse variazioni sono ottenute grazie alle variazioni di ampiezza dello stesso segnale luminoso in transito. Queste ultime variazioni possono essere effettuate ad elevatissima frequenza di cifra. Il funzionamento dei dispositivi a controllo ottico è basato sull'utilizzo di materiali ottici non-lineari, cioè materiali le cui proprietà ottiche dipendono dall'intensità della radiazione luminosa. Esistono molti materiali che esibiscono non-linearità ottiche, quali vetri, polimeri, cristalli, etc., tuttavia per ottenere i marcati effetti di non-linearità a lunghezze d’onda compatibili con quelle utilizzate per le telecomunicazioni è necessario ricorrere a particolari strutture in semiconduttore, dette etero-strutture a pozzi quantici multipli. Il ricorso a tali strutture consente altresì l'integrazione monolitica degli elementi ottici nonlineari con altri dispositivi necessari per la realizzazione dei sistemi di trasmissione.

In generale, le proprietà ottiche dei semiconduttori e, in particolare, quelle delle etero-strutture a pozzi quantici, dipendono dalla densità di portatori presenti al loro interno. Inviando in essi una radiazione luminosa a una lunghezza d'onda tale da essere assorbita completamente o in parte, si provoca la fotogenerazione di coppie elettrone-lacuna, libere o legate attraverso un'interazione di tipo coulombiano. In quest'ultimo caso le coppie generate, denominate eccitoni, sono dei sistemi di tipo idrogenoide formati da un elettrone e da una lacuna, che, nei materiali a confinamento quantistco decadono in qualche centinaio di fs.

Questo comportamento transiente può essere convenientemente utilizzato per costruire elementi ottici nonlineari funzionanti ad altissime frequenze di cifra, dell'ordine di 100 Gbit/s.

Purtroppo, gli eccitoni rompendosi per collisioni con fononi, danno luogo a coppie elettrone-lacuna libere. Queste coppie elettrone-lacuna danno a loro volta origine a nonlinearità ottiche meno intense, che decadono normalmente i su scale di tempo relativamente lunghe per eliminazione dei portatori dalla struttura, per esempio per diseccitazione radiativa. Nei semiconduttori più comunemente utilizzati questo fenomeno avviene in un intervallo compreso tra 1 e 10 ps, che è troppo lungo per consentire applicazioni efficaci nel camp!o delle telecominicazioni ottiche.

Alcuni metodi per eliminare i portatori dalla struttura in tempi più brevi sono già conosciuti.

Un primo metodo è descritto nell'articolo dal titolo "130 ps recovery of alloptical switching in a GaAs multiquantum well directional coupler", di P. LiKamWa e altri, apparso in Applied Physics Letters, Voi. 58, n. 19, 13 Maggio 1991, pag. 2055-2057. Esso consiste nell'applicare campi elettrici per risucchiare i portatori ed utilizzarli in un circuito elettrico, con tempi dell'ordine dei 100 ps. Questo metodo presenta una complicazione legata alla presenza di elettrodi: gli elettrodi infatti assorbono energia dal segnale ottico e si scaldano, dando luogo ad effetti non lineari di origine termica, competitivi con quelli di natura eccitonica/elettronica e lentissimi (sulla scala dei ps). Questo fatto è particolarmente evidente quando si utilizzano dispostivi in geometria guidata, poiché la luce persa nell'accoppiamento irradia gli elettrodi.

Un altro metodo è descritto nell'articolo dal titolo "Femtosecond dynamics of thè nonlinear index near thè band edge in AlGaAs waveguides", di K.K. Anderson e altri, apparso in Applied Physics Letters, Voi. 56, n. 19, 7 Maggio 1990, pag. 1834-1836. Esso prevede, solo per dispositivi guidanti, di diffondere i portatori al di fuori della zona non lineare o, comunque, della zona guidante del dispositivo.

Un ultimo metodo, descritto nell'articolo dal titolo "Mode locking of semiconductor diode lasers using saturable excitonic nonlinearities", di P.W. Smith e altri, apparso in Journal of thè Optical Society of America, Voi. 2, n. : 7, Luglio 1985, ottiene la ricombinazione non radiativa dei portatori su centri di danno cristallografico indotti mediante impiantazione ionica, per esempio impiantazione di protoni in dosi di circa 10^ cm'2. Si ottengono ricombinazioni con costanti di tempo intorno ai 100 ps, però gli effetti non-Iineari ottenibili risultano in certa misura degradati a causa del danno cristallografico indotto nella struttura in semiconduttore in seguito aH'impiantazione.

Nessuno dei suddetti metodi può operare su scale di tempo più ridotte dei ' 100 ps, e quindi non consente di sfruttare appieno delle non-linearità che avvengono su scale di tempo 1000 volte più rapide.

Ovvia ai suddetti inconvenienti l'elemento ottico non lineare, oggetto della presente invenzione, il quale permette di realizzare dispositivi ottici, quali memorie, accoppiatori direzionali, commutatori, etc, in cui la non-linearità eccitonica veloce è molto evidente e in cui i portatori sono eliminati in ' intervalli di tempo compresi tra 1 e 10 ps, potendo così operare ad elevatissime frequenze di cifra.

E' particolare oggetto della presente invenzione un elemento ottico non lineare per elevatissime frequenze di cifra, consistente in una piastrina di ' materiale semiconduttore in cui è realizzata una successione di strati variamente drogati, che possono essere attraversati in fase operativa da una o più radiazioni luminose, caratterizzato dal fatto che è composto da una successione di strutture che mostrano non-linearità eccitoniche, poste geometricamente vicine a strati di dimensioni maggiori, che fungono da serbatoio di diluizione/rìcombinazione per i portatori eliminati dalle strutture non lineari, dette strutture essendo costituite da un primo pozzo quantico delimitato da strati di confinamento e detti strati di dimensioni maggiori essendo secondi pozzi quantici.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno meglio chiarite dalla seguente descrizione di una forma preferita di realizzazione della stessa, data a titolo di esempio non limitativo, e dai disegni annessi in cui:

- la Fig. 1 rappresenta la successione di strati di semiconduttore di cui è costituito l'elemento ottico non lineare;

- la Fig. 2 rappresenta il profilo di potenziale in banda di conduzione relativo alla successione di strati di Fig. 1;

- la Fig. 3 rappresenta un'altra realizzazione dell'elemento ottico.

L'elemento ottico consiste in una piastrina di materiale semiconduttore in cui è realizzata una successione di strati variamente drogati, attraversati in fase operativa da una o più radiazioni luminose. In particolare, l'elemento ottico è composto da una successione di strutture che mostrano non-linearità eccitoniche, poste geometricamente vicine a strati di dimensioni maggiori, che fungono da serbatoio di diluizione/ricombinazione per i portatori eliminati dalle strutture non lineari. Gli strati di dimensioni maggiori devono essere tali da:

- non mostrare non-linearità eccitoniche ed avere ridotte non-linearità da portatori;

- permettere ai portatori di trasferirvisi rapidamente, inducendo effetti non lineari di entità trascurabile;

- evitare la fotogenerazione di portatori.

Il meccanismo di trasferimento dei portatori dalla struttura non lineare al serbatoio di diluizione/ricombinazione è il tunnelling risonante attraverso la barriera di potenziale che separa le due parti, fenomeno che avviene sulla scala del ps, ed è ampiamente accordabile in dipendenza dell'altezza e dell'estensione spaziale della barriera di potenziale.

Il trasferimento è dovuto alla differenza di densità di portatori tra la struttura non lineare, in cui vengono inizialmente fotogenerati i portatori, e il serbatoio, inizialmente vuoto.

In sintesi, nell'elemento avviene la seguente successione di fenomeni:

1) gli eccitoni, fotogenerati risonantemente, causano una non-linearità veloce e si rompono velocemente, originando portatori in circa 200 fs;

2) in tempi comparabili i portatori tendono a portarsi in una situazione di quasiequilibrio all'interno della struttura non lineare, stabilendo un quasi-livello di Fermi;

3) essendo il livello di Fermi nello strato di diluizione molto più basso, la differenza di energia tra i livelli provoca la diffusione dalla struttura non lineare allo strato serbatoio mediante tunnelling attraverso la barriera.

In Fig. 1 è rappresentata la successione di strati di semiconduttore, aventi dimensioni e composizioni chimiche diverse, che realizzano l'elemento ottico non lineare.

Le caratteristiche di funzionamento precedentemente descritte si ottengono mediante una opportuna scelta della composizione chimica e dello spessore dello strato serbatoio. In particolare, il maggior spessore permette di ottenere effetti di confinamento eccitonico minimi o inesistenti. Inoltre, la soglia ottica dello strato serbatoio è ad energia maggiore rispetto alla struttura non lineare, per cui non contribuisce alle non-linearità e, soprattutto, non contribuisce alle perdite del dispositivo.

Perchè ciò avvenga effettivamente il materiale dello strato serbatoio deve essere di ottima qualità cristallografica e ottica. In caso contrario ci sarebbero effetti di allargamento del bordo di assorbimento che darebbero origine a perdite. In Fig. 1 con 1 e 3 sono indicati due strati fabbricati in InP, spessi circa S nm, con 2 uno strato fabbricato in InGaAs, spesso circa 5 nm, e con 4 uno strato fabbricato in InGaAsP, spesso circa 20 nm. Gli strati 1, 2 e 3 costituiscono la struttura che presenta non-linearità eccitoniche, mentre lo strato 4 è quello che funge da serbatoio di diluizione/ricombinazione. Gli strati 2 e 4 realizzano pozzi quantici di dimensioni differenti, gli strati 1 e 3 realizzano strati di confinamento. Lo strato serbatoio deve essere di materiale diverso dalla struttura non lineare per ottenere l'allineamento dei livelli in banda di conduzione e quindi facilitare il trasferimento per tunneling e il riempimento del serbatoio.

Infatti, dopo il tunneling il quasi-livello di Fermi sarà allineato lungo tutta la struttura. Se i livelli dello strato serbatoio fossero più alti in modo eccessivo non si riempirebbero efficientemente.

In Fig. 2 è rappresentato il profilo di potenziale in banda di conduzione relativo alla successione di strati di Fig. 1. i

Per la realizzazione del trasferimento per tunnelling, senza interferenza con il funzionamento ottico, è necessario che:

1) i livelli energetici elettronici a più bassa energia della struttura non lineare e quello dello strato serbatoio siano allineati entro qualche meV. Questa richiesta è particolarmente pressante per la banda di valenza (livelli di lacuna pesante); 2) rispetto alle proprietà ottiche questo fa sì che il salto di energia (energy gap) della struttura non lineare sia uguale a quello dello strato serbatoio;

3) l'energia dei fotoni del segnale ottico da elaborare attraverso la struttura sia sufficientemente alta da causare la fotogenerazione di eccitoni nella struttura non lineare e sufficientemente bassa da non generare apprezzabili quantità di portatori sia nella struttura non lineare, sia nello strato serbatoio.

In pratica, l'elemento ottico può essere realizzato accostando pozzi quantici di dimensioni e/o composizione diversa e può essere utilizzato anche in circuiti ottici integrati. Inoltre, lo strato serbatoio può essere eventualmente drogato in modo da | indurvi centri di ricombinazione non radiativa, attraverso cui i <1 >portatori accumulatisi possano essere eliminati in tempi di circa 10 ps. Ciò può essere ottenuto, per esempio, mediante il drogaggio con elementi di transizione, quali Fe o Co.

Un altro esempio di realizzazione dell'elemento ottico è illustrato in Fig. 3. E' questa una soluzione particolarmente vantaggiosa, in quanto permette una diluizione dei portatori molto efficiente. Essa comprende sia strutture non lineari basate su fili quantici (quantum wires), indicati con 5, e su strati di confinamento, indicati con 6, sia strati serbatoio, che possono essere comunque buchi; o pozzi quantici, indicati con 7. Le dimensioni trasversali dei fili quantici rappresentati in figura possono essere di circa 5 nm in altezza per 5-10 nm in larghezza,

Un altro aspetto favorevole di questa realizzazione sta nel fatto che l'energia di legame degli eccitoni nei fili quantici è particolarmente elevata per effetto dell'aumentato confinamento. Ciò rende più semplice soddisfare il vincolo sull'energia dei fotoni illustrato precedentemente.

La realizzazione pratica degli elementi ottici avviene come segue:

1) si realizza una sequenza di pozzi quantici di composizione adatta alternando uno strato di materiale non lineare a basso salto di energia, per es. InG aAs, uno strato ad alto salto di energia, per es. InP, uno strato a medio salto di energia, per es. InGaAsP, per realizzare un serbatoio e poi daccapo;

2) si definiscono sulla superficie del campione delle nano-geometrie laterali con EBL (Electron Beam Lithography);

3) si attacca la struttura fino al substrato, o allo strato buffer, secondo la tecnica ECR-RIE (Electron Cyclotron Resonant-Reactive Ion Etching);

4) si ricresce con tecnica epitassiale opportuna, avendo cura di ricrescere in forma di piani il materiale quaternario e le barriere di InP. Attorno ai Fili quantici si ricresece InP secondo lo schema di Fig. 3.

E' evidente che quanto descritto è stato dato a titolo di esempio non limitativo. Varianti e modifiche sono possibili senza per questo uscire daH'ambito di protezione delle rivendicazioni.

Claims

Rivendicazioni 1. Elemento ottico non lineare per elevatissime frequenze di cifra, consistente in una piastrina di materiale semiconduttore in cui è realizzata una successione di strati variamente drogati, che possono essere attraversati in fase operativa da una o più radiazioni luminose, caratterizzato dal fatto che è composto da una successione di strutture che mostrano non-linearità eccitoniche, poste geometricamente vicine a strati di dimensioni maggiori, che fungono da serbatoio di diluizione/ricombinazione per i portatori eliminati dalle strutture non lineari, dette strutture essendo costituite da un primo pozzo quantico (2, 5) delimitato da strati di confinamento (1, 3, 6) e detti strati di dimensioni maggiori essendo secondi pozzi quantici (4, 7).
2. Elemento ottico non lineare come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo pozzo quantico è uno strato (2) fabbricato in InGaAs, spesso circa S nm .
3. Elemento ottico non lineare come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo pozzo quantico è un filo (S) fabbricato in InGaAs con dimensioni trasversali di circa 5 nm in altezza per 5-10 nm in larghezza.
4. Elemento ottico non lineare come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti secondi pozzi quantici (4, 7) sono fabbricati in InGaAsP e sono spessi circa 20 nm.
5. Elemento ottico non lineare come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti strati di confinamento (1, 3, 6) sono fabbricati in InP e sono spessi circa 5 nm .
6. Elemento ottico non lineare come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti secondi pozzi quantici (4, 7) sono drogati con elementi di transizione (Fe, Co).