Innovative Traveling-Wave Optoelectronic Devices for Radio over Fiber and Terahertz Applications

La structure des composants conventionnels pour les applications optoélectroniques à haute fréquence ainsi que son intégration avec d'autres composants peuvent être modifiées en utilisant les guides d'ondes à faible perte. Par ailleurs le concept des circuits intégrés au substrat (Substrate Integrated Circuits: SICs), largement utilisé dans les structures des applications micro-ondes, peut être employé pour l'intégration de ces composantes dans les applications à ondes millimétriques (millimetre Wave: mmW) et sous-millimétriques. Dans les systèmes de communication optique et systèmes optoélectroniques, photodétecteurs et modulateurs sont les éléments clés pour la conception des récepteurs et des émetteurs. Les photodétecteurs à ondes progressives (Traveling-Wave: TW) et les modulateurs conventionnels, dans leurs structures, utilisent les lignes microrubans (Microstrip: MS) et les guides coplanaires (Coplanar Waveguide: CPW). Les substrats majoritairement utilisés pour la fabrication des composantes optoélectroniques et électro-optiques, citées ci-dessus, sont en arséniure de gallium (GaAs) et niobate de lithium (LiNbO3). Il faut bien noter que les pertes de micro-ondes/mmW dans les lignes microrubans et les guides coplanaires augmentent avec la fréquence. Ces pertes incluent les pertes ohmique, diélectrique et de rayonnement. Le guide d'ondes rectangulaire ayant une faible perte après la fréquence de coupure sans grand changement, est un guide d'ondes de remplacement pour les composants mmW. Son inconvénient est qu'il n'est pas planaire et difficilement intégrable. Le guide d'ondes intégré au substrat (Substrate Integrated Waveguide: SIW) est une forme planaire du guide d'ondes rectangulaire. Dans ces guides d'ondes les trous métallisés remplacent les parois métalliques du guide rectangulaire. De nouveaux composants optoélectroniques peuvent être proposées avec l'intégration de la structure SIW pour les fréquences mmW. Les photodétecteurs et les modulateurs sont les candidats potentiels pour les nouveaux composants optoélectroniques.

Abstract

The structure of conventional optoelectronic devices for new high frequency applications as well as the integration with other devices may be modified by using low-loss microwave waveguides. Also the concept of substrate integrated circuits (SICs), which has widely been used in the microwave domain, can be utilized for the integration of optoelectronic devices at millimetre wave (mmW) and sub-mmW frequency ranges. Photodetectors and modulators, as optoelectronic devices, are two key components of receivers and transmitters in optical communication systems. Conventional traveling-wave (TW) photodetectors and modulators make use of microstrip (MS) and coplanar waveguide (CPW) in their structures as transmission line electrodes. These electrode structures with high losses cannot be utilized in mmW devices. Microwave/mmW losses of MS and CPW, including ohmic, dielectric and radiative losses, in optoelectronic and electro-optical materials such as gallium arsenide (GaAs) and lithium niobate (LiNbO3) are increased with frequency. Rectangular waveguide (RWG) with constant low loss in specific frequency range after its cut-off frequency is an alternative waveguide for mmW devices, although it is non planar and non integrable. Substrate integrated waveguide (SIW) derived from the general SICs concept is a planar form of RWG with some metalized via holes instead of metallic side walls of RWG. New optoelectronic devices and in particular TW photodetector and modulator can be proposed based on SIW structure for mmW frequency, terahertz (THz) photonics and electro-optical applications. In the design of waveguide photodetectors, the microwave/mmW loss as an important factor for bandwidth limitation is related to two sections, namely, active MS multilayer detection and non-active MS single layer transmission. It is expected that the long section of lossy microstrip line after the detection would significantly limit the bandwidth of the photodetector and may be replaced by low-loss SIW structure. A transition of MS in the photodetector to the multilayer SIW, to separate the photodetector DC bias and SIW metallic plates, is designed and realised in this work.