Performantie-analyse van een uitleessysteem voor optische schijven gebaseerd op een multimodale golfgeleider Doctoraatsverdediging Frederik Fransoo donderdag 14 april 2005
001110111101011110100
Gegevensopslag Golfgeleider-detectiemethode Resolutie Extractie bitpatronen Opsplitsen golfgeleidermodes Metingen Conclusies
Gegevensopslag
Gegevensopslag CPU Lagere prijs per bit Hogere operatiesnelheid Registers Cache geheugen RAM Geheugen Harde schijf Verwisselbaar geheugen
Verwisselbaar geheugen Verschillende types: Flash geheugen Magnetische geheugens Optische schijven Optische schijven: Prijs 3 versies: ROM Schrijfbaar - Herschrijfbaar Levensduur Grootte Snelheid Geheugencapaciteit
Optische gegevensopslag Een klassiek uitleessysteem voor optische schijven: De lichtbron: een laser Een lenzensysteem Detector(en) Op de schijf wordt een lichtvlek belicht. Het gereflecteerde licht wordt opgevangen Door de schijf te bewegen wordt het bitpatroon uitgelezen 001110111101011110100 Detector(en) Laser
Licht: Kleur = golflengte λ = 400 nm = 4 / 10000 van een mm UV Gammastraling Röntgenstraling Zichtbaar licht Infrarood Microgolven λ = 650 nm = 6,5 / 10000 van een mm Radiogolven Licht is een trilling van het electromagnetisch veld. De golflengte van het licht geeft de kleur aan.
Licht: Interferentie Gammastraling Een detector detecteert het kwadraat van de amplitude van het licht Röntgenstraling UV Infrarood Zichtbaar licht Constructieve interferentie Destructieve interferentie Microgolven Radiogolven
Licht: Resolutie De kleinste lichtvlek die men kan vormen is ter grootte van de golflengte van het licht UV Gammastraling Röntgenstraling Zichtbaar licht Infrarood Microgolven Radiogolven
Optische gegevensopslag De schijf is een reflecterend oppervlak met een spiraal van kleine putjes. Als de lichtvlek van de laser naast een putje valt reflecteert de schijf het licht terug. De detector vangt deze reflectie op als een elektrisch signaal. Laser Reflectie 0 Detector(en)
Optische gegevensopslag De schijf draait rond en hierdoor wordt een ander deel van de schijf belicht. Als de lichtvlek van de laser op een putje valt, dan zijn er meerdere reflecties. Omdat het totale weglengte verschil λ/2 is ontstaat er destructieve interferentie. λ 4 n Σ Reflecties=0 Detector(en) Laser
Optische gegevensopslag Om mooi het spoor te kunnen volgen zijn er twee extra lichtpunten. Om de lichtbundel in focus te houden wordt gebruik gemaakt van een astigmatische lens. Uit focus A C B D In focus Uit focus A B C D + + - Detector(en) Laser
3 generaties optische schijven CD Compact Disc DVD Digital Versatile Disc BD Blu-Ray Disc λ = 780 nm NA = 0.45 650 MB Digitale audio - 1984 λ = 650 nm NA = 0.6 4,7 GB (SL-SS) Digitale video - 1995 λ = 405 nm NA = 0,85 25 GB (SL-SS) Hoge definitie video - 2003
Optische gegevensopslag Toekomst: Verder verhogen golflengte en verkleinen numerieke apertuur Meerdere lagen Niet lineaire eigenschappen van de schijf Meer informatie halen uit het gereflecteerde licht Licht heeft een fase en een amplitude Extractie van bitpatronen.
Golfgeleiderdetectiemethode
Totale interne reflectie n 2 sin θ 1 = n 1 sin θ 2 Lage brekingsindex: n 1 θ 1 θ 2 θ c =Arcsin(n 1 /n 2 ) Lichtbron Hoge brekingsindex: n 2
Glasvezel 125 µm 9 µm Optische glasvezel : straaltheorie n 1 =1,5 n 2 =1,52 Optische glasvezel : golftheorie 1. Licht is geen straal 2. Interferentie n 1 =1,5 n 2 =1,52 Discrete eigenmode
Golfgeleider op een chip 1,3 µm 2.6 µm 2.6 µm 2.6 µm 0,6 µm n 1 =3,31 n 2 =3,52
Detectiemethode Laser Detectoren Laser Detectoren Een kleine luchtspleet Schijf Verre Veld Schijf 0-1 0-1 0-0 0-0
Vergelijking tussen drie systemen CD DVD - BD Confocale microscoop Golfgeleiderdetectiemethode Laser Laser Laser Schijf Schijf Schijf Detector Detector Detectoren
Resolutie
Puntspreidingsfunctie Amplitude Vermogen x x x x d>λ/2 x x d<λ/2 x x ψ 1 = psflens ψ 0 2 P = psf lens r ψ 1 = psf x u ψ u du ( ) ( ) ( ) x lens 0
Optische overdrachtsfunctie Periode > λ Amplitude Vermogen x x x Periode < λ x x x A () f 0 1 = otf A f=1/periode 1/λ
Golfgeleider-detectiemethode Laser De golfgeleider-detectiemethode omvat twee lenssystemen. Veronderstel een klein puntje op de schijf. Dit wordt belicht met de psf van lens 1. Schijf Op dezelfde manier wordt de detectiegolfgeleidermode enkel aangeslagen door licht komende van een kleine regio op de schijf. De totale psf is het product van de belichting-psf en de detectie-psf. P = [( psf mode ) ( psf mode )] in in uit uit r 2 Detector = psf totaal r 2
Golfgeleider-detectiemethode Laser P = psf tot r 2 = otf tot () f F[]() r f e j 2πxf df 2 psf otf Schijf Mode in : 0 Mode uit : 0 2/λ Mode in : 0 Mode uit : 1 Detector 2/λ
Conventionele uitleesmethode Laser De conventionele uitleesmethode heeft dezelfde belichtings-psf. Aan de detectiezijde is er een grote detector. Het resulaat is een optelling van het vermogen en niet van de amplitude. Schijf De eigenschappen van dit systeem kunnen niet in een eenvoudige puntspreidingsfunctie of overdrachtsfunctie worden uitgedrukt. Detector P = = 2 {[ psf ( u) mode ( u) ] r ( u - x) } psf ( u) du in P psftot in ( u, u' ) r ( u - x) r ( u'-x) du du' uit P = psf coh ( u) r ( u - x) du 2 P = psf incoh 2 ( u) r ( u - x)du
Partieel coherente overdrachtsfunctie Analoog kan er ook een partieel coherente overdrachtsfunctie worden berekend: P * j 2π xs ( f f ') ( x ) = OTF( f, f ') F[ r ]( f ) F []() r f e s df df ' f f f f f f Uitgebreide detector 0 de orde mode of confocaal 1 st orde mode
Grenzen resolutie Voor alle detectiemethodes geldt dat details met een spatiale periode kleiner dan 2/λ niet kunnen worden gedetecteerd. In het nabije veld is dit wél mogelijk, maar dan enkel als de luchtspleet tussen de golfgeleider kleiner is dan de golflengte. De werkelijke resolutie wordt bepaald door de ruis. Bij voorkennis van het voorwerp kan men bepaalde parameters bereken Dit wordt sterk door ruis beïnvloedt 0 2/ λ x x
Extractie bitpatronen
Bitpatronen en detectiesignalen 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 Hoofdspoor Linker zijspoor Rechter zijspoor 0 de orde signaal 1 ste order signaal
Het correcte bitpatroon vinden Actueel bitpatroon? 2 N candidaat bitpatronen BP 0 BP N - 2 0 N = S S0 0-2 = 0 N S 1 S1 Vervormde signalen 2x2 N berekende signalen
Nulde orde mode k S 1 Koppels ( k, S k ) S0 1 uitgezet in het vlak k 0 k S 0 ( S ) k - 2 S 0 N = 0 S 0 S = min k 0 0 k = 1 N 0
Eerste orde mode k S 1 Koppels ( k, S k ) S0 1 uitgezet in het vlak k 1 k S 0 k S ( ) 1 0 = min S1 k k = 1 N - 2 = S 0 N 1 S 1
Eerste orde mode k S 1 Koppels ( k, S k ) S0 1 uitgezet in het vlak k T k S 0 Lineaire combinatie geeft minimalisatie langs schuine rechte ( k k ) k k k, S S = β S + β S S0 1 T 0 0 1 1 Fractie nulde orde mode ( β ) β = β / + 0 0 β1 S = min k 1 0 k = 1 N ( S ) k 1
Extractie van het bitpatroon Aantal bitfouten bij verschillende lineaire combinaties BER 1 BER opt 10 0 BER 0 10-1 10-2 BER min 10-3 Dalende overspraak 10-4 10-4 10-3 10-2 Fractie nulde orde mode 10-1 10 0
Overspraak en ISI 10 0 Aantal bitfouten bij verschillende minimale bitlengte Hoge overspraak 10-1 10-2 Lage overspraak BER 0 BER 1 BER 0 10-3 BER min BER min BER opt BER opt BER 1 10-4 0.05 0.1 0.15 0.25 0.35 0.5 0.65 1 1.5 2 Bitlengte (in λ/na eenheden)
Opgetelde ruis 10 0 Aantal bitfouten bij verschillende minimale bitlengte 10-1 10-2 BER opt Minder ruis Meer ruis 10-3 BER 0 BER 0 BER 1 10-4 BER1 BER min BER BER opt min 0.05 0.1 0.15 0.25 0.35 0.5 0.65 1 1.5 2 Bitlengte (in λ/na eenheden)
Opsplitsen Golfgeleidermodes
Photonisch geïntegreerd circuit y x z Een gelaagde structuur van GaAs en AlGaAs Bovenop komt er een beschermlaag Doorheen een masker wordt een deel van deze beschermlaag bestraald met UV-licht en hierdoor uitgehard. Een deel van het materiaal komt bloot te liggen en kan worden weggeëtst. Uiteindelijk bekomt men een structuur met een reeks gekoppelde brede en smalle golfgeleiders.
Opsplitsen van golfgeleidermodes y x z
Voorbeweging van een mode Een golfgeleidermode trilt heen en weer zoals een trommelvlies Hoe hoger de orde van de mode hoe trager die draait De grondmode wentelt N keer over de lengte L Mode k wentelt N-k (k+2) keer over diezelfde lengte L
Fotonisch geïntegreerd circuit Verschil tussen modes is een geheel aantal wentelingen N N-1 N-3 + + + + - + N-3/8 N-15/8 N-35/8 Verschil tussen modes is een half aantal wentelingen
Golfgeleidercomponenten 28.5 µm 2.75 µm Modestopper 65 µm 6 µm 3dB-splitser 290 µm 9 µm Modesplitser
Detectie van bits op de schijf Laser Detectoren Modesplister 3dbsplitser Modestopper Vezelkoppeling Schijf
Masker 14 mm Modesplitser 3dB-splitser 100 µm
Individuele vezelkoppeling Modestopper Modesplitser 3dB splitser
Individuele vezelkoppeling UV licht Gebroken vezel 100 µm Golfgeleiders Lijm
Vezelrij-koppeling Modestopper Klief Modesplitser 3dB splitser
Vezelrij-koppeling Aligneren UV licht Lijmen Vezels Glasplaatje 250µm 125µm Lijm V-groeven Golfgeleiders Vezels Polijsten V-groeven
Metingen
Meetopstelling Gent Microscoop Laser Plaatje Objectief Diafragma Lenzen Vezel Camera Tafel 1 Tafel 2 Tafel 3
Geïsoleerde chip Overspraak W 1 Overspraak 0,1 0,01 0,001 0.1 -.4 -.3 -.2 -.1 0 1.2 -.3 -.2 -.1 0.1 -.2 -.1 0.1.2.3 off MMI off MMI off MMI off MMI
Meetopstelling Delft Objectief Immersie lens Laser Objectief Microscoop Masker Houder Plaatje Objectief Diafragma Lenzen Laser Camera Tafel 1 Stage Tafel 2 Tafel 3 Capacitive sensor
Metingen Nulde orde mode Λ=10λ Λ= 5λ -40-20 0 20 40 µm -30-20 -10 0 10 20 30 µm Eerste orde mode -10-5 0 5 10 µm
Conclusies
Conclusies Door een gecombineerde detectie met de nulde en de eerste orde mode kunnen kleinere bits geresolveerd worden. De winst is echter kleiner dan verhoopt, bovendien blijft het intrinsiek zwakke signaal een handicap. Meetresultaten minder succesvol, gedeeltelijk wegens inherent laag vermogen van eerste orde signaal. De methode heeft een intrinsiek potentieel voor verdere integratie en miniaturisatie.
001110111101011110100