Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for high-speed communication systems

Der Austausch von Informationen über globale Kommunikationsnetze ist für viele alltägliche Lebensbereiche selbstverständlich geworden. Die Informationen werden dabei mit immer weiter wachsender Geschwindigkeit und in
zunehmendem Umfang geteilt. Durch den enormen Anstieg des Datenverkehrs kommt verstärkt optische Nachrichtentechnik zum Einsatz. Sie bietet gegenüber elektronischen Übertragungsverfahren entscheidende Vorteile bezüglich der Übertragungsdistanz und -kapazität.Wurde optische Übertragung zunächst nur für die Kommunikation über weite Strecken eingesetzt, machen sich die Nachteile elektronischer Verfahren mit dem stark anwachsenden Datenverkehr auch zunehmend über kürzere Strecken bemerkbar, sodass auch dort vermehrt optische Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen. ... mehrInsgesamt nimmt die Anzahl der photonischen Komponenten, die in Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden, dadurch rapide zu. Dies führt dazu, dass die einzelnen Bauteile kostengünstiger, energieeffizienter sowie kompakter werden müssen. Ähnlich zur Entwicklung in der Mikroelektronik, wo immer stärkere Miniaturisierung zu einer dramatischen Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduktion von Kosten, Platzbedarf und Energieverbrauch geführt hat, soll dies in der Photonik durch die Anwendung von integrierten photonischen Schaltkreisen erreicht werden.
Integrierte photonische Schaltkreise zeichnen sich durch hohe Funktionalität bei geringem Platzbedarf aus und ermöglichen eine kostengünstige Massenfertigung. Sie sind daher von erheblichem wissenschaftlichen, technischen und kommerziellen Interesse. Insbesondere die Integration auf Siliziumsubstraten verspricht dabei hohe Integrationsdichten, kombiniert mit der Möglichkeit zur Ko-Integration photonischer und elektronischer Schaltkreise. Ein entscheidender Vorteil ist dabei, dass Silizium seit Jahrzehnten das dominierende Material in der Halbleiterindustrie und eines der häufigsten Elemente der Erdkruste ist. Vorteilhaft ist also neben der guten Verfügbarkeit des Materials, insbesondere die Existenz von etablierten und zuverlässigen Prozessen aus der Mikroelektronik, speziell der CMOS-Fertigung, zur lithographischen Strukturierung. Zudem bietet Silizium viele für die integrierte Photonik günstige physikalische Eigenschaften. Beispielsweise die Transparenz im für die Datenübertragung technisch relevanten Spektralbereiche im Nahinfraroten zwischen 1260 nm und 1625 nm und einen hohen Brechungsindexkontrast zu Siliziumdioxid. Die unter dem Begriff Siliziumphotonik zusammengefasste Technologie ist daher eine vielversprechende Plattform für integrierte photonische Schaltkreise.
Eines der wichtigsten Bauteile in der optischen Nachrichtentechnik ist der elektro-optische (EO) Modulator. An der Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik ist er das zentrale Element in optischen Sendern. Neben geringen
Herstellungskosten, geringem Platzbedarf und guter Energieeffizienz ist eine hohe Modulationsgeschwindigkeit eine essentielle Fähigkeit des Modulators, da diese hohe Bandbreiten in der Datenübertragung ermöglicht. Da Silizium aufgrund der punktsymmetrischen Kristallstruktur keine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, ist in reinem Silizium kein linearer EO Effekt (Pockels-Effekt) verfügbar. Elektro-optische Modulatoren aus Silizium basieren daher darauf, dass die Konzentration freier Ladungsträger in einem Siliziumwellenleiter moduliert wird, was beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an einen pn-Übergang realisiert werden kann. Die Änderung der Konzentration freier Ladungsträger führt dabei zu einer Variation des optischen Brechungsindex (Plasmadispersions-Effekt). Dieser Effekt ist jedoch nicht effizient,wodurch die Energieeffizienz reiner Siliziummodulatoren insgesamt limitiert ist. Durch die heterogene Integration von Silizium mit weiteren Materialien lässt sich die Siliziumphotonik-Plattform erweitern. Organische EO Materialien lassen sich durch molekulares Design gezielt auf einen starken linearen EO Effekt hin optimieren. Durch die Kombination von Silizium-Nanowellenleitern und organischen EO Materialien lassen sich Hybridbauteile realisieren, welche wesentlich energieeffizienter als reine Siliziummodulatoren sind. In der englischsprachigen Fachliteratur werden diese Bauteile auch als silicon-organic hybrid (SOH) bezeichnet.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit SOH-Modulatoren und deren praktischer Anwendung in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation. In vorausgehenden Arbeiten wurden die fundamentalen Prinzipien von SOHModulatoren untersucht und deren grundlegende Einsetzbarkeit für die optische Datenübertragung gezeigt. Die vorliegende Arbeit baut darauf auf und adressiert gezielt Aspekte, die für einen praktischen Einsatz von SOH Bauteilen in optischen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind: Um ein zielgerichtetes Design der Bauteile zu ermöglichen und grundlegende Zielkonflikte im Design zu erkennen, wird ein Modell für das dynamische EO
Verhalten der Modulatoren entwickelt und experimentell verifiziert. Für die breitbandige Aufbau- und Verbindungstechnik werden Konzepte zur elektrischen Anbindung schneller SOH-Modulatoren entwickelt und demonstriert. Verschiedene Modulationsformate werden bei Bruttodatenraten von bis zu 160 Gbit/s erfolgreich getestet und demonstrieren die Eignung von SOHModulatoren für praktische Anwendungsszenarien.
Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Siliziumphotonik und deren Bedeutung für die optische Datenübertragung.
Kapitel 2 beschreibt die theoretischen und technologischen Grundlagen elektrooptischer Bauteile auf Basis der Siliziumphotonik. Dies umfasst einen Überblick über den zugehörigen Stand der Wissenschaft und Technik sowie die für die nachfolgenden Kapitel relevanten Konzepte aus der Hochfrequenz- und der Nachrichtentechnik.
Kapitel 3 führt ein quantitatives Modell zur Beschreibung der dynamischen elektrischen und EO Eigenschaften von SOH-Modulatoren ein. Das Modell wird experimentell verifiziert und dient als Grundlage für verbesserte Bauteildesigns
zukünftiger SOH-Modulatoren, mit denen sich Bandbreiten von mehr als 100 GHz und $\pi$-Spannungen von unter 1 V erreichen lassen.
Kapitel 4 demonstriert die Eignung von SOH-Modulatoren für technisch relevante Intensitätsmodulation/Direktempfang-Verfahren (engl. intensity modulation/direct detection, IM/DD), die insbesondere für hochgradig skalierbare Übertragungssysteme mit kleinen und mittleren Reichweiten (board-to-board, rack-to-rack) interessant sind. In diesem Zusammenhang werden verschiedene IM/DD-Modulationsformate experimentell getestet und dabei Bruttodatenraten
von bis zu 120 Gbit/s demonstriert.
Kapitel 5 befasst sich mit der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik für SOH-Modulatoren. Dies erfordert Platinen mit guten Hochfrequenzeigenschaften und kleinen Strukturgrößen, um eine hohe Integrationsdichte zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnisch breitbandigen Keramikplatinen mit hoher räumlicher Auflösung wird vorgestellt. Mit Hilfe dieser Keramikplatinen wird ein mit Bonddrähten elektrisch angebundener SOH-Modulator vorgestellt und damit eine Bruttodatenrate von 160 Gbit/s demonstriert.
Kapitel 6 fasst die vorliegende Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftig notwendige Schritte, um die Anwendungsreife von SOH-Modulatoren zu erreichen. Zudem werden potentielle weitere Anwendungsfelder für SOH-Modulatoren diskutiert.

Information is exchanged at unprecedented speed and volume due to a growing number of users and data-hungry applications. This leads to an increasing use of optical communications because it offers advantages over electronic links in terms of transmission distance and bandwidth. The vast increase in the amount of data transmitted using optical communications leads to an enormous increase in the number of deployed photonic components. This demands low-cost and energy-efficient devices with small footprints. All these requirements are expected to be met by photonic integrated circuits (PICs).
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Photonic integrated circuits realized on optical microchips offer many functionalities in a compact and cost-efficient way. In anticipation of mass production and scalability, silicon photonics (SiP) is considered to be particularly
promising. Silicon has been the leading material in the semiconductor industry for decades and is one of the most abundant materials in the earth’s crust. Mature fabrication technology developed for complementary metaloxide-semiconductor (CMOS) microelectronics on silicon substrates offers large wafers and high yield, and can be used to structure photonic integrated circuits as well.
The electro-optic (EO) modulator is a key component for EO systems and in particular for optical communication as it translates signals from the electrical domain to the optical domain. All-silicon modulators suffer from the lack of a second-order optical nonlinearity in silicon which is required for a linear EO effect (Pockels effect). Therefore all-silicon EO modulators have to rely on the inefficient plasma-dispersion effect. This limits the energy efficiency of all-silicon EO modulators. To make silicon more versatile, additional materials can be heterogeneously integrated to the silicon platform. Combining organic EO materials with silicon structures in the so-called silicon-organic hybrid (SOH) integration approach enables high-speed, low-power EO modulators. The silicon base structure can be fabricated in highly standardized, reliable
and scalable fabrication processes. The organic material can be molecularly engineered to have a strong Pockels effect. This organic EO material can be added to the silicon structures in a simple post-processing step and enriches the
silicon-platform by an efficient EO effect. SOH modulators exhibit excellent energy efficiency and small footprint and outperform all-silicon modulators. Previous work has investigated fundamental principles of SOH modulators and demonstrated their basic usability for optical communication. This thesis builds upon this earlier work and addresses aspects that are specifically relevant for the use of SOH modulators in practical high-speed optical communication
systems:
Chapter 1 gives a short introduction to the field of SiP and its relevance for optical communications.
Chapter 2 lays the theoretical and technological foundation for the following chapters and reviews the state of the art of silicon EO Mach-Zehnder modulators.
Chapter 3 introduces a quantitative model describing the dynamic electrical and EO behavior of SOH modulators. The model is experimentally verified. Design guidelines for future modulators with bandwidths of more than 100 GHz
and $\pi$-voltages below 1V are derived.
Chapter 4 demonstrates the suitability of SOH modulators for technically relevant intensity-modulation and direct-detection (IM/DD) systems that are of particular interest for mid-range and short-range communication. Various IM/DD formats are investigated, and line rates up to 120 Gbit/s are experimentally demonstrated.
Chapter 5 presents an electrical packaging concept for SOH modulators. This requires high-density printed circuit boards (PCBs) capable of transmitting high-speed radio frequency (RF) signals to interface the modulator. A manufacturing process for such PCBs based on a ceramic substrate is shown. An electrically packaged SOH modulator is demonstrated to operate at line rates up to 160 Gbit/s.
Chapter 6 summarizes the work in this thesis and outlines further steps in the development of SOH modulators for practical applications. Potential further application areas beyond traditional optical communication are briefly discussed.