Building blocks of a silicon photonic integrated wavelength division multiplexing transmitter for detector instrumentation = Bausteine für einen integrierten siliziumphotonischen Wellenlängenmultiplexsender zur Detektorinstrumentierung

In dieser Arbeit werden Datenübertragungssysteme für die Detektorinstrumentierung und die Herausforderungen dieser einzigartigen Anwendung untersucht. Begrenzt durch die hohe Strahlungsintensität, den verfügbaren Platz, niedrige Temperaturen usw., liegt die Auslesebandbreite von Detektoren nach dem derzeitigen Stand der Technik im Bereich von einigen zehn Gb/s pro Faser. Angesichts des ständig wachsenden Datenvolumens ist die Verbesserung der Übertragungsbandbreite ein dringend zu lösendes Problem. Daher wird in dieser Arbeit ein universell einsetzbares Konzept für einen integrierten, siliziumphotonischen Sender auf Basis der Wellenlängenmultiplex-Technologie vorgeschlagen. ... mehrDie angestrebte Übertragungsbandbreite in der ersten Version beträgt 40 Gb/s. Zwei Schlüsselbausteine des integrierten Senders, der Mach-Zehnder-Modulator und der Wellenlängen-Demultiplexer, werden im Detail untersucht. Eine Reihe von Modulatoren mit unterschiedlichen Längen und Ätztiefen werden entworfen, hergestellt und charakterisiert. Für den Entwurf des Demultiplexers wird eine angepasste Entwurfsmethode entwickelt, die mit zwei dedizierten Brennpunkten arbeitet. Ein neuer Entwurfsparameter wird in diese Methode eingeführt, um sie flexibler und leichter anwendbar zu machen. Die Auswirkung der Modifizierung des eingeführten Parameters wird anhand einer Reihe vergleichbarer Bauelemente untersucht. Alle Charakterisierungen bestätigen die Machbarkeit des vorgeschlagenen Konzepts.

This thesis investigates data transmission systems for detector instrumentation and the challenges of this unique application. Limited by the high radiation level, available space, low temperature etc. the state-of-the-art detector readout bandwidth is in the range of several tens of Gb/s per fiber. Given the ever increasing data volume, improving the transmission bandwidth is an urgent problem to solve. Thus, this thesis proposes a generic concept for an integrated transmitter based on wavelength division multiplexing technology and a silicon-on-insulator platform. The aimed transmission bandwidth in the first stage is 40 Gb/s. ... mehrTwo key building blocks of the integrated transmitter, the Mach-Zehnder modulator and the wavelength demultiplexer are studied in detail. A series of modulators with different lengths and etching depths are designed, fabricated and characterized. For the demultiplexer design, a customized design method based on two stigmatic points is developed. A new design parameter is introduced to this method to make it more flexible and easier to use. The effect of modifying the introduced parameter is investigated by a series of comparable devices. All the characterizations validate the feasibility of the proposed concept.