Elektro-optische Modulatoren

Mach-Zehnder-Modulatoren mit Plasma-Dispersions-Effekt und in der Silizium-Hybrid-Platform

Elektro-optische Modulatoren können auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Dabei gilt es ein elektrisches Datensignal auf das optische Trägersignal aufzubringen.
Je nach Anforderung können diese unterschiedlich strukturiert sein und unterschiedliche elektro-optische Effekte nutzen.

Mach-Zehnder-Modulator (c)
Mach-Zehnder-Modulator

Plasma-Dispersions-Effekt

Am Institut werden Mach-Zehnder-Modulatoren in SOI-Technologie (Silizium auf Isolator) zur elektro-optischen Modulation entworfen und am IMS Chips gefertigt. Im Mach-Zehnder-Modulator (MZM) wird zunächst das optische Trägersignal auf zwei Wellenleiter, in denen die Phasenmodulation vorgenommen wird, aufgeteilt und anschließend wieder zusammengeführt. Dabei überlagern sich die Teilsignale, je nach relativer Phasenlage, zu dem modulierten Ausgangssignal.

Foto eines am IMS Chips gefertigten MZM und schematischer Querschnitt. (c)
Foto eines am IMS Chips gefertigten MZM und schematischer Querschnitt.

Die Modulation des Trägersignals erfolgt durch Ausnutzung des Plasma-Dispersions-Effekts, der durch freie Ladungsträger hervorgerufen wird. Dazu wird ein optischer Rippenwellenleiter dotiert und an den Seiten über Metall-Durchkontaktierungen an Koplanarleitungen angeschlossen. Um das Licht zu modulieren, wird über ein angelegtes elektrisches Feld eine Verschiebung der freien Ladungsträger im Wellenleiter erzeugt, was eine Änderung des Brechungsindex und damit der Phasengeschwindigkeit des Lichts bewirkt. Das Dotierprofil mit p-n-Übergang in der Mitte des Wellenleiters und die elektrische Ansteuerung sind dabei so gewählt, dass mit zunehmender Spannung die Ladungsträger aus der Wellenleitermitte abwandern, so dass sich die Raumladungszone ausdehnt (Ladungsträgerverarmung).

Durch Wellenleiter, die mit Sub-Wellenlängen-Strukturen versehen sind, breitet sich das Licht mit einer langsameren Gruppengeschwindigkeit aus, was den Modulations-Effekt verstärkt. Das ermöglicht kürzere Modulatorarme und damit eine leichtere Abstimmbarkeit zwischen elektrischer und optischer Welle, was für hohe elektro-optische Bandbreiten nötig ist.

Elektro-optische Messung eines MZM (c)
Elektro-optische Messung eines MZM

Der Entwurf und die Optimierung anhand von Simulationen von z. B. der Dotierstoffkonzentration, der Dotierprofile, der Wellenleiterstrukturierung und ebenso der Koplanarleitungen sind Teile der Arbeiten am INT. Die prozessierten Modulatoren und entsprechend notwendige Teststrukturen werden messtechnisch hinsichtlich ihrer optischen, elektrischen als auch elektro-optischen Eigenschaften charakterisiert.

Publikationen

  1. M. Félix Rosa et al., “Design of a carrier-depletion Mach-Zehnder modulator in 250 nm silicon-on-insulator technology,” Advances in Radio Science, vol. 15, pp. 269--281, 2017.
  2. M. Félix Rosa et al., “Design and Simulation of Silicon Optical Modulators in Silicon-on-Insulator Technology,” in Kleinheubacher Tagung, U.R.S.I. Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V, Miltenberg, Germany, 2016, pp. KH2016-D-11.

Organische Silizium-Hybrid-Modulatoren

Um größere elektro-optischen Effekte zu erzielen und kompaktere Modulatoren mit kleineren benötigten Spannungshüben zu entwickeln, werden am INT ebenfalls organische Schichten auf Polymerbasis untersucht.

Publikationen

  1. N. Hoppe et al., “Single waveguide silicon-organic hybrid modulator,” Advances in Radio Science, vol. 15, pp. 141--147, 2017.
  2. N. Hoppe et al., “Zweimoden-Interferometer in optischen organischen Silizium-Hybrid-Modulatoren,” in Kleinheubacher Tagung, U.R.S.I. Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V, Miltenberg, Germany, 2016, pp. KH2016-D-12.

Ansprechpartner

Niklas Hoppe
Dipl.-Ing.

Niklas Hoppe

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Lotte Nagy
M.Sc.

Lotte Nagy

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

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