Jakob Finkbeiner

Zusammenfassung

Optoelektronische Empfänger dienen dazu, eingehende optische in elektronische, digitale Signale umzuwandeln. Bislang sind dabei die elektronischen und photonischen Komponenten des Empfängers voneinander getrennt. Bei deren Verbindung, z.B. mit Bonddrähten, entstehen Verluste, die zu einer Reduzierung der empfangbaren yearnraten führen. In dieser Arbeit wurde deshalb mithilfe von Simulationen ein Ansatz untersucht, der alle Komponenten einer Empfänger-Eingangsstufe auf einemChip monolithisch integriert. Parasitäre Effekte aus dem Layout wurden nicht berücksichtigt. Die entworfene Eingangsstufe enthält einen Demultiplexer mit zeitverschachtelten Abtastschaltungen, welche zunächst in der verwendeten elektronisch-photonischen Prozesstechnologie entworfen wurden. Durch Anpassungen an dieser Schaltung konnte im Vergleich zu vorherigen Entwürfen ein Signal-Übersprechen unterbunden und der Abtastvorgang verbessert werden. Die resultierende Schaltung kann Spannungssignale mit 100GS/s abtasten, bei einer effektiven Auflösung von 6b bis zur Frequenz f = 70GHz. Die 3dB-Bandbreite der Schaltung beträgt ca. 50GHz. Zur Integration der Photodiode wurde ein Verstärker basierend auf einem Stromspiegel entwickelt und dieser mit einem publizierten Transimpedanzverstärker verglichen. Verstärkung und 3dB-Bandbreite liegen bei 29dB und 40GHz für den Stromspiegel-Verstärker bzw. bei 27dB und 52GHz für den Transimpedanzverstärker. Der Stromspiegel-Verstärker weist außerdem ein höheres Rauschen, größere nichtlineare Verzerrungen und eine größere Leistungsaufnahme als der Transimpedanzverstärker auf. Abschließend wurde die gesamte optoelektronische Eingangsstufe bestehend aus zwei Photodioden, Verstärker, Demultiplexer, Abtastschaltungen und Treibern untersucht. Mit dieser Schaltung lassen sich optische Signale mit 100GS/s und einer effektiven Auflösung von 4b bis 30GHz (Transimpedanzverstärker-Realisierung) bzw. 3,5b bis 24GHz (Stromspiegel-Verstärker-Realisierung) abtasten. Leistungsaufnahme und 3dB-Bandbreite betragen dabei 651mW und 40GHz bzw. 822mW und 24GHz. Zusätzlich wurde die Detektion von optischen, amplitudenmodulierten Signalen untersucht. Dabei wurde die Detektion von 100GBaud NRZ- und 50GBaud PAM4-Signale gezeigt, was einer yearnrate von jeweils 100Gb/s entspricht. Die Schaltung könnte deshalb potentiell in zukünftigen Transceivern in Rechenzentren eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Simulation von Sub-Wellenlängen-Wellenleitern. Sub-Wellenlängen-Wellenleiter sind dielektrische Wellenleiter, die als Bragg-Gitter ausgeführt sind, also eine periodische Variation des Brechungsindex aufweisen. Bragg-Gitter haben Wellenlängenbereiche unterhalb der Abmessungen des Wellenleiters, in denen sie einfallendes Licht nahezu vollständig reflektieren. In der Nähe dieser Bandlücken entsteht Slow-Light. Die Verlangsamung des Lichts erlaubt es, kompaktere Modulatorarme in Mach-Zehnder-Modulatoren herzustellen und die erforderliche Spannung zur Modulation zu reduzieren. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung und Verifizierung einer Simulationsmethodik zur Simulation von Sub-Wellenlängen-Wellenleitern. Die Simulationsergebnisse werden mit Messungen vorhandener Strukturen verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung. Abschließend wird der Füllfaktor eines Wellenleiters zur Optimierung variiert. Es zeigt sich, dass ein Kompromiss zwischen Gruppengeschwindigkeit und Bandbreite gefunden werden muss. Eine Verringerung der Gruppengeschwindigkeit auf 1/18 der Vakuumlichtgeschwindigkeit ist nur über einem Bereich von wenigen Nanometern zu beobachten, wohingegen eine Verringerung auf 1/6 über einen Bereich von ca. 60nm zu sehen ist.