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42.7 Gbit/S elektro-optischer Modulator in Siliziumtechnologie

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42.7 Gbit/S elektro-optischer Modulator in Siliziumtechnologie

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Eine der wichtigsten Eigenschaften eines optischen Modulators ist seine Modulationsgeschwindigkeit oder -bandbreite, die mindestens so schnell sein sollte wie die verfügbare Elektronik. Transistoren mit Transitfrequenzen von weit über 100 GHz wurden bereits in 90-nm-Siliziumtechnologie demonstriert, und die Geschwindigkeit wird weiter steigen, wenn die minimale Strukturgröße verringert wird [1]. Die Bandbreite heutiger Modulatoren auf Siliziumbasis ist jedoch begrenzt. Silizium besitzt aufgrund seiner zentrosymmetrischen kristallinen Struktur keine χ(2)-Nichtlinearität. Die Verwendung von verspanntem Silizium hat bereits zu interessanten Ergebnissen geführt [2], aber die Nichtlinearitäten erlauben noch keine praktischen Geräte. Der Stand der Technik bei photonischen Siliziummodulatoren beruht daher immer noch auf der Dispersion freier Träger in pn- oder pin-Übergängen [3-5]. Es hat sich gezeigt, dass vorwärtsgerichtete Übergänge ein Spannungs-Längen-Produkt von nur VπL = 0,36 V mm aufweisen, aber die Modulationsgeschwindigkeit ist durch die Dynamik der Minoritätsträger begrenzt. Dennoch wurden mit Hilfe einer Vorverzerrung des elektrischen Signals Datenraten von 10 Gbit/s erzielt [4]. Durch die Verwendung von Sperrschichtübergängen konnte die Bandbreite auf etwa 30 GHz erhöht werden [5,6], aber das Spannungs-Längen-Produkt stieg auf VπL = 40 V mm. Leider erzeugen solche Plasmaeffekt-Phasenmodulatoren auch unerwünschte Intensitätsmodulationen [7], und sie reagieren nichtlinear auf die angelegte Spannung. Moderne Modulationsformate wie QAM erfordern jedoch eine lineare Reaktion und eine reine Phasenmodulation, was die Ausnutzung des elektrooptischen Effekts (Pockels-Effekt [8]) besonders wünschenswert macht.

2. SOH-Ansatz

Kürzlich wurde der silizium-organische Hybrid (SOH) Ansatz vorgeschlagen [9-12]. Ein Beispiel für einen SOH-Modulator ist in Abb. 1(a) dargestellt. Er besteht aus einem Schlitzwellenleiter, der das optische Feld leitet, und zwei Siliziumstreifen, die den optischen Wellenleiter elektrisch mit den Metallelektroden verbinden. Die Elektroden befinden sich außerhalb des optischen Modalfeldes, um optische Verluste zu vermeiden [13], Abb. 1(b). Die Vorrichtung ist mit einem elektro-optischen organischen Material beschichtet, das den Schlitz gleichmäßig ausfüllt. Die Modulationsspannung wird durch den metallischen elektrischen Wellenleiter übertragen und fällt dank der leitenden Siliziumstreifen über dem Schlitz ab. Das entstehende elektrische Feld verändert dann durch den ultraschnellen elektro-optischen Effekt den Brechungsindex im Schlitz. Da der Schlitz eine Breite in der Größenordnung von 100 nm hat, reichen wenige Volt aus, um sehr starke Modulationsfelder zu erzeugen, die in der Größenordnung der Durchschlagsfestigkeit der meisten Materialien liegen. Die Struktur hat eine hohe Modulationseffizienz, da sowohl die modulierenden als auch die optischen Felder im Inneren des Schlitzes konzentriert sind, Abb. 1(b) [14]. Tatsächlich wurden bereits erste Implementierungen von SOH-Modulatoren mit Sub-Volt-Betrieb [11] gezeigt, und es wurde eine sinusförmige Modulation bis zu 40 GHz demonstriert [15,16]. Die Herausforderung beim Bau von Niederspannungs-Hochgeschwindigkeits-SOH-Modulatoren besteht jedoch darin, einen hochleitenden Verbindungsstreifen zu schaffen. In einem Ersatzschaltbild kann der Schlitz durch einen Kondensator C und die leitenden Streifen durch Widerstände R dargestellt werden, Abb. 1(b). Die entsprechende RC-Zeitkonstante bestimmt die Bandbreite des Bauelements [10,14,17,18]. Um den Widerstand R zu verringern, wurde vorgeschlagen, die Siliziumstreifen zu dotieren [10,14]. Während die Dotierung die Leitfähigkeit der Siliziumstreifen erhöht (und damit die optischen Verluste steigert), zahlt man einen zusätzlichen Verlust, weil die Elektronenbeweglichkeit durch die Streuung von Störstellen beeinträchtigt wird [10,14,19]. Außerdem zeigten die jüngsten Herstellungsversuche eine unerwartet niedrige Leitfähigkeit.