Entwicklung von Komponenten der Silizium-Photonik für die On-Chip Kommunikation

Optische Übertragungssyteme bieten gegenüber den heute etablierten elektrischen Verbindungen den Vorteil, größere Datenmengen mit geringerem Leistungsverbrauch transportieren zu können. In naher Zukunft werden optische Übertragungssyteme bedingt durch den steigenden Bedarf an Bandbreite auch einen Großteil der Datenkommunikation auf Chipebene übernehmen müssen. Dabei stellt sich unweigerlich die Frage wie und und mit welchem Material das optische Übertragungssytem realisiert werden soll. Hierbei ist aus verschiedenen Gründen, wie etwa einer kostengünstigen Herstellung oder der jahrzehntelangen Erfahrung der Halbleitertechnologie, Silizium zu favorisieren. Damit aber die Silizium-Photonik die elektrischen Verbindungen ersetzen kann, sind noch einige Bauelement- und Technologieentwicklungen notwendig. Genau in diesem Kontext steht die vorliegende Arbeit. Es wurden verschiedene wesentliche Komponenten der Silizium-Photonik entwickelt, demonstriert und analysiert. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung und Realisierung von vollständig CMOS-kompatiblen und monolithisch integrierbaren Komponenten für die Silizium-Photonik.

Dazu wurden zunächst geeignete Einkoppelstrukturen basierend auf SU8 Taper Strukturen und Gitter Koppler Strukturen experimentell untersucht, durch die optische Signale einer Glasfaser definiert in einen Silizium Wellenleiter überführt werden. Höchste Koppeleffizienzen von η ≈ 60% für beide Polarisationen über einen Spektralbereich von Δλ=100nm wurden mit SU8 Taper Strukturen erzielt. Für eine kostengünstige Realisierung einer Faser-zu-Chip Kopplung wurden Gitter Koppler entwickelt. Hierbei stand weniger eine Optimierung der Koppeleffizienz als vielmehr die Möglichkeit diese Strukturen effizient in den Herstellungsprozeß zu integrieren im Vordergrund. Dabei wurden Gitter Koppler mit Koppeleffizienzen von bis zu η=32% und einer Bandbreite bis zu Δλ=35nm für Streifen- und Rippenwellenleiter für die Telekommunikationswellenlängen von λ0=1300nm und λ0=1550nm demonstriert. Die nahezu senkrechte Einkopplung zur Chipoberfläche der Koppler ermöglicht zudem ein Testen von integrierten Übertragungssystemen auf „Wafer-scale“ – Ebene.

Darüberhinaus wurden in dieser Arbeit verschiedene integrierte optische Modulatoren und Schalter eingehend studiert, welche zur elektro-optischen Wandlung zu Beginn der optischen Übertragungsstrecke sowie zum Routen optischer Signale auf dem Chip eingesetzt werden können. Dabei wurde der derzeit schnellste Ladungsträger basierte voll-optische Schalter auf SOI basierend auf einem mit Sauerstoff-Ionen implantierten Ringresonator mit einer Schaltzeit von 25ps bei einer Modulationstiefe von 10.7dB realisiert. Neben der Generation von freien Ladungsträgern durch lineare Absorption in voll-optischen Schaltern wurden zudem elektro-optische Modulatoren mit lateraler P-I-N Diodenstruktur zur Injektion freier Ladungsträger untersucht. Dazu wurde sowohl der Einfluss der Diodengeometrie auf den Frequenzgang ladungsträgerbasierter elektro-optische Modulatoren charakterisiert, als auch ein elektro-optischer Modulator basierend auf einem Ringresonator mit einer Modulationsfrequenz von f=2GHz demonstriert.