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Four wave mixing at 1550 nm in silicon waveguides
enhancement and application
Gajda, Andrzej
Traffic in data communication networks has seen continuous growth over many decades. Taking the example of transport networks we observe a growth rate of about 60% per year in capacity. The increase in traffic is supported by various technologies but mainly driven by applications related to social media, moving images, internet of things etc. An important contender for future increase of fiber optical network capacity is optical signal processing. Work on optical signal processing has developed over many decades, but only recently the integration platforms for optical signal processing have attracted increased attention. Nevertheless many nonlinear platforms for integrated optical signal processing are incompatible with the two major platforms for photonic and photonic-electronic integration which are indium phosphide and silicon. The platforms’ maturity is an issue, because the main drivers behind the technological progress of the integrated photonic platforms are the common optical network applications such as coherent transmission, low cost optical links for data centers or switches. There is consensus that future growth of Internet will require photonic and photonic-electronic integration. Therefore it would be desirable to make use of the major platforms for nonlinear optical signal processing.
This thesis reports on the optical properties and numerical simulations of the silicon-on-insulator waveguide for continuous-wave four wave mixing. Moreover, it discusses the process of design, fabrication and characterization of samples. The purpose of the research activities was to construct an appropriate silicon waveguide supporting the four-wave mixing (FWM) at the wavelengths around 1550 nm. The continuous wave FWM allows for the amplification of the signal, phase conjugation and wavelength conversion. Moreover, it can be used for application such as optical sampling, channel demultiplexing, pulse generation and high speed optical switching. In this thesis it is demonstrated that using reverse biased lateral p-i-n diode along the waveguide increases the performance of the nonlinear waveguides. Using this approach the wavelength conversion with efficiency as high as -0.7 dB was obtained in silicon waveguide and the phase sensitive amplification with extinction ratio of 20 dB was demonstrated around the 1550 nm wavelength.
Das Datenaufkommen in Kommunikationsnetzwerken erfährt seit vielen Dekaden stetiges Wachstum. Betrachtet man beispielsweise Transportnetze, so sieht man eine jährliche Kapazitätssteigerung von etwa 60%. Dabei wird das Wachstum des Datenaufkommens durch verschiedene Technologien unterstützt, aber hauptsächlich durch Anwendungen im Bereich Social Media, Video, Internet der Dinge u.v.m. getrieben. Ein wichtiger Anwärter für zukünftige Kapazitätssteigerungen von faseroptischen Netzwerken, ist die optische Signalverarbeitung. Schon seit vielen Jahrzehnten wird an optischer Signalverarbeitung geforscht und gearbeitet, aber erst seit kurzem erfahren die Integrationsplattformen gesteigerte Aufmerksamkeit. Trotzdem sind viele Lösungen für nichtlineare optische Signalverarbeitung nicht kompatibel zu den beiden Hauptplattformen für optische und elektro-optische Integration: Indium Phosphid und Silizium. Die Reife der Plattformen ist eine Herausforderung, da die treibende Kraft hinter dem technologischen Fortschritt der optischen Integrationsplattformen gebräuchliche Systeme, wie kohärente Übertragung und preiswerte optische Verbindungen innerhalb von Rechenzentren oder zwischen Switches, sind. Es herrscht Einigkeit, dass das zukünftige Wachstum des Internets optische und elektro-optische Integration erfordert. Deshalb wäre es erstrebenswert, die beiden Hauptplattformen für die nichtlineare optische Signalverarbeitung zu nutzen.
Diese Arbeit behandelt die optischen Eigenschaften und numerische Simulationen von Silizium-auf-Isolator Wellenleitern für Dauerstrich Vierwellenmischung (CW FWM). Außerdem wird der Prozess vom Design, über die Herstellung, bis zur Charakterisierung der Proben betrachtet. Das Ziel der Untersuchungen war, einen geeigneten Wellenleiter zu entwerfen, der die Vierwellenmischung im Wellenlängenbereich um 1550nm ermöglicht. Die Dauerstrich Vierwellenmischung erlaubt die Verstärkung des Signals, Phasenkonjugierung und Wellenlängenumsetzung. Weiterhin sind Anwendungen wie optische Abtastung, Demultiplex, Pulserzeugung und hochfrequentes optisches Schalten möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Nutzung einer lateralen p-i-n Diode entlang des Wellenleiters, bei Betrieb in Sperrrichtung, die Leistungsfähigkeit der nichtlinearen Wellenleiter unterstützt. In Verwendung dieses Ansatzes, konnte Wellenlängenumsetzung per Dauerstrich Vierwellenmischung mit einer Effizienz von -0.7dB in Siliziumwellenleitern und phasenabhängige Verstärkung (PSA) mit einem Auslöschungsverhältnis von 20dB im Wellenlängenbereich bei 1550nm, gezeigt werden. Zusätzlich wird ein Systemexperiment vorgestellt.
