Polarization multiplexed photonic integrated circuits for 100 Gbit/s and beyond
Baier, Moritz Friedrich
In this thesis, a fully integrated dual-polarization (DP) optical transmitter is proposed, developed and demonstrated. The transmitter proposed in this work consists of two key building blocks: a polarization rotator (PR) and two electro-absorption modulators (EAM), laid out in a serial configuration. Furthermore, a laser source is monolithically integrated. All devices are realized in the semiconducting material system of indium phosphide (InP) and its related quaternary alloys (InGaAsP). The technology used for fabrication is referred to as generic, meaning that it is not intended for fabrication of a specific device but rather to enable as many different applications as possible, much like modern silicon processes in electronics.
The thesis begins with the theoretical implications of optical polarization in integrated waveguides. Known principles on how to make integrated polarization rotating devices are discussed and it is shown that they prove to be too sensitive on typical fabrication tolerances. It is shown that the Jones formalism, originally intended for free space optics, can be used to describe integrated waveguides on the micro-scale. Based on this formalism, an optimization technique is derived that lowers the sensitivity to fabrication errors by 25% and brings down theoretical optical losses from 0.8 dB to 0.1 dB. The same approach is used to design devices that rotate polarization not by 90°, but by 45°. Next, new device structures are proposed for polarization resolved reception and transmission of optical signals. The iSTOMP (integrated STOkes MaPper) uses an interferometric structure loaded with several PRs and allows the complete characterization of the polarization ellipse of incoming signals. The mathematical groundwork is given as well as a geometric way of understanding the device. For data transmission, a serial DP EAM design is proposed. It consists of two EAMs interconnected by a single 90° PR. The DP EAM makes use of the fact that EAMs in InP typically only modulate one polarization, so that the cascade of devices enables DP modulation. The EAMs make use of multi-quantum well (MQW) layers, thin sheets of semiconductor that break the symmetry of the InP crystal. The electronic and optoelectronic effects in MQW-based EAMs are studied to verify that the proposed DP EAM can indeed be demonstrated with good performance. In particular, a polarization resolved model of the dominating light-matter interaction, the quantum-confined Stark effect (QCSE), is given. Finally, a design of an EAM is derived. System-level simulations of the DP EAM are carried out to conclude the theoretical part of the thesis. It is shown that for an implementation penalty below 1 dB, the PR has to have an extinction ratio above 16 dB.
To carry out detailed analysis of the fabricated devices, a new approach for polarization resolved measurements is given. It makes use of the Müller/Stokes formalism and is implemented in an experimental setup. This setup uses only optical fibers and no free space optics, thus it is suitable for automated measurements of many devices. The polarization in this setup is shown to be accurate within 2° across the entire Poincaré sphere and C-band. This setup allows a fast and stable characterization of the fabricated PRs, EAMs and the DP EAM. It is shown how the polarimetric measurement equation can be solved easily in the fiber-based setup and how decomposition of Müller matrices can give insights into the various devices. It is shown further that for devices with strong polarization dependence, phase effects like the chirp parameter can be deduced from Müller measurements. Fabricated PRs with polarization extinction ratios of up two 25 dB (rotation within ±4° around 90°) and losses below 1 dB are achieved. The fabricated EAMs show a very strong polarization dependence of over 20 dB, just like theory suggests. In the first fabricated generation, electro-optic bandwidths of up to 17 GHz are measured. These devices are capable of transmitting 39 Gbit/s. The new DP EAM is characterized and it is shown that it can indeed modulate two distinct states of polarization. In a system experiment using 28 GBaud PAM-4 signaling, error-free transmission of 100 Gbit/s is shown over 80 km of fiber. Finally, a fully integrated transmitter is demonstrated, comprising a distributed feedback (DFB) laser, a 45° PR and the aforementioned DP EAM. This is the first demonstration of a monolithically integrated transmitter PIC capable of polarization multiplexing in InP.
In der vorliegenden Arbeit wird ein voll integrierter, optisch doppelpolarisierter Transmitter vorgeschlagen, entwickelt und demonstriert. Der vorgeschlagene Transmitter besteht aus zwei grundlegenden Bausteinen: einem Polarisationsdreher (PR) und zwei Elektroabsorptionsmodulatoren (EAM), die in einer seriellen Konfiguration aneinandergereiht sind. Weiterhin ist eine Laserquelle monolithisch integriert. Alle Komponenten sind im Halbleitermaterialsystem Indiumphosphid (InP) und seinen verwandten quaternären Verbundmaterialien (InGaAsP) verwirklicht. Die zur Umsetzung genutzte Technologie wird als generisch bezeichnet, da sie nicht für ein spezielles Bauelement, sondern vielmehr für die Verwirklichung einer größtmöglichen Anzahl an verschiedenen Bauelementen vorgesehen ist. Sie ist damit der modernen Siliziumtechnologie für elektronische Komponenten wesensverwandt.
Die Arbeit beginnt mit der Diskussion der theoretischen Aspekte der optischen Polarisation in integrierten Wellenleitern. Bekannte Prinzipien zur Realisierung integrierter polarisationsdrehender Komponenten werden ausgeführt um zu zeigen, dass sie für typische Fertigungstoleranzen zu kritisch sind. Es wird gezeigt dass der Jones-Formalismus, der ursprünglich für die Freistrahloptik konzipiert war, auch für die Beschreibung photonisch integrierter Komponenten dienlich sein kann. Mithilfe dieses Formalismus wird eine Optimierungsstrategie abgeleitet, deren Ergebnisse die Empfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen um 25% entspannt und die theoretischen optischen Verluste von 0.8 auf 0.1 dB senkt. Dieselbe Strategie wird genutzt um Komponenten zu berechnen, die die optische Polarisation nicht nur um 90°, sondern auch um 45° drehen. Im Weiteren werden photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) vorgeschlagen, die den polarisationsaufgelösten Empfang und die Übertragung von optischen Signalen ermöglichen. Der iSTOMP nutzt ein Interferometer, welches mehrere Arme besitzt, die alle mit Polarisationsdrehern bestückt sind. Die aus dem Interferometer austretenden Signale erlauben die vollständige Bestimmung der Polarisationsellipse des eintretenden Signals. Es wird die mathematische Beschreibung hergeleitet und außerdem eine geometrische Veranschaulichung gegeben. Zur Übertragung polarisationsmultiplexter Signale wird schließlich ein neuer doppelpolarisierter EAM (DP EAM) vorgeschlagen. Der DP EAM besteht aus zwei EAMs, die mit einem 90° PR verbunden sind. Das Funktionsprinzip beruht auf der Tatsache, dass EAMs auf InP-Basis typischerweise nur die TE Polarisation modulieren, so dass die EAM-PR-EAM Kaskade einen doppelpolarisierten Modulator bildet. Die EAMs basieren auf einer aktiven Schicht aus mehreren Quantentöpfen (MQW), also einer Abfolge aus dünnen Halbleiterschichten die die Symmetrie des InP Kristalls brechen. Die elektronischen und opto-elektronischen Eigenschaften von MQW-basierten EAMs werden untersucht um die Realisierbarkeit des angestrebten DP EAM Konzepts zu bestätigen. Insbesondere wird ein polarisationsaufgelöstes Modell der wichtigen Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in den EAMs gegeben, dem quantum-confined Stark Effekt (QCSE). Schließlich wird der EAM selbst entworfen. Zum Abschluss des theoretischen Teils der Arbeit werden Systemsimulationen des DP EAMs durchgeführt. Es wird gezeigt, dass für eine Implementierungseinbuße des DP EAM von weniger als 1 dB der PR ein Auslöschverhältnis von über 16 dB haben muss.
Zur detaillierten Analyse der hergestellten Bauelemente wird ein neuer Ansatz für polarisationsaufgelöste Messungen aufgezeigt. Der Ansatz beruht auf dem Müller/Stokes Formalismus und wird in einem experimentellen Messaufbau verwirklicht. Der Messaufbau basiert dabei vollständig auf einmodigen Glasfasern und verzichtet für die Bauteilcharakterisierung vollständig auf Freistrahloptik. Die optische Polarisation kann in diesem Aufbau mit einer Genauigkeit von 2° über die gesamte Poincaré Sphäre und das gesamte C-band eingestellt und ausgelesen werden. Es wird eine schnelle und stabile Vermessung der hergestellten PRs, EAMs und des DP EAM ermöglicht. Dafür wird gezeigt, wie die polarimetrische Messgleichung gelöst werden kann und wie die Zerlegung der gewonnen Müller Matrizen auf die verschiedenen Bauelementeigenschaften schließen lässt. So kann im Grenzfall der starken Polarsationsabhängigkeit zum Beispiel sogar der Chirp Parameter durch Müller Messungen gewonnen werden. Die hergestellten Polarisationsdreher weißen Auslöschverhältnisse von bis zu 25 dB (äquivalent zu ±4° Genauigkeit um 90°) und Einfügeverluste von unter 1 dB auf. Die hergestellten EAMs zeigen in Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen eine starke Polarsationsabhängigkeit von über 20 dB. Die erste Generation von EAMs weißt elektrooptische Bandbreiten von bis zu 17 GHz auf. Mit ihnen wird Datenübertragung von 39 Gbit/s gezeigt. Schließlich wird anhand des hergestellten DP EAM experimentell gezeigt, dass er die unabhängige Modulation von zwei getrennten Polarisationszuständen erlaubt. In einem Systemexperiment wird er verwendet um mit 28 GBaud PAM-4 Signalen eine fehlerfreie Datenübertragung von 100 Gbit/s über 80 km Glasfaser zu zeigen. Schließlich wird ein vollständig monolithisch integrierter Transmitter gezeigt, der aus einem DFB Laser, einem 45° PR und dem bereits erwähnten DP EAM besteht. Damit liegt das erste vollintegrierte Transmitter PIC für Polarsationsmultiplexing in InP vor.
