Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2598
Main Title: Integrated InP Mach-Zehnder Modulators for 100 Gbit/s Ethernet Applications using QPSK Modulation
Translated Title: Integrierte InP Mach-Zehnder Modulatoren für 100 Gbit/s Ethernet Anwendungen unter Verwendung von QPSK Modulation
Author(s): Klein, Holger
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird ein monolithisch integrierter doppelt-paralleler IQ-Modulator auf Basis des Halbleiters Indium-Phosphid für die Datenübertragung bis zu 2x50 Gbit/s in optischen Glasfasern bei einer Wellenlänge von 1.55 µm entwickelt und charakterisiert. Beginnend mit einer Diskussion der Struktur der zugrunde liegenden optischen Wellenleiter wird im weiteren Verlauf die Funktionsweise der eingesetzten kapazitiv belasteten Wanderwellenelektrode anhand des einfachen Mach-Zehnder Modulator (MZM) erläutert. Darüber hinaus erfolgt eine Einführung in die physikalischen Effekte, welche sich für die Modulation der optischen Phase in den eingesetzten Multi-Quantum-Well Schichten der optischen Wellenleiter verantwortlich zeigen. Darauf aufbauend werden Optimierungsansätze für die drei charakteristischen Modulator-Parameter Einfügeverluste, Schaltspannung und elektro-optischen Bandbreite entwickelt und hierfür drei unterschiedliche optische Wellenleitertypen evaluiert. Diese sind bezeichnet als stark, halbstark sowie schwach geführte Wellenleiter, welche die Vorteile der beiden zuerst genannten Varianten vereint. Optische Verluste sind ein wesentlicher Parameter der hier beschriebenen IQ-Modulatoren, zu deren Reduzierung optische Modenfeld-Konverter für die drei vorher genanntenWellenleitertypen entwickelt werden. Realisiert wird eine hocheffiziente Faser-Chip-Kopplung, welche trotz der absorbierenden n-dotierten Halbleiterschichten Verluste unter 0.8 dB ermöglicht. Als weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Einfügeverluste wird die Änderung des Dotierprofils der p-i-n-Diodenstruktur diskutiert. Diese Option der Verlustreduktion wird für die drei Wellenleitertypen in Bezug auf Dotierkonzentrationsänderung als auch Dotiertiefenänderung untersucht. Die Reduktion der Schaltspannung ist essentiell, da der IQ-Modulator im Betrieb der Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) eine doppelt so hohe Spannung benötigt wie im Standard-Modulationsbetrieb und da eine Reduktion der Treiberspannung mit einer Reduktion der Kosten für den Treiber IC sowie mit einer Reduktion des Energieverbrauchs und der Wärmeentwicklung Hand in Hand geht. Möglichkeiten zur Reduktion der Schaltspannung werden in Bezug auf die Optimierung des eingesetzten Multi-Quantum-Wells, sowie die bereits erwähnten Wellenleitertypen und Dotierprofil-Variationen evaluiert. Zur Bestimmung von Abhängigkeiten der elektrooptischen Bandbreite des Mach-Zehnder Modulators von geometrischen und prozesstechnischen Variationen werden elektrische Simulationen mit einem Hochfrequenz-Struktursimulator durchgeführt und mittels eines elektro-optischen Modulator-Modells ausgewertet. Die für eine 3-dB-Bandbreite von 40 GHz in Frage kommenden Geometrien werden anschließend in Bezug auf ihren Einfluss auf optische Einfügeverluste und Schaltspannung bewertet. Im Anschluss an die Optimierungsbetrachtungen des einfachen Mach-Zehnder-Modulators werden die strukturellen Änderungen aufgezeigt, welche zur Herstellung des doppelt-parallelen IQ-Modulators notwendig sind. Darauf folgt eine kurze Einführung in das angewendete QPSKModulationsformat. Zur Berechnung von charakteristischen Großsignal-Modulationseigenschaften wird ein mathematisches Modell des einfachen Mach-Zehnder Modulators sowie des integrierten IQ-Modulators entwickelt, welches die nichtlinearen elektro-optischen Effekte berücksichtigt. Unter Einbeziehung von realen Messdaten wird das mathematische IQ-Modulator Modell zur Berechnung der sogenannten Fehlervektor-Größe (EVM - error vector magnitude) für diverse nicht-optimale Betriebszustände herangezogen. Der Fehlervektor ist eine charakteristische Größe für höherwertige Quadratur-Amplitudenmodulationsverfahren, welche einen Rückschluss auf die zu erwartende Fehlerrate erlaubt. Das darauf folgende Kapitel präsentiert ausgewählte Messdaten der DC- und Hochfrequenz-Charakterisierung von Einzel- als auch IQ-Modulatoren. Die Auswertung von Intensitäts-Matrixmessungen zeigt eine sehr gute Korrelation zu den vorher getroffenen theoretischen Betrachtungen für verschiedene Halbleiter-Schichtstrukturen. Die niedrigste Schaltspannung eines Mach-Zehnder Modulators mit 4 mm Elektrodenlänge bei 1550 nm Wellenlänge liegt bei lediglich 1.05 V. Ein im Folgenden vorgestellter DC-Charakterisierungs-Algorithmus dient zur Bestimmung der korrekten Phaseneinstellungen des IQ-Modulator während der Großsignalmodulation. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der benötigten Zeit für die Hochfrequenzcharakterisierung. Elektro-optische Kleinsignalmessungen von Modulatoren mit verschiedenen Elektrodenlängen zeigen mit 3-dB Bandbreiten jenseits von 40 GHz das Potential für fehlerfreie 2x50 Gbit/s=100 Gbit/s Übertragung. Mit Hilfe von Großsignal-Hochfrequenzmessungen im Zeit- und Frequenzbereich wird die Funktion des IQ-Modulators in Quadratur-Phasenumtastung bei 2x40 Gbit/s=80 Gbit/s erfolgreich demonstriert.
In this work, a monolithically integrated dual-parallel IQ modulator (IQM) is developed and characterized. It is based on the semiconductor Indium phosphide and is intended for data transmission at 2x50 Gbit/s over optical fiber at a wavelength of 1.55 µm. This thesis begins with a discussion of the fundamental structure of a single Mach-Zehnder modulator (MZM) including the optical waveguides and the implemented capacitively loaded traveling-wave electrodes (TWE). An introduction will be given to the physical effects responsible for the modulation of the optical phase in matter and especially in the semiconductor multi-quantum-well waveguide of the modulator. Based on that knowledge, an optimization approach for the three characteristic modulator parameters insertion loss, switching voltage and electro-optic bandwidth will be developed. Three different waveguide geometries, referred to as ’deep etch’, ’shallow etch’ and ’median etch’ will be analyzed, where the latter combines the advantages of the two former geometries. The optical insertion loss is a key parameter of the InP-based modulator in the competition with other material systems such as lithium niobate. An acceptable optical losses is achieved by the incorporation of an on-chip spot-size converter. A highly efficient fiber-chip coupling with less than 0.8 dB is realized for all three waveguide types mentioned. As another possibility to achieve acceptable low optical insertion losses, a variation of the doping profile of the modulators p-i-n-diode is evaluated. This option is discussed for different doping concentrations as well as a modification of the thickness of the intrinsic space-charge region. A low drive voltage of the IQ modulator is essential as the applied quadrature-phase-shift keyed (QPSK) modulation scheme requires a switching voltage of 2V which is twice the value required for on-off keying (OOK) with a standard MZM. Thus, a modulator drive voltage as low as possible reduces the cost for the necessary driver amplifier and lowers power consumption and heat dissipation at the same time. The optimization of the multi quantum well (MQW) structure will be discussed as one possibility to achieve a higher modulation efficiency, and the various waveguide geometries and different doping profiles will be evaluated with respect to their influence on the drive voltage. To determine the influence of geometrical variations of the traveling-wave electrode and fabrication process tolerances on the electro-optic bandwidth of the Mach-Zehnder modulator, electrical high-frequency simulations are conducted. All electrode designs capable to achieve a 40-GHz 3-dB bandwidth are then compared with respect to their impact on optical insertion loss and drive voltage. The theoretical considerations for an optimized single Mach-Zehnder modulator design are followed by a discussion of structural modifications needed for realizing the IQ modulator (IQM), and a short introduction to the QPSK modulation format is given as well. To calculate the characteristic large-signal modulation properties of the IQM, a mathematical model of the entire modulator is developed that accounts for the non-linear electro-optic effects in the MQW waveguide. Taking experimental data of the phase- and absorption-voltage-response, the mathematical model is used to predict the so called error vector magnitude (EVM) for various non-ideal drive conditions of the IQM. The EVM is a common measure of the modulation quality for advanced modulations formats which allows predicting the bit error rate. The next chapter presents selected measurement results of single Mach-Zehnder modulators and IQ modulators. The evaluation of DC intensity matrices of wafers with different doping profiles shows an excellent correlation with theoretical values derived before. The lowest drive voltage for a MZM with 4 mm electrode length measured at 1550 nm is 1.05 V only. A DC characterization algorithm of the IQ modulator is presented, that allows the determination of the correct phase electrode settings for large signal modulation. This leads to a significant reduction of test time under large signal conditions. Electro-optic small-signal response measurements with 3-dB frequencies beyond 40 GHz are presented for different TWE lengths showing the potential for error-free 2x50 Gbit/s=100 Gbit/s data transmission. Time-domain and frequency-domain large signal measurements demonstrate successful IQM operation at a data rate of 2x40 Gbit/s=80 Gbit/s using QPSK modulation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28213
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2895
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2598
Exam Date: 20-Sep-2010
Issue Date: 22-Oct-2010
Date Available: 22-Oct-2010
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Indiumphosphid
Mach-Zehnder Modulator
Optische Nachrichtentechnik
QPSK
Indium phosphide
Mach-Zehnder modulator
Optical communication
QPSK
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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