Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3696
Main Title: Tunable integrated module for the optical dispersion compensation based on Bragg gratings in silicon
Translated Title: Abstimmbares integriertes Modul für die optische Dispersionskompensation auf der Basis von Bragg-Gittern auf Silizium
Author(s): Giuntoni, Ivano
Advisor(s): Petermann, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die chromatische Dispersion beschränkt stark die hochbitratige Transmission auf langen Strecken in optischen Netzwerken. Um eine korrekte Detektierung der Pulsenreihenfolge am Empfänger zu ermöglichen ist eine Dispersionkompensation erforderlich. Die Realisierung eines integrierten Bauelements für die Kompensation der Dispersion am Empfänger ist zwingend notwendig für die Erzielung von monolithischen Empfängermodulen mit Kombination von Elektronik und Optik. Silizium ist ein optimales Material für die Herstellung optischer Komponenten, weil es transparent für die in der optischen Nachrichtentechnik verwendeten Wellenlängen ist. Außerdem können die gebräuchlichen Anfertigungsprozesse der Mikroelektronik dafür angewendet werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Realisierung eines integrierten Dispersionskomepensators auf der Basis von Bragg-Gittern auf Silizium zu ermöglichen. Zuerst wurden die theoretischen Grundlagen der Bragg-Gittern analysiert und diskutiert. Die vollständige Beschreibung von Bragg-Gittern erfordert präzise Berechnungsmethoden, die in der Lage sind, die Kopplung zwischen allen Wellenleitermoden für alle möglichen Gitterstärken zu berücksichtigen. Die bidirektionale Eigenmodenentwicklung hat bewiesen, die Lieferung verlässlicher Ergebnisse auch für starken Gitterstrukturen zu ermöglichen. Sie wurde daher für den Entwurf der gewünschten Bragg-Gittern verwendet. Der Einfluss der unterschiedlichen geometrischen Parameter wurde systematisch untersucht, um Gitterstrukturen mit Reflektion at 1550 nm über eine Bandbreite schmaler als 1 nm und mit Verlusten unter 0,2 dB zu erzielen. Die Herstellung der entworfenen Strukturen wurde mit auf DUV-Lithographie basierenden bi-CMOS Standardprozessen durchgeführt. Dadurch wurde bewiesen, dass die erreichte Ergebnisse mit dem Stand der Technik (mit Elektronenstrahl-Lithographie realisierten Bragg-Gittern) vergleichbar sind. Der neue Ansatz bietet einen höheren Durchlauf und die Möglichkeit an, Gitterstrukturen mit beliebiger Länge ohne „Stitching“-Fehler zu realisieren. Eine stabile Methode für die Implementierung des Chirps in Gittern für die Dispersionskompensation wurde präsentiert, indem man die Wellenreiterbreite (Taper) linear ausweitet. Es wurde bewiesen, dass Bragg-Gitter auf einem getaperten Rippenwellenleiter mit einer Taperbreite von 150 nm und einer Länge von 5 mm eine Dispersion von etwa 100 ps/nm über eine Bandbreite von 1 nm kompensieren können. Solche Bauelemente können dennoch nicht direkt für die gewünschte Kompensation eingesetzt werden, da sie eine starke Modulation der Gruppenlaufzeit (Group delay ripple – GDR) aufweisen. Die Unterdrückung erfolgt durch Apodisierung. Dabei wird die Stärke der Gitters an seinen Enden reduziert, um unerwünschten Reflexionen auszulöschen. Dies wurde erreicht, indem die Breite der Gitteröffnungen variiert wird. Die apodisierten Gitterstrukturen erlauben eine Dispersionskompensation von etwa 250 ps/nm für ein 100 GHz WDM Kanal und eine korrekte Signaldetektierung für eine Datenrate bis 40 Gbaud. Die entworfenen Gitter wurden in einer Filterstruktur einbezogen, die aus zwei kaskadierten Gitterpaaren besteht. Dies ermöglicht die erreichbare Dispersion zu verdoppeln und den kompensierten Kanal zu trennen, ohne einen optischen Zirkulator zu benötigen. Die gesamte Struktur hat eine Gesamtlänge von 2,5 cm und eine Breite von wenigen Zehnern von Mikrometern und erlaubt damit ein hohes Integrationsniveau. Dank des thermo-optischen Effekts und der thermischen Materialdehnung erzeugt eine Temperaturvariation des Gitters eine Verschiebung der reflektierten Wellenlänge um 80 pm/K. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um die Dispersion des realisierten Bauelements mit Temperaturgradienten abzustimmen. Die Gradienten verursachen einen zusätzlichen Chirp, mit einer daraus folgende Änderung der Steigung der Gruppenlaufzeitkurve. Die thermischen Gradienten wurden mit aufgebrachten metallischen Heizelementen entlang der Gitter erzeugt, die mit externen Strömen betrieben wurden. Eine Abstimmung der Dispersion zwischen 100 ps/nm und 600 ps/nm mit einer Gradientenamplitude von 30 K konnte erreicht werden. Durch das Invertieren der Gradientanamplitude ist es zusätzlich möglich das Vorzeichen der Dispersion zu ändern. Für jede Gradientenkonfiguration wurde ein Leistungverbrauch von 4,74 W für den gesamten Dispersionskompensator gemessen. Das vorgeschlagene Bauelement ermöglicht eine Dispersionskompensation für einen 100 GHz WDM Kanal zwischen -500 und +600 ps/nm. Diese Werte können durch eine Steigerung der Gitterlänge erhöht werden. Sie sind mit den aus FIR seriellen Filtern und AWG gewonnenen Ergebnissen aus der Literatur vergleichbar. Trotzdem bieten die Gitter eine kompaktere Lösung und eine einfachere Bedienung an: ein gechirptes Gitter weist intrinsisch Dispersion auf. Außerdem kann die Dispersionsabstimmung mit der Anwendung von linearen Temperaturgradienten leicht durchgeführt werden.
Chromatic dispersion strongly limits high speed data transmission in optical networks . A correct detection of the pulse sequence requires a dispersion compensation. In particular the realization of an integrated device for the dispersion compensation at the receiver is necessary for achieving a monolithic receiver module with combination of optics and electronics. Silicon is an ideal material for the realization of optical components, since it is transparent for the wavelengths used in telecommunications. Furthermore the standard fabrication processes of microelectronics can be applied too. Aim of the work was the realization of an integrated dispersion compensator based on Bragg gratings in silicon. The theoretical background of Bragg gratings has been analyzed and discussed. Their complete description requires precise computation methods which are able to consider the coupling between the waveguide modes for all grating strengths. The bidirectional eigenmode expansion proved to provide reliable results also for strong gratings. Therefore it was applied for the design of the desired grating structures. The influence of the different geometric parameters has been systematically studied, in order to obtain gratings reflecting at 1550 nm over a bandwidth of 1 nm and with a loss of 0.2 dB. The fabrication of the designed structures has been performed with standard bi-CMOS processes based on DUV-lithography. It has been shown that the obtained results are comparable with the ones achieved with the state of the art (gratings patterned with electron beam lithography). The new approach permits a higher throughput and the possibility to realize „stitching“-free gratings without length limitations. A stable method for the implementation of the chirp in gratings for dispersion compensation has been presented, linearly increasing the waveguide width (taper). It has been demonstrated that a grating patterned on a tapered waveguide with a taper width of 150 nm and a length of 5 mm can compensate a dispersion of about 100 ps/nm over a bandwidth of 1 nm. However such devices cannot be directly applied for the dispersion compensation since they exhibit a strong group delay ripple (GDR). This can be canceled with an apodization. The grating strength is reduced at the ends in order to suppress undesired reflections. It can be achieved varying the width of the grating openings. Apodized gratings permit a dispersion compensation of about 250 ps/nm for one 100 GHz WDM channel and a correct signal detection for a data rate up to 40 Gbaud. The designed gratings have been placed in filter structures consisting of two cascaded grating pairs. This permits to double the achievable dispersion and to separate the compensated channel without the use of an optical circulator. The structure exhibits an overall length of 2.5 cm, a width of few tens of microns and permits hence a high integration level. Thanks to the thermo-optic effect and the thermal expansion of the material, a temperature variation in the grating produces a shift of the reflected wavelength of 80 pm/K. This property has been exploited to tune the device dispersion with temperature gradients. The gradients induce a further chirp, with a consequent variation of the slope of the group delay curve. The thermal gradients has been produced placing metallic heaters along the gratings and driving them with external currents. A dispersion tuning between 100 ps/nm and 600 ps/nm with a gradient amplitude of 30 K has been reached. Reversing the gradient amplitude is has been also possible to reverse the sign of the dispersion. For each gradient configuration a power consumption of 4.74 W for the whole dispersion compensator has been measured. The proposed device permits a dispersion compensation of a 100 GHz WDM channel between -500 and +600 ps/nm. This values can be increased using longer gratings. They are comparable with the results obtained with serial FIR filters and AWGs from the literature. However gratings offer a more compact solution and a simpler operation, since the dispersion is intrinsic. Furthermore the dispersion tuning can be simply performed applying linear temperature gradients.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-38237
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3993
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3696
Exam Date: 26-Apr-2013
Issue Date: 11-Sep-2013
Date Available: 11-Sep-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Integrierte Optik
Optische Nachrichtentechnik
Silizium Photonik
Integrated optical devices
Optical communications
Silicon photonics
Usage rights: Terms of German Copyright Law
ISBN: 978-3-7983-2577-7
Notes: Zugleich gedruckt veröffentlicht im Universitätsverlag der TU Berlin unter der ISBN 978-3-7983-2576-0.
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