Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6036
Main Title: Waveguide integrated MQW p-i-n photodiodes
Translated Title: Wellenleiterintegrierte MQW p-i-n Photodioden
Author(s): Zhou, Gan
Advisor(s): Petermann, Klaus
Referee(s): Petermann, Klaus
Schell, Martin
Stöhr, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In this work, waveguide integrated multiple quantum well p-i-n photodiodes are developed and characterized. Compared to bulk photodiodes, multiple quantum well photodiodes have special properties including a large and tunable polarization dependent loss. It makes multiple quantum well photodiodes a potential candidate for various applications, especially in polarization-diversity coherent optical receivers. Furthermore, multiple quantum well photodiodes are supposed to simplify monolithic integration of optoelectronic circuits. The design of waveguide integrated multiple quantum well p-i-n photodiodes is based on the model presented in this thesis. The model accounts for responsivity spectrum, polarization dependent loss, 3-dB bandwidth, DC and RF saturation, and nonlinearity. The important physical effects for the modeling of multiple quantum well photodiodes are the carrier transit time through the multiple quantum well layers and the free carrier density in the quantum wells. Both effects influence the internal quantum efficiency, the saturation of optical absorption, and the RF bandwidth. The model considers the influences of electrical field (bias voltage) and optical input power. The model is verified by comparing to the measurement results of three fabricated designs of waveguide integrated multiple quantum well p-i-n photodiodes. The three designs are characterized in terms of responsivity, polarization dependent loss, dark current, DC saturation of optical absorption, bandwidth, maximum RF output power, and nonlinearity. Among them, the design “InP” shows the highest polarization dependent loss because of its strongly confined excitons in wells. However, its RF performances such as the 3-dB bandwidth and the RF output power are limited by its large transit time. Compared to the design “InP”, the design “Q1.33” and the design “Al” exhibit better RF performances thanks to their reduced transit time. However, due to the weaker confinement of excitons in wells they provide lower polarization dependent loss values. By using compressive strains in wells, a new design of the waveguide integrated MQW p-i-n PD is presented. The simulation results show that this new design combines the high-PDL performance of the design “InP” and the high-RF performance of the design “Q1.33” and the design “Al”. In the end, a novel advanced coherent receiver using proposed waveguide integrated multiple quantum well p-i-n photodiodes is demonstrated.
In der vorliegenden Arbeit werden Wellenleiter integrierte Multi-Quantum-Well (MQW) p-i-n Photodioden entwickelt und charakterisiert. Im Vergleich zu Bulk Photodioden haben MQW-Photodioden besondere Eigenschaften, wie zum Beispiel einen hohen und einstellbaren Polarization-Dependent-Loss (PDL). Dies macht MQW-Photodioden zu einem potenziellen Kandidaten für unterschiedliche Anwendungen, besonders für Polarization-Diversität kohärente Empfänger. Außerdem können MQW-Photodioden die monolithische Integration von opto-electronischen Schaltungen vereinfachen. Das Design von Wellenleiter integrierten MQW p-i-n Photodioden basiert auf dem Modell, das in dieser Arbeit dargestellt wird. Das Modell gilt für das Spektrum der Empfindlichkeit, den PDL, die 3-dB Bandbreite, die DC- und RF- Sättigungsabsorption und die Nichtlinearität. Die wichtigen physikalischen Effekte für das Modell sind die Transitzeit und die Dichte der freibeweglichen Ladungsträger in den MQW-Schichten. Beide Effekte beeinflussen die interne Quantum-Effizienz, die optische Sättigungsabsorption, und die 3-dB Bandbreite. Das Modell berücksichtigt den Einfluss des elektrischen Feldes (der Spannung) und der optischen Eingangsleistung. Anschließend wird das Modell durch den Vergleich der Messergebnisse von drei erstellten Designs verifiziert. Die drei Designs werden durch die Empfindlichkeit, die Bandbreite, die maximale RF-Ausgangsleistung und die Nichtlinearität charakterisiert. Das Design „InP“ weist den höchsten PDL auf, wegen den stark beschränkten Exzitonen in den MQW-Schichten. Aufgrund der reduzierten Transitzeit haben die Designs „Q1.33” und „Al” bessere RF-Eigenschaften als das Design „InP“. Jedoch liefern die beiden Designs niedrigere PDL-Werte, wegen den schwächer beschränkten Exzitonen in den MQW-Schichten. Dann wird ein neues Design von Wellenleiter integrierten MQW p-i-n Photodioden dargestellt. Das neue Design benutzt die MQW Schichten mit einer kompressiven Verspannung. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das neue Design den hohen PDL des Designs „InP“ und die gute RF-Eigenschaft der Designs „Q1.33“ und „Al“ kombiniert. Am Ende wird ein verbesserter kohärenter Empfänger mit den dargestellten Designs demonstriert.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6528
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6036
Exam Date: 19-Jul-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 27-Jul-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::537 Elektrizität, Elektronik
Subject(s): photodiode
MQW
PDL
transit time
waveguide integrated
Transitzeit
wellenleiterintegriert
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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