Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8167
Main Title: Neuer Optimierungsansatz für die Entwicklung hochkomplexer monolithisch integrierter Indiumphosphid Mach-Zehnder Terabit Transmitterchips
Translated Title: New optimization approach for the development of monolithically integrated indium phosphide based Mach-Zehnder Terabit transmitterchips with high complexity
Author(s): Rausch, Marko
Advisor(s): Gerfers, Friedel
Referee(s): Gerfers, Friedel
Stöhr, Andreas
Zimmermann, Lars
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Um dem auch zukünftig stark ansteigenden Datenverkehrsaufkommen gerecht zu werden, bedarf es leistungsfähiger optischer Daten- und Kommunikationsnetze stetig steigender Kapazität. Das ist nur zu erreichen durch eine ständige Weiterentwicklung aller erforderlichen Netzkomponenten im Hinblick auf Bandbreite, Signalqualität, Leistungsaufnahme und Komplexität (speziell Sender, Router und Empfänger). Auf dem Weg zu kommerziell nutzbaren flexiblen Terabit Photonisch Integrierten Schaltungen (PICs) bieten Indiumphosphidbasierte Push-Pull Mach-Zehnder Modulatoren wegen ihrer hohen elektro-optischen Effizienz, geringen Baugröße sowie chirpfreien Modulation ein herausragendes Potential um diesen Herausforderungen auch in Zukunft folgen zu können. Vor diesem Hintergrund wurde für diese Arbeit folgendes Ziel definiert: Optimierung von elektro-optischen Sendeeinheiten mit monolithisch integrierten Wanderwellen Push-Pull Mach-Zehnder Modulatoren auf Indiumphosphid-Basis für den Einsatz in zukünftigen Terabit Transmitter PICs bezüglich Signalqualität, Datenkapazität und elektrischer Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der elektronischen Ansteuerung und der zunehmenden Komplexität. Die Optimierung des Designs von bisher entwickelten Mach-Zehnder Modulator Sendekomponenten basiert i. a. hauptsächlich auf der Optimierung des Kernelements, d. h. der monolithisch integrierten Modulator-Struktur. Lediglich einzelne vorgegebene Randbedingungen bezüglich der erforderlichen elektrischen Ansteuerung fanden dabei mehr oder weniger Berücksichtigung. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dagegen jetzt erstmals ein umfassendes theoretisches Modell und darauf aufbauend ein neuer Optimierungsansatz entwickelt werden, der nicht nur auf die Ermittlung eines möglichst optimalen Designs für einen bestimmten monolithisch integrierten Modulator-Typ oder -Schaltkreis ausgerichtet ist, sondern ebenso die zum Betrieb erforderliche gesamte elektronische Ankopplung mitberücksichtigt (Impedanzanpassung, Ansteuerungsart, Treiber, hybride/monolithische Verbindung). Das hier präsentierte Co-Design von Modulator und externer elektronischer „Peripherie“ wurde erreicht durch die Anwendung, Erweiterung und Kopplung unterschiedlicher, überwiegend neu entwickelter aber auch bereits vorhandener Modelle und Softwarepakete. Die mittel- und langfristig zu erwartende Erhöhung der Komplexität von monolithisch integrierten Modulatorstrukturen durch die Einbeziehung von mehr und mehr optischer und elektronischer Funktionalität, bei gleichzeitiger Forderung nach einer minimalen Chipgröße, war dabei stets eine wichtige Randbedingung. Ein Großteil der Ergebnisse wie z. B. zur elektronischen Ansteuerung (uni-polar/differenziell) oder die Entwicklung von verbesserten monolithisch integrierten coplanar Streifenleitungswiderständen zum breitbandigen Impedanzabschluss wurden ferner experimentell überprüft und mit dem Model verglichen.
The fast growing amount of data traffic in the future is pushing the need for high performance optical data- and communication networks with continuously increasing transport capacity. To meet this requirements it is necessary to continually enhance the bandwidth, signal quality, power consumption and complexity of all network components. (especially transmitter, router and reviver) Towards commercially available flexible terabit PICs indiumphosphide based push-pull Mach-Zehnder modulators show, due to high electrooptic efficiency, small footprint and chirp free modulation, a great potential to meet this challenges in the future. Against this background the targets for this work were defined as follows: Optimization of electro-optical transmitters incorporating indium phosphide based monolithically integrated traveling wave push-pull Mach-Zehnder modulators, to be used in future terabit transmitter PICs regarding signal quality, data capacity and electrical power consumption, taking into account the electrical input signals and the increasing complexity. For Mach-Zehnder modulator transmitters developed so far, the optimization was mainly based on the core element (monolithically integrated modulator structure) improvement. Individual defined boundary conditions regarding electrical input signals were more or less taken into consideration. In the context of this work it was possible for the first time to generate a comprehensive theoretical model that was used to develop a new optimization approach, not only limited to find the optimum design for a specific monolithically integrated modulator type or circuit but also taking into consideration the whole electrical interface (impedance matching, electrical driver, hybrid/monolithically connectivity). The presented co-design of modulator and peripheral electronics was enabled by the utilization, extension and linking of primarily new developed but also well known models and software bundles. The expected mediumand longterm increase in the complexity of monolithically integrated modulator structures alongside with more and more optical- and electronic functions,still obeying the demand for minimum chip size, was always an important boundary condition. A major part of the results like e. g. for the electronically driving scheme (singleended/ differential) or the development of an advanced monolithically integrated coplanar stripline resistor for the broadband impedance matching were also experimentally validated and compared to the model.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/9066
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8167
Exam Date: 24-Jan-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 19-Feb-2019
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): Indiumphosphid
Mach-Zehnder-Modulator
optische Nachrichtentechnik
Wanderwellenelektrode
indium phosphide
optical communication
travelling wave electrode
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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