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Interferometric devices based on 4µm SOI material for application in optical telecommunications
Voigt, Karsten
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Realisierung integriert-optischer Komponenten im Materialsystem Silicon-on-Insulator (SOI). Ein Schwerpunkt bildet die Realisierung von Mach-Zehnder Delay Interferometern (MZ-DI) in 4µm SOI-Technologie und die Frage, ob derartige Interferometer zur Demodulation phasenmodulierter Datensignale im hochbitratigen Bereich geeignet sind. Die Dissertation befasst sich zunächst mit dem Design der Basiskomponenten eines MZ-DI in SOI-Technologie. Zu diesen Komponenten zählen einmodige Wellenleiter und Multimode-Interferenzkoppler. Die anfangs simulativ optimierten Komponenten konnten durch Iterationen bei der Fabrikation mit sehr guter Performance realisiert werden. Die SOI-Wellenleiter weisen typische Verluste von ~ 0.15 dB/cm auf. Die Interferenzkoppler weisen hinsichtlich Abstrahlverluste, Imbalance, polarisationsabhängigen Verlusten und Phasengenauigkeit eine State-of-the-art performance auf. Basierend auf diesen Basiskomponenten konnten MZ-DI hoher Güte realisiert werden. Typische Auslöschungen liegen im Bereich von 30 dB. Der polarisationsabhängige Frequenzshift (PDFS) der Interferometer konnte bis auf ~ 0.2 GHz reduziert werden. Das dazu entwickelte Verfahren beruht auf dem photoelastischen Effekt, wobei der durch eine Oberflächenschicht generierte Stress die Doppelbrechung von SOI-Wellenleitern beeinflusst. Durchgeführte Systemtests erbrachten den Nachweis, dass in SOI-Technologie realisierte MZ-DI zur Demodulation phasenmodulierter Datensignale geeignet sind. Weiterhin wird die Eignung photonischer Chips in SOI-Technologie als Plattform für die Integration aktiver InP-Komponenten (Photodetektoren, optische Verstärker) in Flip-Chip Technologie untersucht. Hintergrund ist dabei die Realisierung integriert-optischer DPSK Empfänger und die Realisierung integriert-optischer Wellenlängenkonverter. In Kooperation mit anderen europäischen Universitäten und der Firma u2t-Photonics konnte die Flip-Chip Integration als solche sowie die optische Funktionalität der jeweiligen Gesamtkomponente erfolgreich demonstriert werden.
This PhD thesis describes the realization of integrated optical components in Silicon-on-Insulator (SOI) material. In particular, the thesis is focused on the realization of Mach-Zehnder delay interferometers (MZ-DI) in 4µm SOI technology. As an example, the ability of MZ-DI for the demodulation of phase-modulated data signals is investigated. As a first step, the thesis considers the design of the basic components for the realization of MZ-DIs in SOI technology. These components are single-mode waveguides and multi-mode interference (MMI) couplers. Following the simulations and iterations of the fabrication, these components could be realized with high-performance. The typical waveguide loss is ~ 0.15 dB / cm. The MMI couplers show state-of-the-art performance in terms of excess loss, imbalance, polarization-dependent loss and phase accuracy. Based on these components, the performance of the MZ-DIs was investigated. Typical extinction ratios are in the range of 30 dB. The polarization-dependent frequency shift (PDFS) could be reduced to about 0.2 GHz. This is possible by generation of stress through the deposition of a cladding resulting in a change of the waveguide birefringence. Dynamic measurements confirm that the realized MZ-DIs in 4µm SOI technology are able to demodulate DPSK data signals. Furthermore, the hybrid integration of active InP components on SOI platform has been demonstrated. Based on flip-chip technology, an integrated optical DPSK receiver and an integrated all-optical wavelength converter were realized. The hybrid integration as well as the optical functionality of the components is demonstrated successfully. This was accomplished by TU-Berlin in cooperation with other European universities and the company u2t-potonics.
