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Periodic Travelling Wave Photodetectors with Serial and Parallel Optical Feed Based on InP
Beling, Andreas
In der Dissertation werden monolithisch integrierte periodische Wanderwellen-Photodetektoren mit paralleler und serieller optischer Speisung für Hochgeschwindigkeits- und Hochstrom-Anwendungen bei 1,55 µm Wellenlänge entwickelt und charakterisiert. Die untersuchten Photodetektoren basieren auf diskreten, miniaturisierten evaneszent-gekoppelten p-i-n Photodioden, die durch eine Koplanarleitung verschaltet sind und somit eine Wanderwellenstruktur ausbilden. Im Gegensatz zu diskreten Photodetektoren lassen sich Wanderwellen-Photodetektoren in der elektrischen Domäne als kapazitiv-belastete Leitungen oder generell als verteilte Strukturen beschreiben. Durch ein geeignetes Design der Koplanarleitung kann die Impedanz des Wanderwellen-Photodetektors an die der Last angepaßt werden. Liegt außerdem eine Phasenanpassung zwischen dem optischen und elektrischen Signal vor, verbleibt als Bandbreite-Begrenzung lediglich die Ladungsträgertransitzeit und das Bragg-Limit. In Bezug auf die optische Speisung werden zwei unterschiedliche Konzepte untersucht: Im Falle der parallelen optischen Speisung wird das optische Eingangssignal in einem verlustarmen monolithisch integrierten Multimoden-Interferenz-Teiler gleichmäßig auf mehrere Photodioden aufgeteilt. Dieser Typ des Wanderwellen-Photodetektors zeichnet sich insbesondere durch seine Fähigkeit aus, auch Signale hoher optischer Leistung optoelektronisch zu wandeln. Der Wanderwellen-Photodetektor mit serieller optischer Speisung besteht aus einem Zuführungswellenleiter, auf dem die Photodioden hintereinander angeordnet sind. Verglichen mit einer Einzel-Photodiode läßt sich mit diesem Konzept eine gesteigerte Responsivität bei Erhaltung der Bandbreite erreichen. Die theoretische Betrachtungen der optischen und elektrischen Eigenschaften des Wanderwellen-Photodetektors führen im Bauelementeentwurf auf ein Design, welches Impedanz- und Phasenanpassung sowie eine ausreichend hohe Bragg-Frequenz gewährleistet. Durch den Einsatz von kurzen, vielmodigen Wellenleitern im optischen Design kann der Quantenwirkungsgrad aller betrachteten Photodetektoren gesteigert werden. Die experimentell gewonnenen Ergebnisse zeigen, daß die hergestellten Wanderwellenphotodetektoren in zwei wichtigen Parametern, der exzellenten elektrischen Impedanzanpassung an 50 Ohm über einen weiten Frequenzbereich und der maximalen elektrischen Ausgangsleistung, den diskreten Photodetektoren überlegen sind. Die Bandbreiten erreichen dabei erstmalig auch im Falle des parallel-gespeisten Wanderwellenphotodetektors Werte um 85 GHz. Insbesondere bei hohen optischen Leistungen und Signalfrequenzen bis 400 GHz zeigt der Wanderwellen-Photodetektor deutlich bessere Frequenzgangseigenschaften als vergleichbare diskrete Detektoren. Abschließende Experimente demonstrieren die Systemtauglichkeit des Wanderwellen-Photodetektors erstmalig für Bitraten > 80 Gbit/s.
In this work, monolithically integrated, periodic travelling wave photodetectors with parallel and serial optical feed for high-speed and high-power applications at 1.55 µm wavelength are developed and characterized. The studied photodetectors are based on discrete, miniaturized evanescently coupled p-i-n photodiodes, which are distributed along a coplanar waveguide and thus form a travelling wave structure. In contrast to lumped element photodetectors, the travel- ling wave photodetector can be described in the electrical domain as a capacitively- loaded transmission line, or generally, as a fully distributed structure. By an appropriate design of the transmission line the characteristic impedance of the entire device can be matched to that of the external load. Assuming a phase match between the optical and electrical signals, the bandwidth is limited by the carrier transit times and Bragg-limit only. In the thesis two types of optical feeding are studied. The parallel-fed travelling wave photodetector comprises a monolithically integrated low-loss multimode interference power splitter of which output waveguides feed the discrete photodiodes symmetrically. With this design, the maximum electrical output power can be significantly enhanced when compared to a single photodiode. In the case of the serial optical feeding the photodiodes are arranged in series on top of one single waveguide. Here, the overall quantum efficiency ideally exceeds the one of a single photodiode at maintained bandwidth. The theoretical investigations of the optical and electrical properties lead to a device design, which exhibits impedance and phase match, as well as a Bragg-limit at a sufficiently high frequency. By employing short multimode waveguides in the optical design, the quantum efficiency can be enhanced for all considered types of photodetectors. The experimental results reveal superior performance in terms of the broadband electrical impedance match and the maximum output power, when compared to lumped element photodetectors. For the first time, the bandwidth of the parallel-fed travelling wave photodetector reaches 85 GHz. In particular at high optical input powers and frequencies above 100 GHz, the travelling wave photodetector clearly outperforms comparable lumped element detectors, which additionally recommends the device as an efficient photomixer up to THz-frequencies. Finally, system tests demonstrate the suitability of the travelling wave photodetector for the use in optical frontends at bitrates in excess of 80 Gbit/s.
