High-speed optical data transmission for detector instrumentation in particle physics

This work discusses the advantage of optical transmission utilizing wavelength-division multiplexing for the read-out of experimental data in detector instrumentation in high-energy physics, astroparticle physics or photon science. A multi-channel optical transmitter is developed as the core component on a silicon-on-insulator platform. It implements Mach-Zehnder modulators with a depletion-type pn-phase shifter in each arm, while the (de )multiplexers rely on planar concave gratings. The modulator design is expected to support a symbol rate in the range 40 GBd even with a phase shifter length of 3 mm. The development of an efficient simulation method is presented, which allows for the reliable prediction of the steady-state modulator characteristics. Furthermore, this work addresses the packaging technology for grating-coupled silicon photonic components. In particular, a fabrication and assembly process for a planar fiber-to-chip coupling using angle-polished single-mode fibers is developed. A long-term-stable coupling with a small footprint is achieved, of which the coupling efficiency is only weakly dependent on ambient conditions

Lumped silicon photonic Mach-Zehnder modulators for high-speed optical interconnects

The boom in worldwide internet connectivity and cloud services has caused unprecedented need for high-bandwidth connections between and within data centres. Silicon photonics is becoming the platform of choice to provide low-cost, large-volume production of future optical transceivers. However, the scale of modern data centres introduces challenges of speed, reach and, crucially, energy consumption for these devices. Silicon photonic Mach-Zehnder modulators (MZMs) are one possibility for providing electrical-to-optical conversion at the transmit side of such fibre-optic links. In this thesis, comprehensive investigation is carried out into lumped MZMs, specifically, as their unterminated, capacitive load holds promise for lower power consumption than more typical travelling-wave MZMs with resistive terminations. Detailed characterisations and simulations of dual-drive silicon photonic lumped MZMs are made to investigate the key trade-off of modulation bandwidth and drive voltage. Drivers with low source impedance are investigated as a means of boosting lumped MZM bandwidths, while advanced modulation formats such as four-level pulse-amplitude modulation (PAM4) and electrical duobinary modulation (EDB) are also leveraged to provide more spectrally-efficient signals. In particular, experimental demonstration is made of a novel low-impedance, switched-capacitor PAM4 driver for a lumped MZM in a 30 Gb/s silicon photonic link over 10 km of optical fibre. Simulations are carried out to optimise the bias and doping levels of lumped MZMs used with such drivers. Predistortion methods are investigated through experiments and simulations as alternative ways to increase the bandwidth. A simple first-order FIR filter is shown experimentally to enable 25 Gb/s NRZ modulation with a low-bandwidth MZM, while more optimised precompensation enables 50 Gb/s PAM4 and EDB. Finally, simulations using an accurate equivalent circuit model for the lumped MZM demonstrate the potential for a well-designed driver with lowered source impedance and controlled amounts of inductive peaking to reduce the need for transmitter-side precompensation

Towards Compact and High Speed Silicon Modulators

Los moduladores son elementos claves para la transmisión de la señal y el procesamiento de la información. Las técnicas de fabricación avanzadas "complementary metal-oxide semiconductor" (CMOS) permiten reducir drásticamente las dimensiones de estos dispositivos de interés para la implementación a gran escala en un chip de silicito a bajo coste. El trabajo realizado en esta tesis se centra en el diseño, la fabricación y la caracterización de estructuras de onda lenta con el objetivo de realizar moduladores compactos y eficientes integrados en un chip de silicio. El trabajo se divide en cuatro capítulos y un capítulo de conclusión y perspectivas. El capítulo uno introduce los fundamentos de física del estado sólido y de los mecanismos básicos de propagación guiada de la luz por reflexión total interna. El capítulo dos presenta los parámetros importantes de los moduladroes electro-ópticos así como un trabajo de recopilación de todos los mecanismos físicos que pueden ser empleados para modular la luz en silicio. Además, se presenta el estado del arte de los moduladores basados en silicio. El capítulo tres presenta el diseño , fabricación y caracterización de un modulador electro-óptico en silicio compacto y eficiente basado en el efecto de onda lenta en una estructura periódica unidimensional integrada, cuya geometría, similar a la de una red de Bragg, permite reducir la velocidad de grupo de un paquetes de ondas. Dicho efecto, se emplea para incrementar la interacción luz-materia y por lo tanto la eficiencia del modulador electro-óptico. El capítulo cuatro demuestra experimentalmente que dicha guía unidimensional periódica puede ser mejorada a fin de conseguir que el efecto de baja velocidad de grupo suceda en un rango mayor de longitudes de onda para posibles aplicaciones como la multiplexación por división de longitudinal de onda. En el capítulo cinco, se proporcionan conclusiones y perspectivas sobre el trabajo realizado.Brimont ., ACJ. (2011). Towards Compact and High Speed Silicon Modulators [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14345Palanci

On-Chip Nanoscale Plasmonic Optical Modulators

In this thesis work, techniques for downsizing Optical modulators to nanoscale for the purpose of utilization in on chip communication and sensing applications are explored. Nanoscale optical interconnects can solve the electronics speed limiting transmission lines, in addition to decrease the electronic chips heat dissipation. A major obstacle in the path of achieving this goal is to build optical modulators, which transforms data from the electrical form to the optical form, in a size comparable to the size of the electronics components, while also having low insertion loss, high extinction ratio and bandwidth. Also, lap-on-chip applications used for fast diagnostics, and which is based on photonic sensors and photonic circuitry, is in need for similar modulator specifications, while it loosens the spec on the modulator’s size. Silicon photonics is the most convenient photonics technology available for optical interconnects application, owing to its compatibility with the mature and cheap CMOS manufacturing process. Hence, building modulators which is exclusively compatible with this technology is a must, although, Plasmonics could be the right technology for downsizing the optical components, owing to its capability in squeezing light in subwavelength dimensions. Hence, our major goal is to build plasmonic modulators, that can be coupled directly to silicon waveguides. A Plasmonic Mach-Zehnder modulator was built, based on the orthogonal junction coupling technique. The footprint of the modulator is decreased to 0.6 4.7, extinction ratio of 15.8 dB and insertion loss of 3.38 dB at 10 volts was achieved in the 3D simulations. The voltage length product for the modulator is 47 V. The orthogonal junction coupler technique minimized the modulator’s footprint. On the other hand, photonic sensors favorably work in the mid-infrared region, owing to the presence of a lot of molecules absorption peaks in this region. Hence, III-V semiconductor media is used for this type of applications, owing to the availability of laser sources built of III-V media, and to the lower losses that these materials have in mid-infrared region. Hybrid plasmonic waveguide, formed of doped InAs, AlAs and GaAs is studied extensively. Based on this waveguide an electro-absorption modulator is built. The device showed an extinction ratio of 27 dB at 40 length, and 1.2 dB of insertion loss. The small device footprint predicts a much lower energy consumption

Hybrid Silicon-Photonic Circuits with Second-Order Optical Nonlinearities

Die integrierte Optik ermöglicht die Miniaturisierung diskreter photonischer oder elektro-optischer (EO) Komponenten und die Kombination dieser Bauelemente in komplexen photonischen integrierten Schaltungen (engl. photonic integrated circuit, PIC) auf kompakten Mikrochips. Die Silizium-Photonik (SiP) ist eine sehr attraktive Plattform für die photonische Integration, da sie ausgereifte Herstellungsprozesse aus der Mikroelektronik nutzen kann. Damit eröffnet die Silizium-Photonik die Möglichkeit zur kostengünstigen Massenproduktion von photonischen Chips mit hoher Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Darüber hinaus erlaubt der große Brechungsindexkontrast zwischen dem als Wellenleiterkern dienendem Silizium (Si) und dem als Mantelmaterial verwendeten Siliziumdioxid die Herstellung von Wellenleitern mit kleinen Querschnitten und kleinen Krümmungsradien, was die Integrationsdichte im Vergleich zu anderen Materialplattformen erhöht. Die Silizium-Photonik hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Aufgrund seines inversionssymmetrischen Kristallgitters besitzt Silizium keine Nichtlinearität zweiter Ordnung. Folglich sind Bauelemente wie optische Frequenzkonverter, optische Logikgatter, verschränkte Photonenquellen und vor allem elektro-optische Modulatoren, welche auf dem Pockels-Effekt basieren, auf der SiP-Plattform nicht ohne Weiteres realisierbar. Die hybride Integration von Silzium-Nanowellenleitern mit anderen Materialien, die eine Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweisen, ist daher für die Erweiterung des Portfolios von SiP-Bauelementen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze für die hybride Integration in SiP-Schaltungen untersucht. Der erste Ansatz stütz sich auf hocheffiziente organische EO Materialien, die mit siliziumphotonischen Wellenleiterstrukturen in einem Back-End-of-Line-Prozess kombiniert werden, um sogenannte Silicon-Organic Hybrid (SOH) EO Modulatoren zu realisieren. In dieser Arbeit werden SOH-Modulatoren demonstriert, die neue Rekorde in Bezug auf Modulationseffizienz, optische Einfügungsdämpfung und demonstrierte Datenrate definieren. Darüber hinaus wird die thermische Langzeitstabilität dieser Bauelemente bei 85 °C validiert. Der zweite Ansatz beruht auf neuartigen anorganischen Nanolaminat-Dünnfilmen, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) gewachsen werden. Aufgrund des frühen Forschungsstadiums wurden diese Materialien nicht direkt auf SiP-Chips, sondern auf Glassubstraten gewachsen und durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) charakterisiert. In dieser Arbeit werden SHG-Charakterisierungstechniken für Nanolaminate untersucht und ein neues Nanolaminat vorgestellt. Perspektivisch könnte ALD allerdings auch für die Beschichtung von SiP-Chips verwendet werden. Das konforme ALD-Wachstum bietet sich hierbei an, um präzise definierte Schichtfolgen auch auf komplexen Wellenleiterstrukturen mit hoher Reproduzierbarkeit abzuscheiden. Diese beiden Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit näher beschrieben. Kapitel 1 gibt eine Einführung in die integrierte Optik und erläutert die Notwendigkeit der Hybridintegration von optisch-nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung in SiP-Schaltungen. Kapitel 2 fasst den theoretischen Hintergrund, führt die für diese Arbeit relevanten Aspekte der nichtlinearen Optik ein und gibt einen Überblick über verschiedene Klassen von nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung. Darüber hinaus wird der Stand der Technik von Mach-Zehnder-Modulatoren auf der SiP-Plattform vorgestellt. In Kapitel 3 wird die sehr hohe Modulationseffizienz von SOH-Modulatoren demonstriert. Dabei wird ein Mach-Zehnder-Modulator diskutiert, bei dem das Produkt aus π-Spannung und Länge nur 0,32 Vmm beträgt. Im Vergleich zu modernsten SiP-Modulatoren stellt dieser Wert eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung dar. Diese hohe Effizienz ermöglicht eine optische Signalerzeugung mit einer Datenrate von 40 Gbit/s unter Verwendung sehr kleiner Peak-to-Peak Treiberspannungen von nur 140 mV$_{\rm{pp}}$. Kapitel 4 stellt einen kompakten SOH-Modulator mit einer optischen Dämpfung des Phasenschiebers von unter 1 dB vor – dies entspricht dem niedrigsten Wert der jemals für einen ultra-schnellen SiP-Modulator veröffentlicht wurde. Der Nutzen dieses Bauteils für schnelle und effiziente optische Datenübertragung wird in einem Experiment demonstriert, bei dem vierstufige Pulsamplitudenmodulations-Signale (PAM4) bei 100 GBd erzeugt werden. Die hierfür verwendeten Treiberspannungen sind kompatibel mit typischen Spannungspegeln, die von energieeffizienten und hochgradig skalierbaren Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-(CMOS­)Bauteilen erzeugt werden können. Kapitel 5 demonstriert die thermische Langzeitstabilität von SOH-Modulatoren gemäß den Telcordia-Normen für die Lagerung bei hohen Temperaturen. Die Bauelemente werden bei 85 °C für insgesamt 2700 h gelagert, und es zeigt sich, dass die π-Spannung nach einem schnellen anfänglichen Anstieg auf ein konstantes langzeitstabiles Niveau konvergiert. Weiterhin wird gezeigt, dass die Lagerung bei 85 °C keinen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Bauteile bezüglich der optischen Datenübertragung hat. Dazu wurde eine optische Datenübertragung mit einem SOH-Bauteil durchgeführt, das zuvor für 2700 h bei 85 °C gelagert wurde. Mit dieser Demonstration wird eines der letzten verbleibenden Hindernisse auf dem Weg zum technischen Einsatz von SOH-Bauteilen adressiert: Die Stabilität der zugrundeliegenden organischen Materialien. In Kapitel 6 werden zwei verschiedene Techniken zur Messung von SHG von anorganischen Nanolaminaten und zur Bestimmung der zugehörigen Elemente des $\chi^{(2)}$-Tensors untersucht. Die Vor- und Nachteile der beiden Methoden werden verglichen und die Quellen für Messfehler identifiziert. Kapitel 7 stellt ein neuartiges binäres Nanolaminatmaterial vor, das auf abwechselnden Schichten aus Zinkoxid und Aluminiumoxid basiert. Die ermittelte Nichtlinearität zweiter Ordnung ist mehr als dreimal so groß wie bei zuvor veröffentlichten ternären Nanolaminaten. Kapitel 8 fasst die Themen dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten zu SOH-Modulatoren und Nanolaminat-Dünnfilmen

Chalcogenide Glass-on-Graphene Photonics

Two-dimensional (2-D) materials are of tremendous interest to integrated photonics given their singular optical characteristics spanning light emission, modulation, saturable absorption, and nonlinear optics. To harness their optical properties, these atomically thin materials are usually attached onto prefabricated devices via a transfer process. In this paper, we present a new route for 2-D material integration with planar photonics. Central to this approach is the use of chalcogenide glass, a multifunctional material which can be directly deposited and patterned on a wide variety of 2-D materials and can simultaneously function as the light guiding medium, a gate dielectric, and a passivation layer for 2-D materials. Besides claiming improved fabrication yield and throughput compared to the traditional transfer process, our technique also enables unconventional multilayer device geometries optimally designed for enhancing light-matter interactions in the 2-D layers. Capitalizing on this facile integration method, we demonstrate a series of high-performance glass-on-graphene devices including ultra-broadband on-chip polarizers, energy-efficient thermo-optic switches, as well as graphene-based mid-infrared (mid-IR) waveguide-integrated photodetectors and modulators

Plasmonic-Organic and Silicon-Organic Hybrid Modulators for High-Speed Signal Processing

High-speed electro-optic (EO) modulators are key devices for optical communications, microwave photonics, and for broadband signal processing. Among the different material platforms for high-density photonic integrated circuits (PIC), silicon photonics sticks out because of CMOS foundries specialized in PIC fabrication. However, the absence of the Pockels effect in silicon renders EO modulators with high-efficiency and large modulation bandwidth difficult. In this dissertation, plasmonic and photonic slot waveguide modulators are investigated. The devices are built on the silicon platform and are combined with highly-efficient organic EO materials. Using such a hybrid platform, we realize compact and fast plasmonic-organic hybrid (POH) and silicon-organic hybrid (SOH) modulators. As an application example, we demonstrate for the first time an advanced terahertz communication link by directly converting data on a 360 GHz carrier to a data stream on an optical carrier. For optical transmitter applications, we overcome the bandwidth limitation of conventional SOH modulators by introducing a high-k dielectric microwave slotline for guiding the modulating radio-frequency signal which is capacitively-coupled to the EO modulating region. We confirm the viability of such capacitively-coupled SOH modulators by generating four-state pulse amplitude modulated signals with data rates up to 200 Gbit/s