Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for high-speed communication systems

Der Austausch von Informationen über globale Kommunikationsnetze ist für viele alltägliche Lebensbereiche selbstverständlich geworden. Die Informationen werden dabei mit immer weiter wachsender Geschwindigkeit und in zunehmendem Umfang geteilt. Durch den enormen Anstieg des Datenverkehrs kommt verstärkt optische Nachrichtentechnik zum Einsatz. Sie bietet gegenüber elektronischen Übertragungsverfahren entscheidende Vorteile bezüglich der Übertragungsdistanz und -kapazität.Wurde optische Übertragung zunächst nur für die Kommunikation über weite Strecken eingesetzt, machen sich die Nachteile elektronischer Verfahren mit dem stark anwachsenden Datenverkehr auch zunehmend über kürzere Strecken bemerkbar, sodass auch dort vermehrt optische Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen. Insgesamt nimmt die Anzahl der photonischen Komponenten, die in Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden, dadurch rapide zu. Dies führt dazu, dass die einzelnen Bauteile kostengünstiger, energieeffizienter sowie kompakter werden müssen. Ähnlich zur Entwicklung in der Mikroelektronik, wo immer stärkere Miniaturisierung zu einer dramatischen Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduktion von Kosten, Platzbedarf und Energieverbrauch geführt hat, soll dies in der Photonik durch die Anwendung von integrierten photonischen Schaltkreisen erreicht werden. Integrierte photonische Schaltkreise zeichnen sich durch hohe Funktionalität bei geringem Platzbedarf aus und ermöglichen eine kostengünstige Massenfertigung. Sie sind daher von erheblichem wissenschaftlichen, technischen und kommerziellen Interesse. Insbesondere die Integration auf Siliziumsubstraten verspricht dabei hohe Integrationsdichten, kombiniert mit der Möglichkeit zur Ko-Integration photonischer und elektronischer Schaltkreise. Ein entscheidender Vorteil ist dabei, dass Silizium seit Jahrzehnten das dominierende Material in der Halbleiterindustrie und eines der häufigsten Elemente der Erdkruste ist. Vorteilhaft ist also neben der guten Verfügbarkeit des Materials, insbesondere die Existenz von etablierten und zuverlässigen Prozessen aus der Mikroelektronik, speziell der CMOS-Fertigung, zur lithographischen Strukturierung. Zudem bietet Silizium viele für die integrierte Photonik günstige physikalische Eigenschaften. Beispielsweise die Transparenz im für die Datenübertragung technisch relevanten Spektralbereiche im Nahinfraroten zwischen 1260 nm und 1625 nm und einen hohen Brechungsindexkontrast zu Siliziumdioxid. Die unter dem Begriff Siliziumphotonik zusammengefasste Technologie ist daher eine vielversprechende Plattform für integrierte photonische Schaltkreise. Eines der wichtigsten Bauteile in der optischen Nachrichtentechnik ist der elektro-optische (EO) Modulator. An der Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik ist er das zentrale Element in optischen Sendern. Neben geringen Herstellungskosten, geringem Platzbedarf und guter Energieeffizienz ist eine hohe Modulationsgeschwindigkeit eine essentielle Fähigkeit des Modulators, da diese hohe Bandbreiten in der Datenübertragung ermöglicht. Da Silizium aufgrund der punktsymmetrischen Kristallstruktur keine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, ist in reinem Silizium kein linearer EO Effekt (Pockels-Effekt) verfügbar. Elektro-optische Modulatoren aus Silizium basieren daher darauf, dass die Konzentration freier Ladungsträger in einem Siliziumwellenleiter moduliert wird, was beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an einen pn-Übergang realisiert werden kann. Die Änderung der Konzentration freier Ladungsträger führt dabei zu einer Variation des optischen Brechungsindex (Plasmadispersions-Effekt). Dieser Effekt ist jedoch nicht effizient,wodurch die Energieeffizienz reiner Siliziummodulatoren insgesamt limitiert ist. Durch die heterogene Integration von Silizium mit weiteren Materialien lässt sich die Siliziumphotonik-Plattform erweitern. Organische EO Materialien lassen sich durch molekulares Design gezielt auf einen starken linearen EO Effekt hin optimieren. Durch die Kombination von Silizium-Nanowellenleitern und organischen EO Materialien lassen sich Hybridbauteile realisieren, welche wesentlich energieeffizienter als reine Siliziummodulatoren sind. In der englischsprachigen Fachliteratur werden diese Bauteile auch als silicon-organic hybrid (SOH) bezeichnet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit SOH-Modulatoren und deren praktischer Anwendung in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation. In vorausgehenden Arbeiten wurden die fundamentalen Prinzipien von SOHModulatoren untersucht und deren grundlegende Einsetzbarkeit für die optische Datenübertragung gezeigt. Die vorliegende Arbeit baut darauf auf und adressiert gezielt Aspekte, die für einen praktischen Einsatz von SOH Bauteilen in optischen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind: Um ein zielgerichtetes Design der Bauteile zu ermöglichen und grundlegende Zielkonflikte im Design zu erkennen, wird ein Modell für das dynamische EO Verhalten der Modulatoren entwickelt und experimentell verifiziert. Für die breitbandige Aufbau- und Verbindungstechnik werden Konzepte zur elektrischen Anbindung schneller SOH-Modulatoren entwickelt und demonstriert. Verschiedene Modulationsformate werden bei Bruttodatenraten von bis zu 160 Gbit/s erfolgreich getestet und demonstrieren die Eignung von SOHModulatoren für praktische Anwendungsszenarien. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Siliziumphotonik und deren Bedeutung für die optische Datenübertragung. Kapitel 2 beschreibt die theoretischen und technologischen Grundlagen elektrooptischer Bauteile auf Basis der Siliziumphotonik. Dies umfasst einen Überblick über den zugehörigen Stand der Wissenschaft und Technik sowie die für die nachfolgenden Kapitel relevanten Konzepte aus der Hochfrequenz- und der Nachrichtentechnik. Kapitel 3 führt ein quantitatives Modell zur Beschreibung der dynamischen elektrischen und EO Eigenschaften von SOH-Modulatoren ein. Das Modell wird experimentell verifiziert und dient als Grundlage für verbesserte Bauteildesigns zukünftiger SOH-Modulatoren, mit denen sich Bandbreiten von mehr als 100 GHz und $\pi$-Spannungen von unter 1 V erreichen lassen. Kapitel 4 demonstriert die Eignung von SOH-Modulatoren für technisch relevante Intensitätsmodulation/Direktempfang-Verfahren (engl. intensity modulation/direct detection, IM/DD), die insbesondere für hochgradig skalierbare Übertragungssysteme mit kleinen und mittleren Reichweiten (board-to-board, rack-to-rack) interessant sind. In diesem Zusammenhang werden verschiedene IM/DD-Modulationsformate experimentell getestet und dabei Bruttodatenraten von bis zu 120 Gbit/s demonstriert. Kapitel 5 befasst sich mit der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik für SOH-Modulatoren. Dies erfordert Platinen mit guten Hochfrequenzeigenschaften und kleinen Strukturgrößen, um eine hohe Integrationsdichte zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnisch breitbandigen Keramikplatinen mit hoher räumlicher Auflösung wird vorgestellt. Mit Hilfe dieser Keramikplatinen wird ein mit Bonddrähten elektrisch angebundener SOH-Modulator vorgestellt und damit eine Bruttodatenrate von 160 Gbit/s demonstriert. Kapitel 6 fasst die vorliegende Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftig notwendige Schritte, um die Anwendungsreife von SOH-Modulatoren zu erreichen. Zudem werden potentielle weitere Anwendungsfelder für SOH-Modulatoren diskutiert

Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for high-speed communication systems

SOH (silicon-organic hybrid) elektrooptische Modulatoren kombinieren Siliziumphotonik mit organischen elektro-optischen Materialien. Dieses Buch befasst sich mit Aspekten, die speziell für den Einsatz von SOH-Modulatoren in praktischen optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen relevant sind, wie z. B. Aufbau- und Verbindungstechnik, Modellierung und die Implementierung effizienter Modulationsformate für IM/DD-Formate

Electrically packaged silicon-organic hybrid (SOH) I/Q-modulator for 64 GBd operation

Silicon-organic hybrid (SOH) electro-optic (EO) modulators combine small footprint with low operating voltage and hence low power dissipation, thus lending themselves to on-chip integration of large-scale device arrays. Here we demonstrate an electrical packaging concept that enables high-density radio-frequency (RF) interfaces between on-chip SOH devices and external circuits. The concept combines high-resolution $\mathrm{Al_2O_3}$ printed-circuit boards with technically simple metal wire bonds and is amenable to packaging of device arrays with small on-chip bond pad pitches. In a set of experiments, we characterize the performance of the underlying RF building blocks and we demonstrate the viability of the overall concept by generation of high-speed optical communication signals. Achieving line rates (symbols rates) of 128 Gbit/s (64 GBd) using quadrature-phase-shiftkeying (QPSK) modulation and of 160 Gbit/s (40 GBd) using 16-state quadrature-amplitudemodulation (16QAM), we believe that our demonstration represents an important step in bringing SOH modulators from proof-of-concept experiments to deployment in commercial environments

Coherent modulation up to 100 GBd 16QAM using silicon-organic hybrid (SOH) devices

We demonstrate the generation of higher-order modulation formats using silicon-based inphase/quadrature (IQ) modulators at symbol rates of up to 100 GBd. Our devices exploit the advantages of silicon-organic hybrid (SOH) integration, which combines silicon-on-insulator waveguides with highly efficient organic electro-optic (EO) cladding materials to enable small drive voltages and sub-millimeter device lengths. In our experiments, we use an SOH IQ modulator with a {\pi}-voltage of 1.6 V to generate 100 GBd 16QAM signals. This is the first time that the 100 GBd mark is reached with an IQ modulator realized on a semiconductor substrate, leading to a single-polarization line rate of 400 Gbit/s. The peak-to-peak drive voltages amount to 1.5 Vpp, corresponding to an electrical energy dissipation in the modulator of only 25 fJ/bit

A verified equivalent-circuit model for slotwaveguide modulators

We formulate and experimentally validate an equivalent-circuit model based on distributed elements to describe the electric and electro-optic (EO) properties of travellingwave silicon-organic hybrid (SOH) slot-waveguide modulators. The model allows to reliably predict the small-signal EO frequency response of the modulators exploiting purely electrical measurements of the frequency-dependent RF transmission characteristics. We experimentally verify the validity of our model, and we formulate design guidelines for an optimum trade-off between optical loss due to free-carrier absorption (FCA), electro-optic bandwidth, and {\pi}-voltage of SOH slot-waveguide modulators

Silicon-Organic Hybrid (SOH) Mach-Zehnder Modulators for 100 Gbit/s On-Off Keying

Electro-optic modulators for high-speed on-off keying (OOK) are key components of short- and mediumreach interconnects in data-center networks. Besides small footprint and cost-efficient large-scale production, small drive voltages and ultra-low power consumption are of paramount importance for such devices. Here we demonstrate that the concept of silicon-organic hybrid (SOH) integration is perfectly suited for meeting these challenges. The approach combines the unique processing advantages of large-scale silicon photonics with unrivalled electro-optic (EO) coefficients obtained by molecular engineering of organic materials. In our proof-of-concept experiments, we demonstrate generation and transmission of OOK signals with line rates of up to 100 Gbit/s using a 1.1 mm-long SOH Mach-Zehnder modulator (MZM) which features a {\pi}-voltage of only 0.9 V. This experiment represents not only the first demonstration of 100 Gbit/s OOK on the silicon photonic platform, but also leads to the lowest drive voltage and energy consumption ever demonstrated at this data rate for a semiconductor-based device. We support our experimental results by a theoretical analysis and show that the nonlinear transfer characteristic of the MZM can be exploited to overcome bandwidth limitations of the modulator and of the electric driver circuitry. The devices are fabricated in a commercial silicon photonics line and can hence be combined with the full portfolio of standard silicon photonic devices. We expect that high-speed power-efficient SOH modulators may have transformative impact on short-reach optical networks, enabling compact transceivers with unprecedented energy efficiency that will be at the heart of future Ethernet interfaces at Tbit/s data rates

A verified equivalent-circuit model for slotwaveguide modulators

We formulate and experimentally validate an equivalent-circuit model based on distributed elements to describe the electric and electro-optic (EO) properties of travellingwave silicon-organic hybrid (SOH) slot-waveguide modulators. The model allows to reliably predict the small-signal EO frequency response of the modulators exploiting purely electrical measurements of the frequency-dependent RF transmission characteristics. We experimentally verify the validity of our model, and we formulate design guidelines for an optimum trade-off between optical loss due to free-carrier absorption (FCA), electro-optic bandwidth, and {\pi}-voltage of SOH slot-waveguide modulators