ISBN 978-3-8439-1635-6

978-3-8439-1635-6, Reihe Elektrotechnik

Marc Schmid
Integrierte optische Übertragungsstrecke für die Silizium-Photonik

159 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Im Zentrum der Doktorarbeit stand die Aufgabe, eine monolithische integrierte optische Übertragungsstrecke mit jeweils einer Ge-basierten pin-Diode als Elektro-absorptions¬modulator und als Detektor auf einer Si-Plattform zu realisieren. Die wichtigsten Arbeitspunkte bestanden in der Charakterisierung der elektro-optischen Modulationseffekte sowie der Technologie- und Prozessentwicklung auf "Silicon-on-Insulator"-Substraten für die Herstellung von Wellenleiter-integrierten Ge-on-Si-pin-Dioden. Für das Kristallwachstum der Ge-on-Si-pin-Dioden wurde ein Molekular-Strahl-Epitaxie (MBE)-Prozess verwendet und für das lokale Wachstum der Ge-on-Si-pin-Dioden in einen Si-Wellenleiter weiterentwickelt.

Zunächst wurden mit diskreten Ge-on-Si-pin-Dioden und Ge/SiGe-Multi-Quantum-Well (MQW)-pin-Dioden zwei unter¬schiedliche Diodenkonzepte untersucht, die sich für die Elektro¬absorptions¬modulation eines optischen Signals eignen. Zur Charakterisierung der MBE-Schichtstruktur wurden mit den Ge-on-Si-pin-Dioden und den MQW-pin-Dioden jeweils elektrische Charakterisierungen, Elektro¬lumineszenz¬messungen und Elektro¬absorptions¬messungen durchgeführt. Für die entsprechenden Dioden wurde das Auftreten des Franz-Keldysh-Effektes (FKE) bzw. des Quantum-Confined-Stark-Effektes (QCSE) nachgewiesen. Nach dem Vergleich der zwei Diodenkonzepte wurde im weiteren Verlauf der Arbeit der Fokus auf die vielversprechendere Herstellungs-technologie von Ge-on-Si-pin-Dioden und die Modulation mit dem FKE gerichtet.

Die Kernpunkte der Technologie- und Prozessentwicklung für die laterale Übertragungsstrecke waren zum einen die Herstellung einer integrierten Einkoppelstruktur für die Kopplung des Lichtes aus der Glasfaser in den Si-Wellenleiter und zum anderen die Integration der Ge-on-Si-pin-Dioden in den Si-Wellenleiter mit Hilfe der differentiellen Epitaxie.

Nach den grundlegenden Charakterisierungen der einzelnen Wellenleiter-integrierten Detektoren wurde die vollständige integrierte optische Übertragungsstrecke mit einem Modulator und einem Detektor untersucht. Hierbei konnte die Schaltung des Ge-on-Si-Modulators zwischen den unterschiedlichen Transmissionszuständen anhand der Änderung des generierten Photostromes im Ge-on-Si-Detektor demonstriert werden.