ISBN 978-3-8439-2795-6

978-3-8439-2795-6, Reihe Mikrosystemtechnik

Andreas Prinzen
Entwicklung von Depletion-Modulatoren zur Realisierung nanophotonischer Systeme für Optical Interconnects

174 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Im Kontext des weltweit stetig steigenden Datenverkehrs stellt die Silizium Photonik eine Schlüsseltechnologie zur Entwicklung neuer Systeme für optische Verbindungsstrecken dar. Eine Kernkomponente solcher Optical Interconnects ist der Modulator zur Erzeugung eines optischen Datensignals. In der Silizium Photonik besonders relevant sind Depletion-Modulatoren, die auf dem Plasmadispersionseffekt basieren und durch den Vorteil der CMOS-Kompatibilität eine kostengünstige und skalierbare Fertigung ermöglichen.

Die Zielsetzung dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung und Realisierung von besonders effizienten und verlustarmen Depletion-Modulatoren für niedrige Betriebsspannungen. Hierfür erfolgen sowohl die analytische und simulative Auslegung der Bauteileigenschaften, als auch die Entwicklung eines geeigneten Fertigungsprozesses sowie die Herstellung und Charakterisierung der Bauelemente. Als grundlegende Modulatorkonzepte werden Bauelemente mit lateralen und interdigitated Phasenschiebern studiert. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf den interdigitated Strukturen, da diese eine gezielte Anpassung der Strukturgröße und der Dotierung des Phasenschiebers zur Reduktion der optischen Verluste ermöglichen.

Für das Design und die Simulation erfolgen ausgehend von einer analytischen Parameteranalyse sowohl eine idealisierte, als auch eine prozessbasierte Modellbildung. Anhand von Prozesssimulationen wird eine komplexe Implantationsstrategie entwickelt, die insbesondere die Fertigung der geringen Strukturgrößen der interdigitated Modulatoren ermöglicht. Durch umfangreiche Bauteilsimulationen werden die Eigenschaften der Depletion-Modulatoren ermittelt und die Einflüsse der Fertigung untersucht.

Der vorgelegte Fertigungsprozess zur Herstellung der Modulatoren umfasst die Fertigung der optischen und elektrischen Strukturen sowie von zwei Metallisierungsebenen für Heizelemente und Elektroden. Zur Optimierung der Strukturdefinition wird ein Mix-and-Match-Ansatz zwischen optischer und Elektronenstrahl-Lithographie verwendet. Mittels des entworfenen Fertigungsprozesses konnten erstmalig funktionale interdigitated pn-Strukturen mit minimalen Strukturgrößen von bis zu 100 nm erfolgreich demonstriert werden. Die realisierten Modulatoren zeigen ferner bei einer Betriebsspannung von 2 V sehr hohe Modulationseffizienzen mit Werten für VpiL von bis zu 0,76 Vcm und gleichzeitig geringe optische Verluste mit Effizienz-Verlustfaktoren von bis zu 1,8 VdBcm.