Forschung – Photonische Integrierte Schaltungen

Photonische integrierte Schaltungen (photonic integrated circuits, PICs) rückten in den vergangenen Jahren in den Fokus von Wissenschaft und Forschung. Analog zu integrierten elektronischen Schaltungen werden in PICs eine Vielzahl passiver als auch aktiver optischer und optoelektronischer Komponenten auf einem gemeinsamen Wafer zu komplexen optischen Schaltungen zusammengesetzt. Dabei werden traditionelle optische Komponenten wie beispielsweise Filter oder Koppler durch sehr viel kompaktere integrierte optische Komponenten ersetzt. Über Wellenleiter auf der Oberfläche werden die unterschiedlichen Komponenten miteinander verbunden.

Für PICs bieten sich die beiden Materialsysteme Indiumphosphid (InP) und Silizium auf Isolator (Silicon on insulator, SOI) an. InP ist eine geeignete Plattform zur Integration von aktiven Komponenten wie zum Beispiel Laser oder Modulatoren. Durch den hohen Unterschied der Brechungsindizes von Silizium und Siliziumdioxid können auf SOI kompaktere Strukturen hergestellt werden, die allerdings hauptsächlich auf passive Komponenten beschränkt sind.

In traditionellen optischen Übertragungssystemen wird On-Off-Keying (OOK) als Modulationsverfahren verwendet. Höheren Modulationsverfahren wie beispielsweise m-PSK nutzen die Phasenlage des optischen Signals zur Kodierung der zu übertragenden Information. Bei Stern-QAM wird sowohl Betrag als auch Phase des optischen Signals zur Kodierung verwendet. Der Vorteil dieser Modulationsarten gegenüber OOK ist eine höhere spektrale Effizienz.

Abbildung 1: Konstellationsdiagramme verschiedener Modulationsverfahren.

Zur Detektion der Signale können beispielsweise SiGe Fotodioden verwendet werden. Deren Ausgangssignal, der Fotostrom, ist proportional zur Intensität des Lichts. Dabei gehen jedoch sämtliche Informationen über die Phasenlage verloren. Daher können nur OOK-kodierte Signale direkt empfangen werden. Für höhere Modulationsverfahren werden auf der Empfängerseite spezielle Phasendetektoren benötigt. Hierfür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Realisierung. Bei der direkten Detektion wird dies über Interferometer erreicht während bei der kohärenten Detektion das Signal mit einem Lokaloszillator überlagert wird.

Abbildung 2: Blockschaltbild eines Empfängers für höhere Modulationsverfahren. Die wesentlichen Komponenten sind dargestellt.

Um das Licht auf den Chip und wieder von dort hinaus zu bekommen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Wichtig ist in jedem Falle, dass die Koppelverluste sehr gering sind, am besten <1 dB. Eine Option ist das sogenannte Butt-Coupling, bei dem die Faser seitlich am Chip, direkt vor einem Wellenleiter, angebracht wird. Hier ist die Justage und die Befestigung der Faser schwierig. Eine Lösung hierfür besteht darin, vor dem Wellenleiter einen V-Graben zu sägen oder zu ätzen, in den die Faser dann gelegt wird. Vor allem bei der Vermessung im Labor ist eine vertikale Einkopplung der lateralen vorzuziehen. Hierzu werden vermehrt Gitterkoppler verwendet, bei denen die Faser senkrecht oder fast senkrecht über einem diffraktiven Gitter positioniert wird, das selbst wiederum direkt auf einem Wellenleiter sitzt. Durch Beugungseffekte wird das Licht aus der Faser in den Wellenleiter umgelenkt. Das Gitter kann in den Fertigungsprozess der Wellenleiterstrukturen mit eingebaut und durch einen zusätzlichen partiellen Ätzschritt generiert werden.

Abbildung 3: Querschnitt eines eindimensionalen 1550 nm-Gitterkopplers und Feldbild bei TE-Polarisation. Von links wird die Grundmode des Wellenleiters eingespeist.

Abbildung 4: Draufsicht auf einen 15x10 µm2 kleinen Si-Gitterkopplers, gefertigt am imec.

Abbildung 5: Gemessene Koppeleffizienzen für eindimensionale Gitterkoppler: Bei einem festen Füllfaktor von dc = 0.50 wird die Gitterperiode g variiert (links). Bei einer festen Gitterperiode von g = 640 nm wird der Füllfaktor dc variiert (rechts). Wie zu sehen, verschiebt sich die Wellenlänge für maximale Koppeleffizienz mit der Variation der Parameter g und dc.

Referenzen:
Taillaert, D., "Grating couplers as Interface between Optical Fibres and Nanophotonic Waveguides", Universiteit Gent/INTEC, dissertation, 2004/2005.

Abbildung 6: Streifenwellenleiter (links) und Rippenwellenleiter (rechts) im SOI-Materialsystem.

Wellenleiter bestehen grundsätzlich, wie Glasfasern auch, aus einem Kern und einem Mantel. Es gibt dabei verschiedene Ausführungen. In obiger Abbildung sind zwei geläufige Wellenleitertypen im Querschnitt zu sehen, nämlich Streifen- und Rippenwellenleiter. Für die schnelle Datenübertragung über den Wellenleiter ist es hinsichtlich möglicher Dispersionseffekte wichtig, dass nur die Grundmode und keine Mode höherer Ordnung ausbreitungsfähig ist. Um diese Einmodigkeit zu erreichen, müssen die Abmessungen des Wellenleiters begrenzt werden. Am Beispiel des Rippenwellenleiters ist dies anhand der nachfolgenden Abbildung veranschaulicht. W ist hierbei die Weite der Rippe, H die Gesamthöhe des Wellenleiters und h die Höhe des Schichtwellenleiters unter der Rippe. In der Abbildung sind zwei mögliche Grenzlinien eingezeichnet, wie sie von verschiedenen Gruppen festgelegt wurden [WG2],[WG3]. Für die Abmessungen oberhalb der jeweiligen Trennungslinie sind die Wellenleiter mehrmodig; unterhalb der Trennungslinie bleiben sie einmodig. Bei einem Rippenwellenleiter mit Rippenweite = 1 um, Rippenhöhe = 1 um und Gesamthöhe des Wellenleiters von 2 um ergeben sich die Verhältnisse W/H = 0,5 und h/H = 0,5. Für diese Abmessungen ist der Wellenleiter bei beiden angegebenen Bedingungen einmodig.

Abbildung 7: Kriterium für Einmodigkeit eines Streifenwellenleiters nach Soref (? = 0) [WG2] und nach Pogossian (? = 0.3) [WG3].

Bei der Ausbreitung der Welle im Wellenleiter kommt es aufgrund verschiedenster Mechanismen zu Verlusten. Streuverluste entstehen aufgrund von Rauigkeiten an der Oberseite und den Seitenflächen des Wellenleiters (Oberflächenstreuung). Zudem entstehen durch Unreinheiten im Halbleiterkristall Streuzentren (Volumenstreuung). Bei der Streuung kann es zu einer Anregung höherer Moden kommen. Da diese in einem einmodigen Wellenleiter nicht ausbreitungsfähig sind, werden sie abgestrahlt (Strahlungsverluste). Zur kompakten Wellenführung auf dem Chip werden auch gekrümmte Wellenleiter benötigt. Bei diesen treten die sogenannten Biegeverluste (Übergangs- und Krümmungsverluste) auf. Den Krümmungsverlusten kann durch das Anbringen einer Rinne an der Außenseite der Biegung begegnet werden. Wie in nachstehendem Bild zu sehen, reduzieren sich die Verluste bei kleineren Biegeradien dadurch drastisch.

Abbildung 8: Verluste eines einmodigen Wellenleiters mit 90°-Kurve, mit seitlicher Rinne und ohne. [WG1].

Abhängig vom Material, genauer dessen komplexen Brechungsindex, kann es darüberhinaus noch zu Absorptionsverlusten kommen. In Silizium sind diese jedoch bei 1550 nm vernachlässigbar.

Referenzen:
[WG1] C. Gulde, "Simulation von Wellenleiterstrukturen zum Aufbau eines Phasendetektors", Studienarbeit am INT, 2008.

[WG2] . A. Soref, J. Schmidtchen, and K. Petermann, "Large Single-Mode Rib Waveguides in GeSi-Si and Si-on-SiO2," IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 27, no. 8, pp. 1971-1974, 1991.

[WG3] S. Pogossian, L. Vescan, and A. Vonsovici,"The single-mode condition for semiconductor rib waveguides with large cross section," IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 16, no. 10, pp. 1851-1853, 1998.

Ein Polarisationssplitter dient dazu, die beiden senkrecht aufeinander stehenden Polarisationen TE und TM zu trennen. Beim Polarisationsmultiplex überträgt jede dieser beiden Polarisationen einen unabhängigen Datenstrom. Dadurch wird die Datenrate im Vergleich zum Fall ohne Polarisationsmultiplex verdoppelt, ohne dass mehr Bandbreite oder Kanäle benötigt werden. Ein Polarisationssplitter kann zum Beispiel direkt in einen Gitterkoppler mit eingebaut sein; hier können sowohl eindimensionale [PolSp1] als auch zweidimensionale Gitter [PolSp2] verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit zur Polarisationsaufspaltung ist die Verwendung von Photonischen Kristallen.


Referenzen:
[PolSp1] Tang, Y., Dai, D., He, S., "Proposal for a Grating Waveguide Serving as Both a PBS and an Efficient Coupler for Silicon-in-Insulator Nanophotonic Circuits", IEEE Phot. Techn. Lett., Vol. 21, No. 04, February 2009, pp.242-244.

[PolSp2] Taillaert, D., Chong, H., Borel, P., Frandsen, L., De La Rue, R., Baets, R., "A compact two-dimensional grating coupler used as polarization splitter", IEEE Phot. Techn. Lett., Vol. 15, No. 9, 2003, 1249-1251.

Die Verzögerungsleitung wird bei differenziellen Modulationsverfahren, z.B. DQPSK, benötigt. Zur Codierung wird am Sender das Signal mit sich selbst, aber um ein Bit verschoben, überlagert. Dadurch steckt die Information nicht mehr in der absoluten Phase, sondern in der Phasendifferenz. Ein einfaches Interferometer, aufgebaut mit solch einer Verzögerungsleitung, ist in nachstehender Abbildung zu sehen. Die benötigte Längendifferenz zwischen geradem Wellenleiter (unten) und gekrümmter Verzögerungsleitung (oben) wird umso kleiner, je größer die Bitrate des zu übertragenden Signals ist. Der Nachteil des gezeigten Interferometers ist damit zum einen die Bitratenabhängigkeit; zum anderen kommt es durch die Krümmungen, die für Kompaktheit sorgen, zu zusätzlichen Verlusten.

Optischer 90°-Hybrid

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Sandra Klinger
Dipl.-Ing. Thomas Föhn
Dipl.-Ing. Wissem Sfar Zaoui