Integrated InP Mach-Zehnder modulators for 100 Gbit/s Ethernet applications using QPSK modulation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Holger Klein
Integrated InP Mach-Zehnder Modulatorsfor 100 Gbit/s Ethernet Applicationsusing QPSK Modulationvorgelegt vonDiplom-PhysikerHolger Kleinaus Berlinvon der Fakultät II -Mathematik und Naturwissenschaftender Technischen Universität Berlinzur Erlangung des akademischen GradesDoktor der Naturwissenschaften- Dr. rer. nat. -genehmigte DissertationPromotionsausschuss:Vorsitzender: Prof. Dr. E. Schöll1. Gutachter: Prof. Dr. D. Bimberg2. Prof. Dr. D. Jäger (Universität Duisburg-Essen)Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 20. September 2010Berlin 2010D83ZusammenfassungIn der vorliegenden Arbeit wird ein monolithisch integrierter doppelt-paralleler IQ-Modulatorauf Basis des Halbleiters Indium-Phosphid für die Datenübertragung bis zu 2x50 Gbit/s in op-tischen Glasfasern bei einer Wellenlänge von 1.55 m entwickelt und charakterisiert. Begin-nend mit einer Diskussion der Struktur der zugrunde liegenden optischen Wellenleiter wird imweiteren Verlauf die Funktionsweise der eingesetzten kapazitiv belasteten Wanderwellenelek-trode anhand des einfachen Mach-Zehnder Modulator (MZM) erläutert. Darüber hinaus erfolgteine Einführung in die physikalischen Effekte, welche sich für die Modulation der optischenPhase in den eingesetzten Multi-Quantum-Well Schichten der optischen Wellenleiter verant-wortlich zeigen.
Integrated InP MachZehnder Modulators for 100 Gbit/s Ethernet Applications using QPSK Modulation
vorgelegt von
DiplomPhysiker
Holger Klein
aus Berlin
von der Fakultät II Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. E. Schöll 1. Gutachter: Prof. Dr. D. Bimberg 2. Gutachter: Prof. Dr. D. Jäger (Universität DuisburgEssen) Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 20. September 2010
Berlin 2010
D83
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wird ein monolithisch integrierter doppeltparalleler IQModulator auf Basis des Halbleiters IndiumPhosphid für die Datenübertragung bis zu 2x50 Gbit/s in op tischen Glasfasern bei einer Wellenlänge von 1.55µBeginm entwickelt und charakterisiert. nend mit einer Diskussion der Struktur der zugrunde liegenden optischen Wellenleiter wird im weiteren Verlauf die Funktionsweise der eingesetzten kapazitiv belasteten Wanderwellenelek trode anhand des einfachen MachZehnder Modulator (MZM) erläutert. Darüber hinaus erfolgt eine Einführung in die physikalischen Effekte, welche sich für die Modulation der optischen Phase in den eingesetzten MultiQuantumWell Schichten der optischen Wellenleiter verant wortlich zeigen. Darauf aufbauend werden Optimierungsansätze für die drei charakteristis chen ModulatorParameter Einfügeverluste, Schaltspannung und elektrooptischen Bandbreite entwickelt und hierfür drei unterschiedliche optische Wellenleitertypen evaluiert. Diese sind bezeichnet als stark, halbstark sowie schwach geführte Wellenleiter, welche die Vorteile der beiden zuerst genannten Varianten vereint. Optische Verluste sind ein wesentlicher Parameter der hier beschriebenen IQModulatoren, zu deren Reduzierung optische ModenfeldKonverter für die drei vorher genannten Wellenleitertypen entwickelt werden. Realisiert wird eine hochef fiziente FaserChipKopplung, welche trotz der absorbierenden ndotierten Halbleiterschichten Verluste unter 0.8 dB ermöglicht. Als weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Einfügeverluste wird die Änderung des Dotierprofils der pinDiodenstruktur diskutiert. Diese Option der Ver lustreduktion wird für die drei Wellenleitertypen in Bezug auf Dotierkonzentrationsänderung als auch Dotiertiefenänderung untersucht. Die Reduktion der Schaltspannung ist essentiell, da der IQModulator im Betrieb der Quadra turPhasenumtastung (QPSK) eine doppelt so hohe Spannung benötigt wie im StandardModu lationsbetrieb und da eine Reduktion der Treiberspannung mit einer Reduktion der Kosten für den Treiber IC sowie mit einer Reduktion des Energieverbrauchs und der Wärmeentwicklung Hand in Hand geht. Möglichkeiten zur Reduktion der Schaltspannung werden in Bezug auf die
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Optimierung des eingesetzten MultiQuantumWells, sowie die bereits erwähnten Wellenleiter typen und DotierprofilVariationen evaluiert. Zur Bestimmung von Abhängigkeiten der elektro optischen Bandbreite des MachZehnder Modulators von geometrischen und prozesstechnis chen Variationen werden elektrische Simulationen mit einem HochfrequenzStruktursimulator durchgeführt und mittels eines elektrooptischen ModulatorModells ausgewertet. Die für eine 3dBBandbreite von 40 GHz in Frage kommenden Geometrien werden anschließend in Bezug auf ihren Einfluss auf optische Einfügeverluste und Schaltspannung bewertet. Im Anschluss an die Optimierungsbetrachtungen des einfachen MachZehnderModulators werden die strukturellen Änderungen aufgezeigt, welche zur Herstellung des doppeltparallelen IQModulators notwendig sind. Darauf folgt eine kurze Einführung in das angewendete QPSK Modulationsformat. Zur Berechnung von charakteristischen GroßsignalModulationseigenschaf ten wird ein mathematisches Modell des einfachen MachZehnder Modulators sowie des inte grierten IQModulators entwickelt, welches die nichtlinearen elektrooptischen Effekte berück sichtigt. Unter Einbeziehung von realen Messdaten wird das mathematische IQModulator Modell zur Berechnung der sogenannten FehlervektorGröße (EVM error vector magnitude) für diverse nichtoptimale Betriebszustände herangezogen. Der Fehlervektor ist eine charak teristische Größe für höherwertige QuadraturAmplitudenmodulationsverfahren, welche einen Rückschluss auf die zu erwartende Fehlerrate erlaubt. Das darauf folgende Kapitel präsentiert ausgewählte Messdaten der DC und Hochfrequenz Charakterisierung von Einzel als auch IQModulatoren. Die Auswertung von Intensitäts Matrixmessungen zeigt eine sehr gute Korrelation zu den vorher getroffenen theoretischen Betrachtungen für verschiedene HalbleiterSchichtstrukturen. Die niedrigste Schaltspannung eines MachZehnder Modulators mit 4 mm Elektrodenlänge bei 1550 nm Wellenlänge liegt bei lediglich 1.05 V. Ein im Folgenden vorgestellter DCCharakterisierungsAlgorithmus dient zur Bestimmung der korrekten Phaseneinstellungen des IQModulator während der Großsig nalmodulation. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der benötigten Zeit für die Hochfre quenzcharakterisierung. Elektrooptische Kleinsignalmessungen von Modulatoren mit verschie denen Elektrodenlängen zeigen mit 3dB Bandbreiten jenseits von 40 GHz das Potential für fehlerfreie 2x50 Gbit/s=100 Gbit/s Übertragung. Mit Hilfe von GroßsignalHochfrequenzmes sungen im Zeit und Frequenzbereich wird die Funktion des IQModulators in QuadraturPha senumtastung bei 2x40 Gbit/s=80 Gbit/s erfolgreich demonstriert. Den Abschluss dieser Arbeit bildet eine Zusammenfassung der geleisteten Arbeit sowie ein Ausblick auf die weiteren Entwicklungsmöglichkeiten, welche sich aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ableiten lassen.
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Abstract
In this work, a monolithically integrated dualparallel IQ modulator (IQM) is developed and characterized. It is based on the semiconductor Indium phosphide and is intended for data trans mission at 2x50 Gbit/s over optical fiber at a wavelength of 1.55µthesis begins withm. This a discussion of the fundamental structure of a single MachZehnder modulator (MZM) includ ing the optical waveguides and the implemented capacitively loaded travelingwave electrodes (TWE). An introduction will be given to the physical effects responsible for the modulation of the optical phase in matter and especially in the semiconductor multiquantumwell waveguide of the modulator. Based on that knowledge, an optimization approach for the three character istic modulator parameters insertion loss, switching voltage and electrooptic bandwidth will be developed. Three different waveguide geometries, referred to as ’deep etch’, ’shallow etch’ and ’median etch’ will be analyzed, where the latter combines the advantages of the two former geometries. The optical insertion loss is a key parameter of the InPbased modulator in the competition with other material systems such as lithium niobate. An acceptable optical losses is achieved by the incorporation of an onchip spotsize converter. A highly efficient fiberchip coupling with less than 0.8 dB is realized for all three waveguide types mentioned. As an other possibility to achieve acceptable low optical insertion losses, a variation of the doping profile of the modulators pindiode is evaluated. This option is discussed for different doping concentrations as well as a modification of the thickness of the intrinsic spacecharge region. A low drive voltage of the IQ modulator is essential as the applied quadraturephaseshift keyed (QPSK) modulation scheme requires a switching voltage of 2V which is twice the value π required for onoff keying (OOK) with a standard MZM. Thus, a modulator drive voltage as low as possible reduces the cost for the necessary driver amplifier and lowers power consumption and heat dissipation at the same time. The optimization of the multi quantum well (MQW) structure will be discussed as one possibility to achieve a higher modulation efficiency, and the various waveguide geometries and different doping profiles will be evaluated with respect to
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their influence on the drive voltage. To determine the influence of geometrical variations of the travelingwave electrode and fabrication process tolerances on the electrooptic bandwidth of the MachZehnder modulator, electrical highfrequency simulations are conducted. All elec trode designs capable to achieve a 40GHz 3dB bandwidth are then compared with respect to their impact on optical insertion loss and drive voltage. The theoretical considerations for an optimized single MachZehnder modulator design are followed by a discussion of structural modifications needed for realizing the IQ modulator (IQM), and a short introduction to the QPSK modulation format is given as well. To calcu late the characteristic largesignal modulation properties of the IQM, a mathematical model of the entire modulator is developed that accounts for the nonlinear electrooptic effects in the MQW waveguide. Taking experimental data of the phase and absorptionvoltageresponse, the mathematical model is used to predict the so called error vector magnitude (EVM) for vari ous nonideal drive conditions of the IQM. The EVM is a common measure of the modulation quality for advanced modulations formats which allows to predict the bit error rate. The next chapter presents selected measurement results of single MachZehnder modulators and IQ modulators. The evaluation of DC intensity matrices of wafers with different dop ing profiles shows an excellent correlation with theoretical values derived before. The lowest drive voltage for a MZM with 4 mm electrode length measured at 1550 nm is 1.05 V only. A DC characterization algorithm of the IQ modulator is presented, that allows the determination of the correct phase electrode settings for large signal modulation. This leads to a signifi cant reduction of test time under large signal conditions. Electrooptic smallsignal response measurements with 3dB frequencies beyond 40 GHz are presented for different TWE lengths showing the potential for errorfree 2x50 Gbit/s=100 Gbit/s data transmission. Timedomain and frequencydomain large signal measurements demonstrate successful IQM operation at a data rate of 2x40 Gbit/s=80 Gbit/s using QPSK modulation. This work concludes with a summary of the work accomplished and an outlook on the possi bilities of future developments based on the presented results.
B Optical material parameters used in simulations VII B.1 Adachi’s refractive index model for InP and InGaAsP . . . . . . . . . . . . . . VII B.2 Carrier induced refractive index change in ndoped InP and InGaAsP . . . . . . VIII B.3 Carrier induced absorption change in n and pdoped InP and InGaAsP . . . . . IX