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.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Integrated InP MachZehnder Modulators for 100 Gbit/s Ethernet Applications using QPSK Modulation
vorgelegt von
DiplomPhysiker
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 DuisburgEssen) Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 20. September 2010
Berlin 2010
D83
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wird ein monolithisch integrierter doppeltparalleler IQModulator auf Basis des Halbleiters IndiumPhosphid für die Datenübertragung bis zu 2x50 Gbit/s in op tischen Glasfasern bei einer Wellenlänge von 1.55µBeginm 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 MachZehnder Modulator (MZM) erläutert. Darüber hinaus erfolgt eine Einführung in die physikalischen Effekte, welche sich für die Modulation der optischen Phase in den eingesetzten MultiQuantumWell Schichten der optischen Wellenleiter verant wortlich zeigen. Darauf aufbauend werden Optimierungsansätze für die drei charakteristis chen ModulatorParameter Einfügeverluste, Schaltspannung und elektrooptischen 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 IQModulatoren, zu deren Reduzierung optische ModenfeldKonverter für die drei vorher genannten Wellenleitertypen entwickelt werden. Realisiert wird eine hochef fiziente FaserChipKopplung, welche trotz der absorbierenden ndotierten Halbleiterschichten Verluste unter 0.8 dB ermöglicht. Als weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Einfügeverluste wird die Änderung des Dotierprofils der pinDiodenstruktur 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 IQModulator im Betrieb der Quadra turPhasenumtastung (QPSK) eine doppelt so hohe Spannung benötigt wie im StandardModu 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 MultiQuantumWells, sowie die bereits erwähnten Wellenleiter typen und DotierprofilVariationen evaluiert. Zur Bestimmung von Abhängigkeiten der elektro optischen Bandbreite des MachZehnder Modulators von geometrischen und prozesstechnis chen Variationen werden elektrische Simulationen mit einem HochfrequenzStruktursimulator durchgeführt und mittels eines elektrooptischen ModulatorModells ausgewertet. Die für eine 3dBBandbreite 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 MachZehnderModulators werden die strukturellen Änderungen aufgezeigt, welche zur Herstellung des doppeltparallelen IQModulators notwendig sind. Darauf folgt eine kurze Einführung in das angewendete QPSK Modulationsformat. Zur Berechnung von charakteristischen GroßsignalModulationseigenschaf ten wird ein mathematisches Modell des einfachen MachZehnder Modulators sowie des inte grierten IQModulators entwickelt, welches die nichtlinearen elektrooptischen Effekte berück sichtigt. Unter Einbeziehung von realen Messdaten wird das mathematische IQModulator Modell zur Berechnung der sogenannten FehlervektorGröße (EVM  error vector magnitude) für diverse nichtoptimale Betriebszustände herangezogen. Der Fehlervektor ist eine charak teristische Größe für höherwertige QuadraturAmplitudenmodulationsverfahren, 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 IQModulatoren. Die Auswertung von Intensitäts Matrixmessungen zeigt eine sehr gute Korrelation zu den vorher getroffenen theoretischen Betrachtungen für verschiedene HalbleiterSchichtstrukturen. Die niedrigste Schaltspannung eines MachZehnder Modulators mit 4 mm Elektrodenlänge bei 1550 nm Wellenlänge liegt bei lediglich 1.05 V. Ein im Folgenden vorgestellter DCCharakterisierungsAlgorithmus dient zur Bestimmung der korrekten Phaseneinstellungen des IQModulator während der Großsig nalmodulation. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der benötigten Zeit für die Hochfre quenzcharakterisierung. Elektrooptische Kleinsignalmessungen von Modulatoren mit verschie denen Elektrodenlängen zeigen mit 3dB Bandbreiten jenseits von 40 GHz das Potential für fehlerfreie 2x50 Gbit/s=100 Gbit/s Übertragung. Mit Hilfe von GroßsignalHochfrequenzmes sungen im Zeit und Frequenzbereich wird die Funktion des IQModulators in QuadraturPha 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 dualparallel 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 MachZehnder modulator (MZM) includ ing the optical waveguides and the implemented capacitively loaded travelingwave 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 multiquantumwell waveguide of the modulator. Based on that knowledge, an optimization approach for the three character istic modulator parameters insertion loss, switching voltage and electrooptic 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 InPbased modulator in the competition with other material systems such as lithium niobate. An acceptable optical losses is achieved by the incorporation of an onchip spotsize converter. A highly efficient fiberchip 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 pindiode is evaluated. This option is discussed for different doping concentrations as well as a modification of the thickness of the intrinsic spacecharge region. A low drive voltage of the IQ modulator is essential as the applied quadraturephaseshift keyed (QPSK) modulation scheme requires a switching voltage of 2V which is twice the value π required for onoff 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 travelingwave electrode and fabrication process tolerances on the electrooptic bandwidth of the MachZehnder modulator, electrical highfrequency simulations are conducted. All elec trode designs capable to achieve a 40GHz 3dB bandwidth are then compared with respect to their impact on optical insertion loss and drive voltage. The theoretical considerations for an optimized single MachZehnder 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 largesignal modulation properties of the IQM, a mathematical model of the entire modulator is developed that accounts for the nonlinear electrooptic effects in the MQW waveguide. Taking experimental data of the phase and absorptionvoltageresponse, the mathematical model is used to predict the so called error vector magnitude (EVM) for vari ous nonideal 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 MachZehnder 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. Electrooptic smallsignal response measurements with 3dB frequencies beyond 40 GHz are presented for different TWE lengths showing the potential for errorfree 2x50 Gbit/s=100 Gbit/s data transmission. Timedomain and frequencydomain 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.
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Contents
List of Figures
List of Tables
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Contents
Introduction 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theoretical background 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 MachZehnder modulator principles . . . . . . . . . . 2.3 Capacitively loaded travelingwave electrodes (TWE) . 2.4 The single drive series pushpull principle . . . . . . . 2.5 The interaction of light and matter . . . . . . . . . . . 2.5.1 The dielectric function of harmonic oscillators 2.6 Electrooptic effects in semiconductors . . . . . . . . . 2.6.1 Field effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Carrier effects . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Modulator performance optimization 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Investigated waveguide geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Strategies for the modulator optical insertion loss reduction . . . . . . . . . . . 3.2.1 Integration of an optical spot size converter . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Intrinsic optical waveguide loss reduction . . . . . . . . . . . . . . . .
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Contents
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3.3
3.4
3.5
Optimization of the modulator switching voltage . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Optimization of the MQW material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Electric field dependence on waveguide geometry and material doping . 3.3.3 The electro optic core confinement factor . . . . . . . . . . . . . . . . Design optimization for optimum electrooptic bandwidth . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Travelingwave electrode design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tradeoffs for optimum device performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Modulation efficiency versus optical insertion loss . . . . . . . . . . . 3.5.2 Drive voltage and device loss vs. electrooptic bandwidth . . . . . . . .
The dualparallel IQ modulator 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 IQ modulator layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 The mathematical MachZehnder interferometer model . . . . . . . . . . . . . 4.4 Modeling of large signal IQ modulator performance . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Modeling IQ modulator distortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Module Packing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modulator characterization and experimental results 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 DC characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 The IQ modulator characterization algorithm . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Phase electrode characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 RF small signal characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Large signal characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 BackToBack MachZehnder modulator characterization . . . . . . . . 5.4.2 BackToBack IQ modulator characterization with APEX OCSA . . . . 5.4.3 BackToBack IQ characterization with Agilent Optical Modulation An alyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion 6.1 Outlook
Appendices
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MachZehnder modulator design variables
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Contents
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 ndoped InP and InGaAsP . . . . . . VIII B.3 Carrier induced absorption change in n and pdoped InP and InGaAsP . . . . . IX
C Evaluation software XIII C.1 Electrooptic overlap calculator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII C.2 SimuLase data extractor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV C.3 DC matrix simulation and evaluation tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
Acknowledgements
List of Abbreviations
List of Symbols
List of Publications
Bibliography
XVII
XXII
XXIII
XXV
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List of Figures
1.1
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10
List of Figures
Simulated optical spectra of NRZOOK and NRZDQPSK modulation at 40 Gbit/s
Three types of MachZehnder interferometric structures . . . . . . . . . . Schematic of MachZehnder modulator waveguide and electrode layout . MachZehnder interferometer transfer function . . . . . . . . . . . . . . MachZehnder output intensity Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capacitive load principle of the travelingwave electrode . . . . . . . . . 3D sketch of TWE section with electric circuit for pushpull drive . . . . FranzKeldysh effect in bulk semiconductor . . . . . . . . . . . . . . . . Calculated absorption spectra of bulk InGaAsP . . . . . . . . . . . . . . Excitonic absorption of a 12 nm InGaAsP quantum well . . . . . . . . . Illustration of the QuantumConfined Stark effect . . . . . . . . . . . . . Absorption spectra of a 12 nm InGaAsP QW . . . . . . . . . . . . . . . Calculated electron and hole subbands of a 12 nm InGaAsP QW . . . . .
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Three investigated optical waveguide geometries . . . . . . . . . . . . . . . . Schematic of two spot size converter designs for different chip waveguides . . . SSC facet mode profiles for undoped and ndoped layer stack . . . . . . . . . . Calculated intensity profile of SSC facet mode with x and yprofiles . . . . . . Schematic of the SSC’s ramped section in etched semiconductor . . . . . . . . SSC ramped section calculation diagnostics along zaxis . . . . . . . . . . . . Simulated loss vs. ramp length for two different SSC types . . . . . . . . . . . Calculated wavelength dependence of transition and coupling loss of a SSC . . Calculated insertion loss tolerances for vertical and horizontal fiber misalignment Schematic of the SSC ramped section in photoresist . . . . . . . . . . . . . . .
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