Eine der wichtigsten Eigenschaften eines optischen Modulators ist seine Modulationsgeschwindigkeit oder Bandbreite, die mindestens so schnell sein sollte wie die verfügbare Elektronik. Transistoren mit Transitfrequenzen deutlich über 100 GHz wurden bereits in 90-nm-Siliziumtechnologie demonstriert, und die Geschwindigkeit wird mit der Reduzierung der minimalen Strukturgröße weiter steigen [1]. Die Bandbreite heutiger siliziumbasierter Modulatoren ist jedoch begrenzt. Silizium besitzt aufgrund seiner zentrosymmetrischen Kristallstruktur keine χ(2)-Nichtlinearität. Die Verwendung von verspanntem Silizium hat bereits zu interessanten Ergebnissen geführt [2], die Nichtlinearitäten lassen jedoch noch keine praxistauglichen Bauelemente zu. Moderne photonische Silizium-Modulatoren basieren daher immer noch auf der freien Ladungsträgerdispersion in pn- oder pin-Übergängen [3–5]. Es wurde gezeigt, dass in Vorwärtsrichtung vorgespannte Übergänge ein Spannungs-Längen-Produkt von nur VπL = 0,36 V mm aufweisen, die Modulationsgeschwindigkeit wird jedoch durch die Dynamik der Minoritätsträger begrenzt. Dennoch wurden Datenraten von 10 Gbit/s mithilfe einer Vorverzerrung des elektrischen Signals erreicht [4]. Durch die Verwendung von Sperrkontakten konnte die Bandbreite auf etwa 30 GHz erhöht werden [5,6], das Spannungslängenprodukt stieg jedoch auf VπL = 40 V mm. Leider erzeugen solche Plasmaeffekt-Phasenmodulatoren auch eine unerwünschte Intensitätsmodulation [7] und reagieren nichtlinear auf die angelegte Spannung. Fortschrittliche Modulationsformate wie QAM erfordern jedoch eine lineare Reaktion und reine Phasenmodulation, weshalb die Ausnutzung des elektrooptischen Effekts (Pockels-Effekt [8]) besonders wünschenswert ist.
2. SOH-Ansatz
Kürzlich wurde der Silizium-Organische-Hybrid-Ansatz (SOH) vorgeschlagen [9–12]. Ein Beispiel für einen SOH-Modulator ist in Abb. 1(a) dargestellt. Er besteht aus einem Schlitzwellenleiter, der das optische Feld leitet, und zwei Siliziumstreifen, die den optischen Wellenleiter elektrisch mit den metallischen Elektroden verbinden. Die Elektroden befinden sich außerhalb des optischen Modalfelds, um optische Verluste zu vermeiden [13], Abb. 1(b). Das Bauteil ist mit einem elektrooptischen organischen Material beschichtet, das den Schlitz gleichmäßig ausfüllt. Die Modulationsspannung wird vom metallischen elektrischen Wellenleiter getragen und fällt über den Schlitz dank der leitfähigen Siliziumstreifen ab. Das entstehende elektrische Feld verändert dann den Brechungsindex im Schlitz durch den ultraschnellen elektrooptischen Effekt. Da der Schlitz eine Breite von etwa 100 nm hat, reichen wenige Volt aus, um sehr starke Modulationsfelder zu erzeugen, die in der Größenordnung der Durchschlagsfestigkeit der meisten Materialien liegen. Die Struktur weist eine hohe Modulationseffizienz auf, da sowohl das modulierende als auch das optische Feld im Schlitz konzentriert sind, Abb. 1(b) [14]. Tatsächlich wurden bereits erste Implementierungen von SOH-Modulatoren mit Subvolt-Betrieb [11] gezeigt, und eine sinusförmige Modulation bis zu 40 GHz wurde demonstriert [15,16]. Die Herausforderung beim Bau von Niederspannungs-Hochgeschwindigkeits-SOH-Modulatoren besteht jedoch darin, einen hochleitfähigen Verbindungsstreifen zu schaffen. In einem Ersatzschaltbild kann der Schlitz durch einen Kondensator C und die leitfähigen Streifen durch Widerstände R dargestellt werden, Abb. 1(b). Die entsprechende RC-Zeitkonstante bestimmt die Bandbreite des Bauelements [10,14,17,18]. Um den Widerstand R zu verringern, wurde vorgeschlagen, die Siliziumstreifen zu dotieren [10,14]. Während die Dotierung die Leitfähigkeit der Siliziumstreifen erhöht (und somit die optischen Verluste steigert), geht dies mit zusätzlichen Verlusten einher, da die Elektronenbeweglichkeit durch Störstellenstreuung beeinträchtigt wird [10,14,19]. Darüber hinaus zeigten die jüngsten Herstellungsversuche eine unerwartet niedrige Leitfähigkeit.
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Veröffentlichungszeit: 29. März 2023