Eine der wichtigsten Eigenschaften eines optischen Modulators ist seine Modulationsgeschwindigkeit bzw. Bandbreite, die mindestens so hoch sein sollte wie die der verfügbaren Elektronik. Transistoren mit Transitfrequenzen deutlich über 100 GHz wurden bereits in 90-nm-Siliziumtechnologie demonstriert, und die Geschwindigkeit wird sich mit der Verkleinerung der Strukturgröße weiter erhöhen [1]. Die Bandbreite heutiger Silizium-basierter 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 erlauben jedoch noch keine praktischen Anwendungen. Moderne Silizium-Photonikmodulatoren basieren daher weiterhin auf der Dispersion freier Ladungsträger in pn- oder pin-Übergängen [3–5]. Es wurde gezeigt, dass in Durchlassrichtung vorgespannte Übergänge ein Spannungs-Längen-Produkt von nur VπL = 0,36 V mm aufweisen, die Modulationsgeschwindigkeit jedoch durch die Dynamik der Minoritätsladungsträger begrenzt wird. Dennoch wurden Datenraten von 10 Gbit/s mithilfe einer Vorverzerrung des elektrischen Signals erzielt [4]. Durch den Einsatz von in Sperrrichtung vorgespannten pn-Übergängen konnte die Bandbreite auf etwa 30 GHz erhöht werden [5,6], allerdings stieg das Spannungs-Längen-Produkt auf VπL = 40 V mm. Leider erzeugen solche Plasma-Phasenmodulatoren auch eine unerwünschte Intensitätsmodulation [7] und reagieren nichtlinear auf die angelegte Spannung. Fortschrittliche Modulationsverfahren wie QAM erfordern jedoch ein lineares Ansprechverhalten und eine reine Phasenmodulation, weshalb die Nutzung des elektrooptischen Effekts (Pockels-Effekt [8]) besonders wünschenswert ist.
2. SOH-Ansatz
Kürzlich wurde der Silizium-Organik-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 führt, und zwei Siliziumstreifen, die den optischen Wellenleiter elektrisch mit den metallischen Elektroden verbinden. Die Elektroden befinden sich außerhalb des optischen Modenfelds, um optische Verluste zu vermeiden [13], Abb. 1(b). Das Bauelement ist mit einem elektrooptischen organischen Material beschichtet, das den Schlitz gleichmäßig ausfüllt. Die Modulationsspannung wird vom metallischen elektrischen Wellenleiter transportiert und fällt dank der leitfähigen Siliziumstreifen über den Schlitz ab. Das resultierende elektrische Feld ändert dann den Brechungsindex im Schlitz durch den ultraschnellen elektrooptischen Effekt. Da der Schlitz eine Breite in der Größenordnung von 100 nm aufweist, genügen wenige Volt, um sehr starke Modulationsfelder zu erzeugen, deren Stärke in der Größenordnung der Durchschlagsfestigkeit der meisten Materialien liegt. Die Struktur weist eine hohe Modulationseffizienz auf, da sowohl das Modulations- als auch das optische Feld im Inneren des Schlitzes konzentriert sind (Abb. 1(b) [14]). Erste Implementierungen von SOH-Modulatoren mit Subvolt-Betrieb [11] wurden bereits vorgestellt, und eine sinusförmige Modulation bis zu 40 GHz wurde demonstriert [15,16]. Die Herausforderung beim Bau von Niederspannungs-Hochgeschwindigkeits-SOH-Modulatoren besteht jedoch in der Herstellung eines hochleitfähigen Verbindungsstreifens. In einem Ersatzschaltbild kann der Schlitz durch einen Kondensator C und die leitfähigen Streifen durch Widerstände R dargestellt werden (Abb. 1(b)). Die zugehörige 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]. Zwar erhöht die Dotierung die Leitfähigkeit der Siliziumstreifen (und damit die optischen Verluste), jedoch wird die Elektronenbeweglichkeit durch Streuung an Verunreinigungen beeinträchtigt [10,14,19]. Darüber hinaus wiesen die jüngsten Herstellungsversuche eine unerwartet niedrige Leitfähigkeit auf.
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Veröffentlichungsdatum: 29. März 2023