Eine der wichtigsten Eigenschaften eines optischen Modulators ist seine Modulationsgeschwindigkeit bzw. -bandbreite, die mindestens so schnell sein sollte wie die verfügbare Elektronik.Transistoren mit Transitfrequenzen deutlich über 100 GHz wurden bereits in der 90-nm-Siliziumtechnologie demonstriert, und die Geschwindigkeit wird mit der Reduzierung der minimalen Strukturgröße weiter steigen [1].Allerdings ist die Bandbreite heutiger siliziumbasierter Modulatoren begrenzt.Silizium besitzt aufgrund seiner zentrosymmetrischen Kristallstruktur keine χ(2)-Nichtlinearität.Die Verwendung von verspanntem Silizium hat bereits zu interessanten Ergebnissen geführt [2], aber die Nichtlinearitäten lassen noch keine praktischen Geräte zu.Moderne photonische Siliziummodulatoren basieren daher immer noch auf der Dispersion freier Träger in pn- oder pin-Übergängen [3–5].Es hat sich gezeigt, dass in Vorwärtsrichtung vorgespannte Übergänge ein Spannungs-Längen-Produkt von nur VπL = 0,36 V mm aufweisen, die Modulationsgeschwindigkeit ist jedoch durch die Dynamik der Minoritätsträger begrenzt.Dennoch wurden mit Hilfe einer Vorverzerrung des elektrischen Signals Datenraten von 10 Gbit/s erzeugt [4].Durch die Verwendung von in Sperrrichtung vorgespannten Übergängen wurde die Bandbreite auf etwa 30 GHz erhöht [5,6], das Spannungs-Längen-Produkt stieg jedoch auf VπL = 40 V mm.Leider erzeugen solche Phasenmodulatoren mit Plasmaeffekt auch eine unerwünschte Intensitätsmodulation [7] und reagieren nichtlinear auf die angelegte Spannung.Fortgeschrittene Modulationsformate wie QAM erfordern jedoch eine lineare Reaktion und reine Phasenmodulation, was die Ausnutzung des elektrooptischen Effekts (Pockels-Effekt [8]) besonders wünschenswert macht.
2. SOH-Ansatz
Kürzlich wurde der Silizium-organische Hybrid-Ansatz (SOH) vorgeschlagen [9–12].Ein Beispiel eines SOH-Modulators ist in Abb. 1(a) dargestellt.Es besteht aus einem Schlitzwellenleiter, der das optische Feld leitet, und zwei Siliziumstreifen, die den Lichtwellenleiter elektrisch mit den metallischen Elektroden verbinden.Die Elektroden befinden sich außerhalb des optischen Modalfeldes, um optische Verluste zu vermeiden [13], Abb. 1(b).Das Gerät ist mit einem elektrooptischen organischen Material beschichtet, das den Schlitz gleichmäßig ausfüllt.Die Modulationsspannung wird vom metallischen elektrischen Wellenleiter übertragen und fällt dank der leitfähigen Siliziumstreifen über den Schlitz ab.Das resultierende elektrische Feld verändert dann den Brechungsindex im Schlitz durch den ultraschnellen elektrooptischen Effekt.Da der Schlitz eine Breite in der Größenordnung von 100 nm hat, genügen wenige Volt, um sehr starke Modulationsfelder zu erzeugen, die in der Größenordnung der Spannungsfestigkeit 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 demonstriert [15,16].Die Herausforderung beim Bau von Niederspannungs-Hochgeschwindigkeits-SOH-Modulatoren besteht jedoch darin, einen hochleitfähigen Verbindungsstreifen zu schaffen.In einer Ersatzschaltung kann der Schlitz durch einen Kondensator C und die Leiterstreifen durch Widerstände R dargestellt werden, Abb. 1(b).Die entsprechende RC-Zeitkonstante bestimmt die Bandbreite des Geräts [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 damit die optischen Verluste erhöht), zahlt man eine zusätzliche Verluststrafe, da die Elektronenmobilität durch die Streuung von Verunreinigungen beeinträchtigt wird [10,14,19].Darüber hinaus zeigten die jüngsten Herstellungsversuche eine unerwartet niedrige Leitfähigkeit.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 29. März 2023