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Autor(en): Föhn, Thomas
Titel: Siliziumbasierte photonische Bauelemente für optische Empfänger
Erscheinungsdatum: 2017
Dokumentart: Dissertation
Seiten: XXIII, 132
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/9098
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-90984
http://dx.doi.org/10.18419/opus-9081
Zusammenfassung: Das rasante Wachstum des weltweiten Datenverkehrs in den vergangenen Jahren ist weiterhin ungebrochen. Zur weiteren Steigerung der Datenraten auf einer Glasfaser werden seit einigen Jahren höhere Modulationsformate eingesetzt. Somit kann das zur Verfügung stehende Spektrum effizienter genutzt werden. Aufgrund technischer Beschränkungen können die künftig benötigten elektro-optischen Schnittstellen bei Übertragungsraten von 400 Gbit/s und 1 Tbit/s nicht als Einzelträgersysteme realisiert werden. Daher werden mehrere Träger zusammen mit höheren Modulationsverfahren eingesetzt. Die dafür benötigten optischen Sender und Empfänger bestehen aus vielen Einzelkomponenten, wodurch die Komplexität und die Kosten der Baugruppen steigen. Somit wird die Notwendigkeit diese komplexen photonischen Schaltungen auf einem Chip zu integrieren sowohl durch technische als auch durch wirtschaftliche Aspekte motiviert. Zentrales Element der dabei eingesetzten kohärenten Empfänger ist der optische 90°-Hybrid. In dieser Arbeit werden monolithisch integrierte 90°-Hybride in Silizium untersucht, die als Multimoden-Interferenzkoppler realisiert werden. Diese basieren auf der Ausbildung von Selbstabbildungen durch phasenrichtige Interferenz der ausbreitungsfähigen Moden. Hierbei werden zwei Konzepte untersucht: Zum einen ein Multimoden-Interferenzkoppler mit einfachem seitlichen Mantel aus Siliziumdioxid und zum anderen eine optimierte Variante mit seitlichem Sub-Wellenlängen-Gitter zur Beeinflussung der Wellenführung im Multimoden-Interferenzkoppler. Die Bauelemente werden mithilfe der Eigenmodenentwicklung simuliert. Durch Anwendung des Bloch-Theorems können ebenfalls die Sub-Wellenlängen-Gitter effizient berechnet werden. Aus den Simulationen werden die für den Einsatz in kohärenten Empfängern maßgeblichen Eigenschaften der 90°-Hybride bestimmt. Die Simulationsergebnisse werden anhand extern hergestellter 90°-Hybride messtechnisch bestätigt. In den gemessenen Transmissionsspektren zeigen sich die qualitativ verbesserten Selbstabbildungen des optimierten Hybrids durch eine gleichförmige Aufteilung der Leistung in einem großen Wellenlängenbereich. Somit kann nutzbare Bandbreite des 90°-Hybrids hinsichtlich Gleichtaktunterdrückung und Phasenfehler der interferierenden Signale vergrößert werden. Ebenfalls können die minimalen Verluste auf nur noch 0,03 dB in der Simulation und 0,06 dB - 0,08 dB in der Messung reduziert werden. Zusätzlich werden periodisch strukturierte einmodige Wellenleiter untersucht. Um den vektoriellen Charakter der ausbreitungsfähigen Bloch-Moden zu berücksichtigen sind Simulationen der dreidimensionalen Struktur erforderlich. Die in den Simulationen vorhergesagten besonderen Ausbreitungseigenschaften der Bloch-Moden werden durch Messungen an fabrizierten Wellenleitern bestätigt. Um die Leistungspegel von Datensignal und Lokaloszillator am Eingang des 90°-Hybrids in einem optimalen Bereich zu halten wird ein einstellbares optisches Dämpfungsglied benötigt. Hierfür wird ein auf zwei 2x2-Multimoden-Interferenzkopplern basierendes abstimmbares Dämpfungsglied mit thermischen Phasenstellern vorgestellt. Die umgesetzte Verlustleistung bei vollständiger Aussteuerung beträgt 12,5 mW. Dabei kann die Dämpfung in einem Bereich von mehr als 30 dB eingestellt werden.
Enthalten in den Sammlungen:05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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