Hybrid Silicon-Photonic Circuits with Second-Order Optical Nonlinearities

Die integrierte Optik ermoglicht die Miniaturisierung diskreter photonischer oder elektro-optischer (EO) Komponenten und die Kombination dieser Bauelemente in komplexen photonischen integrierten Schaltungen (engl. photonic integrated circuit, PIC) auf kompakten Mikrochips. Die Silizium-Photonik (SiP) ist eine sehr attraktive Plattform fur die photonische Integration, da sie ausgereifte Herstellungsprozesse aus der Mikroelektronik nutzen kann. Damit eroffnet die Silizium-Photonik die Moglichkeit zur kostengunstigen Massenproduktion von photonischen Chips mit hoher Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Daruber hinaus erlaubt der grose Brechungsindexkontrast zwischen dem als Wellenleiterkern dienendem Silizium (Si) und dem als Mantelmaterial verwendeten Siliziumdioxid die Herstellung von Wellenleitern mit kleinen Querschnitten und kleinen Krummungsradien, was die Integrationsdichte im Vergleich zu anderen Materialplattformen erhoht. Die Silizium-Photonik hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Aufgrund seines inversionssymmetrischen Kristallgitters besitzt Silizium keine Nichtlinearitat zweiter Ordnung. Folglich sind Bauelemente wie optische Frequenzkonverter, optische Logikgatter, verschrankte Photonenquellen und vor allem elektro-optische Modulatoren, welche auf dem Pockels-Effekt basieren, auf der SiP-Plattform nicht ohne Weiteres realisierbar. Die hybride Integration von Silzium-Nanowellenleitern mit anderen Materialien, die eine Nichtlinearitat zweiter Ordnung aufweisen, ist daher fur die Erweiterung des Portfolios von SiP-Bauelementen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden zwei Ansatze fur die hybride Integration in SiP-Schaltungen untersucht. Der erste Ansatz stutz sich auf hocheffiziente organische EO Materialien, die mit siliziumphotonischen Wellenleiterstrukturen in einem Back-End-of-Line-Prozess kombiniert werden, um sogenannte Silicon-Organic Hybrid (SOH) EO Modulatoren zu realisieren. In dieser Arbeit werden SOH-Modulatoren demonstriert, die neue Rekorde in Bezug auf Modulationseffizienz, optische Einfugungsdampfung und demonstrierte Datenrate definieren. Daruber hinaus wird die thermische Langzeitstabilitat dieser Bauelemente bei 85 °C validiert. Der zweite Ansatz beruht auf neuartigen anorganischen Nanolaminat-Dunnfilmen, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) gewachsen werden. Aufgrund des fruhen Forschungsstadiums wurden diese Materialien nicht direkt auf SiP-Chips, sondern auf Glassubstraten gewachsen und durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) charakterisiert. In dieser Arbeit werden SHG-Charakterisierungstechniken fur Nanolaminate untersucht und ein neues Nanolaminat vorgestellt. Perspektivisch konnte ALD allerdings auch fur die Beschichtung von SiP-Chips verwendet werden. Das konforme ALD-Wachstum bietet sich hierbei an, um prazise definierte Schichtfolgen auch auf komplexen Wellenleiterstrukturen mit hoher Reproduzierbarkeit abzuscheiden. Diese beiden Ansatze werden in der vorliegenden Arbeit naher beschrieben. Kapitel 1 gibt eine Einfuhrung in die integrierte Optik und erlautert die Notwendigkeit der Hybridintegration von optisch-nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung in SiP-Schaltungen. Kapitel 2 fasst den theoretischen Hintergrund, fuhrt die fur diese Arbeit relevanten Aspekte der nichtlinearen Optik ein und gibt einen Uberblick uber verschiedene Klassen von nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung. Daruber hinaus wird der Stand der Technik von Mach-Zehnder-Modulatoren auf der SiP-Plattform vorgestellt. In Kapitel 3 wird die sehr hohe Modulationseffizienz von SOH-Modulatoren demonstriert. Dabei wird ein Mach-Zehnder-Modulator diskutiert, bei dem das Produkt aus π-Spannung und Lange nur 0,32 Vmm betragt. Im Vergleich zu modernsten SiP-Modulatoren stellt dieser Wert eine Verbesserung um mehr als eine Grosenordnung dar. Diese hohe Effizienz ermoglicht eine optische Signalerzeugung mit einer Datenrate von 40 Gbit/s unter Verwendung sehr kleiner Peak-to-Peak Treiberspannungen von nur 140 mV$_{\rm{pp}}$. Kapitel 4 stellt einen kompakten SOH-Modulator mit einer optischen Dampfung des Phasenschiebers von unter 1 dB vor – dies entspricht dem niedrigsten Wert der jemals fur einen ultra-schnellen SiP-Modulator veroffentlicht wurde. Der Nutzen dieses Bauteils fur schnelle und effiziente optische Datenubertragung wird in einem Experiment demonstriert, bei dem vierstufige Pulsamplitudenmodulations-Signale (PAM4) bei 100 GBd erzeugt werden. Die hierfur verwendeten Treiberspannungen sind kompatibel mit typischen Spannungspegeln, die von energieeffizienten und hochgradig skalierbaren Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-(CMOS­)Bauteilen erzeugt werden konnen. Kapitel 5 demonstriert die thermische Langzeitstabilitat von SOH-Modulatoren gemas den Telcordia-Normen fur die Lagerung bei hohen Temperaturen. Die Bauelemente werden bei 85 °C fur insgesamt 2700 h gelagert, und es zeigt sich, dass die π-Spannung nach einem schnellen anfanglichen Anstieg auf ein konstantes langzeitstabiles Niveau konvergiert. Weiterhin wird gezeigt, dass die Lagerung bei 85 °C keinen negativen Einfluss auf die Leistungsfahigkeit der Bauteile bezuglich der optischen Datenubertragung hat. Dazu wurde eine optische Datenubertragung mit einem SOH-Bauteil durchgefuhrt, das zuvor fur 2700 h bei 85 °C gelagert wurde. Mit dieser Demonstration wird eines der letzten verbleibenden Hindernisse auf dem Weg zum technischen Einsatz von SOH-Bauteilen adressiert: Die Stabilitat der zugrundeliegenden organischen Materialien. In Kapitel 6 werden zwei verschiedene Techniken zur Messung von SHG von anorganischen Nanolaminaten und zur Bestimmung der zugehorigen Elemente des $\chi^{(2)}$-Tensors untersucht. Die Vor- und Nachteile der beiden Methoden werden verglichen und die Quellen fur Messfehler identifiziert. Kapitel 7 stellt ein neuartiges binares Nanolaminatmaterial vor, das auf abwechselnden Schichten aus Zinkoxid und Aluminiumoxid basiert. Die ermittelte Nichtlinearitat zweiter Ordnung ist mehr als dreimal so gros wie bei zuvor veroffentlichten ternaren Nanolaminaten. Kapitel 8 fasst die Themen dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukunftige Arbeiten zu SOH-Modulatoren und Nanolaminat-Dunnfilmen.