Tunable integrated module for the optical dispersion compensation based on Bragg gratings in silicon

Die chromatische Dispersion beschränkt stark die hochbitratige Transmission auf langen Strecken in optischen Netzwerken. Um eine korrekte Detektierung der Pulsenreihenfolge am Empfänger zu ermöglichen ist eine Dispersionkompensation erforderlich. Die Realisierung eines integrierten Bauelements für die Kompensation der Dispersion am Empfänger ist zwingend notwendig für die Erzielung von monolithischen Empfängermodulen mit Kombination von Elektronik und Optik. Silizium ist ein optimales Material für die Herstellung optischer Komponenten, weil es transparent für die in der optischen Nachrichtentechnik verwendeten Wellenlängen ist. Außerdem können die gebräuchlichen Anfertigungsprozesse der Mikroelektronik dafür angewendet werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Realisierung eines integrierten Dispersionskomepensators auf der Basis von Bragg-Gittern auf Silizium zu ermöglichen. Zuerst wurden die theoretischen Grundlagen der Bragg-Gittern analysiert und diskutiert. Die vollständige Beschreibung von Bragg-Gittern erfordert präzise Berechnungsmethoden, die in der Lage sind, die Kopplung zwischen allen Wellenleitermoden für alle möglichen Gitterstärken zu berücksichtigen. Die bidirektionale Eigenmodenentwicklung hat bewiesen, die Lieferung verlässlicher Ergebnisse auch für starken Gitterstrukturen zu ermöglichen. Sie wurde daher für den Entwurf der gewünschten Bragg-Gittern verwendet. Der Einfluss der unterschiedlichen geometrischen Parameter wurde systematisch untersucht, um Gitterstrukturen mit Reflektion at 1550 nm über eine Bandbreite schmaler als 1 nm und mit Verlusten unter 0,2 dB zu erzielen. Die Herstellung der entworfenen Strukturen wurde mit auf DUV-Lithographie basierenden bi-CMOS Standardprozessen durchgeführt. Dadurch wurde bewiesen, dass die erreichte Ergebnisse mit dem Stand der Technik (mit Elektronenstrahl-Lithographie realisierten Bragg-Gittern) vergleichbar sind. Der neue Ansatz bietet einen höheren Durchlauf und die Möglichkeit an, Gitterstrukturen mit beliebiger Länge ohne „Stitching“-Fehler zu realisieren. Eine stabile Methode für die Implementierung des Chirps in Gittern für die Dispersionskompensation wurde präsentiert, indem man die Wellenreiterbreite (Taper) linear ausweitet. Es wurde bewiesen, dass Bragg-Gitter auf einem getaperten Rippenwellenleiter mit einer Taperbreite von 150 nm und einer Länge von 5 mm eine Dispersion von etwa 100 ps/nm über eine Bandbreite von 1 nm kompensieren können. Solche Bauelemente können dennoch nicht direkt für die gewünschte Kompensation eingesetzt werden, da sie eine starke Modulation der Gruppenlaufzeit (Group delay ripple – GDR) aufweisen. Die Unterdrückung erfolgt durch Apodisierung. Dabei wird die Stärke der Gitters an seinen Enden reduziert, um unerwünschten Reflexionen auszulöschen. Dies wurde erreicht, indem die Breite der Gitteröffnungen variiert wird. Die apodisierten Gitterstrukturen erlauben eine Dispersionskompensation von etwa 250 ps/nm für ein 100 GHz WDM Kanal und eine korrekte Signaldetektierung für eine Datenrate bis 40 Gbaud. Die entworfenen Gitter wurden in einer Filterstruktur einbezogen, die aus zwei kaskadierten Gitterpaaren besteht. Dies ermöglicht die erreichbare Dispersion zu verdoppeln und den kompensierten Kanal zu trennen, ohne einen optischen Zirkulator zu benötigen. Die gesamte Struktur hat eine Gesamtlänge von 2,5 cm und eine Breite von wenigen Zehnern von Mikrometern und erlaubt damit ein hohes Integrationsniveau. Dank des thermo-optischen Effekts und der thermischen Materialdehnung erzeugt eine Temperaturvariation des Gitters eine Verschiebung der reflektierten Wellenlänge um 80 pm/K. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um die Dispersion des realisierten Bauelements mit Temperaturgradienten abzustimmen. Die Gradienten verursachen einen zusätzlichen Chirp, mit einer daraus folgende Änderung der Steigung der Gruppenlaufzeitkurve. Die thermischen Gradienten wurden mit aufgebrachten metallischen Heizelementen entlang der Gitter erzeugt, die mit externen Strömen betrieben wurden. Eine Abstimmung der Dispersion zwischen 100 ps/nm und 600 ps/nm mit einer Gradientenamplitude von 30 K konnte erreicht werden. Durch das Invertieren der Gradientanamplitude ist es zusätzlich möglich das Vorzeichen der Dispersion zu ändern. Für jede Gradientenkonfiguration wurde ein Leistungverbrauch von 4,74 W für den gesamten Dispersionskompensator gemessen. Das vorgeschlagene Bauelement ermöglicht eine Dispersionskompensation für einen 100 GHz WDM Kanal zwischen -500 und +600 ps/nm. Diese Werte können durch eine Steigerung der Gitterlänge erhöht werden. Sie sind mit den aus FIR seriellen Filtern und AWG gewonnenen Ergebnissen aus der Literatur vergleichbar. Trotzdem bieten die Gitter eine kompaktere Lösung und eine einfachere Bedienung an: ein gechirptes Gitter weist intrinsisch Dispersion auf. Außerdem kann die Dispersionsabstimmung mit der Anwendung von linearen Temperaturgradienten leicht durchgeführt werden.