Hybrid integrierte photonisch-elektronische Systeme (HIPES)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die Entwicklung und Demonstration neuartiger Hybridkonzepte für opto-elektronische Systeme, die auf dem Prinzip der Multi-Chip-Integration basieren. Dabei wurden photonische und elektronische Komponenten auf verschiedenen, für die jeweilige Komponente optimierten Integrationsplattformen realisiert und anschließend auf Chipebene kombiniert. Zur Optimierung der elektro-optischen Modulatoren wurde ein theoretisches Modell entwickelt. Dieses erlaubt die Optimierung der Bauelemente im Hinblick auf optische Verluste und Bandbreite. Die vorhergesagte elektro-optische Bandbreite übersteigt 100 GHz bei vergleichsweise geringen optischen Verlusten. Auf der Grundlage dieses Modells wurde eine neue Generation von SOH-Modulatoren entwickelt und in einer Silizium- Photonik-Foundry hergestellt. Diese neue Generation von Modulatoren wird für die endgültige Demonstration des gepackageten Moduls verwendet. Die Bandbreite der Bauelemente zeigt eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur vorherigen Generation. In Kombination mit der ersten Generation von SOH-Modulatoren wurde ein neuartiges elektro-optisches Material gemäß den Telcordia-Standards für Hochtemperaturtest evaluiert. Wir konnten eine verbesserte Langzeitstabilität in Übereinstimmung mit den Telcordia- Standards nachweisen. Darüber hinaus wurde die Leistung der Geräte in einem Experiment zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit einer Datenrate von 40 Gbit/s nachgewiesen. Für eine erste Generation von elektrischen Gehäusen haben wir ein Verfahren zur Herstellung keramischer Leiterplatten mit Strukturen im Mikrometerbereich entwickelt. Auf dieser Grundlage konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass ein elektrisches Gehäuse für Hochgeschwindigkeits-SOH-Modulatoren möglich ist, ohne die Leistung der Bauelemente wesentlich zu beeinträchtigen. Auf der Grundlage dieses Packaging-Konzepts und dieser Technologie wurde das Gehäuse des Moduls mit SOH-Modulator und elektrischem Treiber entwickelt. Eine umfangreiche Modellierung der SOH-Modulator-Strukturen lieferte ein Schaltungsmodell, das in den Simulationswerkzeugen für den Entwurf des Treibers verwendet werden kann. Es wurden zwei Treiberkonzepte für die analoge PAM-4-Signalkombination untersucht, eines auf der Basis von verteilten Verstärkern mit einer gemeinsamen Kollektorleitung und ein Treiber mit einem Lumped Driver in einer differentiellen Umgebung. Beide Treiber verfügen über einen einstellbaren PAM-4-Pegelabstand. Für den verteilten Treiber wurden zwei Methoden der Kapazitätsanpassung untersucht, die beide hohe analoge Bandbreiten von bis zu 102 GHz bieten. Der diskrete Treiber bot eine geringere Bandbreite, dennoch konnten Augendiagramme bis zu 100 GBd gemessen werden. Für das Packaging eines hybriden integrierten elektro-optischen Systems haben wir uns auf ein planares Packaging konzentriert, das den Vorteil eines modularen Aufbaus bietet. Beide, elektrische und optische, Subsysteme können unabhängig voneinander optimiert und in einem letzten Schritt integriert werden. Für die breitbandigen Verbindungen wurden doppelte Bonddrähte für Signal und Masse verwendet. Die Verbindung zwischen dem optischen Chip und der Treiberschaltung wurde auf einem vergoldeten Aluminiumoxid-Substrat hergestellt, wobei ein DC-Block implementiert wurde, um die Betriebspunkte von Treiber und SOH-Modulator zu trennen. Die optimierten Subsysteme wurden in ein Modul integriert, um die Systemleistung zu demonstrieren. Wir konnten eine Datenrate von 48 GBit/s für einen einzelnen Kanal nachweisen. Im Vergleich zu den einzelnen Subsystemen ist die Leistung des Moduls geringer. Innerhalb des komplexen elektro-optischen Gehäuses konnten wir verschiedene Quellen identifizieren, die die zusätzlichen Verluste verursachen. Sie beruhen hauptsächlich auf Fertigungstoleranzen der verschiedenen Komponenten der einzelnen Subsysteme. Durch die Verringerung dieser Toleranzen können die vorgestellten Konzepte leicht skaliert werden, um mehrkanalige elektro-optische Kommunikationssysteme für verschiedene Multiplexverfahren zu ermöglichen. Auch wenn es nicht möglich war, alle diese Erkenntnisse während des Projekts in eine verbesserte Geräteleistung umzusetzen, so führten die Aktivitäten in HIPES zu neuen Erkenntnissen und einem detaillierten Verständnis der Effekte geführt, die die Leistung von elektrooptischen SOH-Modulatoren in Bezug auf Bandbreite, Zuverlässigkeit und Systemintegration begrenzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Demonstration of long-term thermally stable silicon-organic hybrid modulators at 85 °C," Opt. Express 26, pp. 27955-27964, 2018
C. Kieninger, Y. Kutuvantavida, H. Miura, J. Kemal, H. Zwickel, F. Qiu, M. Lauermann, W. Freude, S. Randel, S. Yokoyama and C. Koos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.26.027955) - "Electrically packaged silicon-organic hybrid (SOH) I/Q-modulator for 64 GBd operation," Opt. Express 26, pp. 34580-34591, 2018
H. Zwickel, J. Kemal, C. Kieninger, Y. Kutuvantavida, J. Rittershofer, M. Lauermann, W. Freude, S. Randel and C. Koos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.26.034580) - "Hybrid Photonic Integration and Plasmonic Devices: New Perspectives for High-Speed Communications and Ultra-Fast Signal Processing," in CLEO Pacific Rim Conference 2018, 2018
C. Koos, S. Randel, W. Freude, L. R. Dalton, S. Wolf, C. Kieninger, Y. Kutuvantavida, M. Lauermann, D. L. Elder, S. Muehlbrandt, H. Zwickel, A. Melikyan, T. Harter, S. Ummethala, M. R. Billah, M. Blaicher, P.-I. Dietrich and T. Hoose
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/cleopr.2018.w4j.1) - "Ultra-high electro-optic activity demonstrated in a siliconorganic hybrid modulator," Optica 5, pp. 739-748, 2018
C. Kieninger, Y. Kutuvantavida, D. Elder, S. Wolf, H. Zwickel, M. Blaicher, J. Kemal, M. Lauermann, S. Randel, W. Freude, L. Dalton and C. Koos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/optica.5.000739) - "50GBit/s PAM-4 Driver Circuit Based on Variable Gain Distributed Power Combiner," in 2019 IEEE 19th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), 2019
C. v. Vangerow, C. Bohn, H. Zwickel, C. Koos and T. Zwick
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/sirf.2019.8709086) - "Silicon-organic hybrid (SOH) Mach-Zehnder modulators for 100 GBd PAM4 signaling with sub-1 dB phase-shifter loss," Opt. Express 28, pp. 24693-24707, 2020
C. Kieninger, C. Füllner, H. Zwickel, Y. Kutuvantavida, J. Kemal, C. Eschenbaum, D. Elder, L. Dalton, W. Freude, S. Randel and a. C. Koos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.390315) - "Verified equivalent-circuit model for slot-waveguide modulators," Opt. Express 28, pp. 12951-12976, 2020
H. Zwickel, S. Singer, C. Kieninger, Y. Kutuvantavida, N. Muradyan, T. Wahlbrink, S. Yokoyama, S. Randel, W. Freude and C. Koos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.383120) - "Hybrid electro-optic modulator combining silicon photonic slot waveguides with high-k radio-frequency slotlines," Optica 8, pp. 511-519, 2021
S. Ummethala, J. N. Kemal, A. Alam, M. Lauermann, A. Kuzmin, Y. Kutuvantavida, S. H. Nandam, L. Hahn, D. Elder, L. Dalton, T. Zwick, S. Randel, W. Freude and C. Koos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/optica.411161) - "PAM-4 Driver Amplifier using Distributed Power Combining," in 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2021
C. Bohn, J. Hebeler, C. Koos, T. Zwick and A. Ç. Ulusoy
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ims19712.2021.9574909)
