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Siliziumphotonik – Grundbausteine kommerzieller AnwendungenEin Überblick über ausgereifte Elemente für integrierte optische SystemeIñigo Artundo, Pascual Muñoz, David Domenech, Jan Hendrik den Besten und Jose Capmany

Die Siliziumphotonik hat sich in den letzten Jahren zu einem dynamischen Umfeld für Siliziumfertigungsbetriebe und Designhäuser entwickelt. Dies hat neben den traditionellen Telekom-munikationsaktivitäten eine breite Palette kommerzieller Anwendungen ermöglicht, etwa optische Chipver-bindungen, Sensorüberwachung oder Mikrowellenfilter und Strahlformer. Grundelemente wie Array-Wellenlei-ter (arrayed-waveguide grating, AWG), Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), Multimode-Interferenzkoppler (MMI) und Ringresonatoren (RR) sind be-reits zu zuverlässigen und anpassbaren Standardelementen für komplexere, integrierte optische Systeme geworden.

Photonische Integrationstechnologien erlauben eine Miniaturisierung und Zusammenfassung optischer Kom-ponenten und Systeme in einzelne Schaltkreise. Daraus resultieren Vor-teile hinsichtlich Größe und Volumen, Unempfindlichkeit gegenüber mecha-nischen und thermischen Beanspru-chungen sowie Vorzüge in Bezug auf Fehlausrichtung und optische Reinheit – Aspekte, die üblicherweise bei offenen Masse- und Mikrooptiken berücksich-tigt werden müssen. Technologien mit Materialverbunden wurden in der Ver-gangenheit eingesetzt, um eine derartige monolithische Integration zu erreichen. Jede dieser Technologien hat ihre spezi-fischen Anwendungen: Lithiumniobat für Modulatoren, Silica (auch bekannt als planare Lichtwellenleiterschalt-kreise, planar lightwave circuits, PLC) für passive Komponenten, wie Koppler, Splitter und Gitter, oder Indiumphos-phid für aktive Elemente wie Laser und Verstärker.

Während all diese Technologien be-reits seit etwa zehn Jahren untersucht

und in die Praxis eingeführt wurden, unterliegt die Siliziumphotonik aktuell einer starken Entwicklung. Dies liegt insbesondere an der Möglichkeit, sie in halbstandardisierte Prozesse komple-mentärer Metalloxidhalbleiter (CMOS) zu implementieren und dabei erheb-liche Kostenreduzierungen zu errei-chen, womit wiederum entsprechende Steigerungen der Produktionsmengen, Systemskalierbarkeiten und Komplexi-tät verbunden sind. Außerdem ergeben sich auch einfachere Integrationsmög-lichkeiten für Komponenten der Silizi-umphotonik im Bereich elektronischer Steuerungsfunktionen [1].

Aktuell existieren mehrere interna-tionale Fertigungsanlagen für Silizi-umphotonik, die ihre Dienstleistungen in autonomen, einzelnen Waferferti-gungsprozessen oder als Teil von so genannten Multiprojektprozessen an-bieten. Bei Letzteren wird die Wafer-fläche zwischen mehreren Abnehmern aufgeteilt, um Kosten zu reduzieren, al-lerdings mit Abstrichen hinsichtlich des notwendigen engen Zeitplans, der damit verbunden ist (Abb. 1). Die Prozessstan-dardisierung hat ein Geschäftsumfeld erzeugt, das sich rasch in Richtung der Gegebenheiten der Elektronikindustrie entwickelt, wo Endkunden und unab-

Abb. 1 Geschäftsumfeld photonischer Integration von der Anwendung bis zu Schaltungsdesign und Fertigung.

Endabnehmer

Designhäuser

Hersteller Des

ign

Fert

igun

g

Einzel-wafer

Multiprojekt-wafer

vs.

Basis-PDK +

proprietäreGrundelemente

Abb. 2 Grundelemente (basic building blocks, BB) für Siliziumwellenleiter mit unter-schiedlicher Geometrie.

Streifen / Draht Platte eingebettet verborgen Rippe

nWellenleiter > nSubstrat

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hängige Designhäuser gleichermaßen Schaltungsentwürfe an Fertigungsbe-triebe liefern. Photonische Design-Kits (PDK), die die gebräuchlichsten opti-schen Komponenten als intensiv getes-tete und für komplexere Designs ein-satzbereite Hauptelemente bereitstellen, werden üblicherweise von jedem Fer-tigungsbetrieb angeboten. Zusätzlich entwickeln Designhäuser ihre eigenen fortschrittlichen Module auf Basis die-ser PDK, wodurch erweiterte Funktio-nalitäten und Einsparungen in Kosten und Entwicklungszeit für die Kunden (Endverbraucher) erreicht werden.

Im Hinblick auf Endverbraucheran-wendungen ist die Siliziumtechnologie eine geeignete Technologie für die op-tische Kommunikation in den Wellen-längenbereichen der O- und U-Bänder (1270 bis 1675 nm) von Weitbereichs-telekommunikation bis zu kürzeren Datenverbindungen, da Silizium in der Region über 1,1 µm transparent ist. Au-ßerdem erlaubt die CMOS-Kompatibi-lität einen geringen Energieverbrauch und extreme Kompaktheit. Leitungen und Baugruppen der Siliziumphoto-nik sind überaus geeignet für Chip-zu-Chip-Verbindungen und optische Ver-bindungen innerhalb von Schaltkreisen. Die Siliziumphotonik ist aber nicht auf das Gebiet der Kommunikation be-schränkt. Es gibt bereits kommerzielle Beispiele optischer Schaltkreise, etwa für Lichtleitersensorabfragen, Erzeu-

gung und Verarbeitung von Mikrowel-lensignalen sowie biophotonische Diag-noseschaltkreise.

Unabhängig von der Anwendung gibt es eine Reihe photonischer Kom-ponenten, die aufgrund ihrer Grund-funktionalität oft in optischen Systemen eingesetzt werden. Diese Grundele-mente (basic building blocks, BB) sind bei der überwiegenden Zahl von Platt-formen bereits ausgereift, in den meis-ten PDK vorhanden und bereit für eine Integration in komplexere Layouts. Im Folgenden werden wir einige davon beschreiben und eine Reihe von Endan-wendungen vorstellen, in die diese BB als ein Beispiel fortschrittlicher, pro-duktionsreifer Komponenten integriert sind.

Silizium-Wellenleiter und KopplerSiliziumphotonik ist eine übergeord-nete Bezeichnung, die sich meist auf die lithographischen Prozesse auf Silicon-on-Insulator (SOI) bezieht, wo Silica (SiO2) als Isolationsschicht zwischen ei-ner dünnen Komponentenschicht und dem Siliziumsubstrat fungiert. Der hohe Kontrastindex von Silizium gegenüber der Silicaschicht erlaubt eine Fertigung optischer Wellenleiter mit unterschied-lichen Geometrien in Größenordnun-gen von einigen zehn Nanometern bis zu hunderten Mikrometern (Abb. 2). Je nach Geometrie können Leitungsver-

luste und Krümmungsradien variieren. Für Standard-Streifenwellenleiter (auch als Silizium-Nanodrähte bezeichnet) mit einer Höhe von 220 nm und einer Breite von 450 nm betragen diese etwa 2,5 dB/cm und 5 µm. Mittels besonders ausgefeilter Designs lassen sich noch ge-ringere Werte erzielen.

Einfache Wellenleiter erlauben fort-schrittlichere Strukturen wie Splitter (auch als Y-Kreuzungen bezeichnet), Parallelkoppler, Verzögerungselemente und spiralförmige Lichtsenken. Ein Beispiel eines Telekommunikationsele-ments auf Basis von Wellenleiter-BB ist der OCDMA-Demultiplexer (optical code division multiple access) in Ab-bildung 3. Hier werden 450 nm breite, verdeckte Wellenleiter in einem Ab-stand von 200  nm genutzt, um paral-lele Wellenleiterkoppler zusammen mit spiralförmigen 10  ps-Verzögerungslei-tungen zu realisieren. Das Kopplungs-verhältnis wurde durch die geradlinige Koppelsektion und den longitudinalen Offset hergestellt. Außerdem fungieren

VLC PhotonicsValencia, Spanien

VLC ist ein Photonik-Designhaus ohne Fabrikation für Integrationslösungen von Verbundmaterialplattformen. VLC entwirft, baut, charakterisiert und testet photonische Integrationsschaltkreise basierend auf Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Indiumphosphid. VLC Photonics verfügt über umfangreiche Erfahrungen im Bereich der optischen Telekommunikation sowie Mikrowellenphotonik und ermöglicht mit einem umfangreichen Netz an Fertigungsbetrieben, Verpackungs- und optoelektronischen Partnern, photonische Integrationsprojekte aller Art.

www.vlcphotonics.com

Die Firma

Abb. 3 OCDMA-Dekoderschaltkreis mit Verzögerungsleitungen, Wellenleiter-kopplern, thermooptischen Heizelementen für Phasenverschiebung. (Quelle: VLC Photonics)

Abb. 4 Unterschiedliche AWG-BB einer Reihe von Herstellern: LETI (oben), IME (rechts oben) und IMEC (rechts).

Abb. 5 Optische Strahlformerschaltung in SOI inklusive eines AWG und Multiringresonatoren. (Quelle: VLC Photonics)

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thermooptische Heizelemente als Pha-senschieber, sodass sich insgesamt eine Schaltkreisgröße von 8 × 9 mm2 ergibt [2].

Array-Wellenleiter

Array-Wellenleiter (arrayed waveguide gratings, AWG) sind eine universell ein-setzbare Form von BB. In Abhängigkeit ihrer Konfiguration können sie für das Multiplexen und Demultiplexen un-terschiedlicher Wellenlängen, für das Schalten oder N × N-Routing sowie als Teil von Add/Drop-Filtern verwendet werden.

Ein AWG basiert auf drei Regionen. Die erste und letzte wirken als passive Sternkopplerplatten und die mittlere ist ein Array von Rippenwellenleitern mit zunehmender Länge. Sie erlauben multiple Strahlinterferenz am Ausgang durch die inkrementelle Phasenver-schiebung der Strahlen, die von den Wellenleitern ausgehen. Silizium-AWG profitieren von den sehr kleinen Krüm-mungsradien, die bei SOI zulässig sind. So werden viel kompaktere Module er-möglicht als bei den traditionellen PLC AWG, die zuvor in der Telekommuni-kation eingesetzt wurden. Aktuell wird von AWG in SOI berichtet, die Kanal-zahlen von bis zu 50 Wellenlängen mit Kanalabständen von 0,2 bis 3,6 nm (25 bis 400 GHz bei 1550 nm) aufweisen.

Es existiert eine Vielzahl an Design-varianten, je nach Anforderungen der Endanwender. Die kritischsten Design-features eines AWG-BB sind der mini-male Biegeradius des Rippenwellen-leiters, die geradlinigen Längen (groß genug, um die Wellenleiter ohne Verlust in die Platten laufen zu lassen) und die minimale Wellenleitertrennung im Zentrum (zur Vermeidung von Kopp-lungsinteraktionen). Die Länge des Wellenleiterarrays sollte klein gehalten werden, um Phasenfehler zu minimie-ren. Abbildung 4 zeigt eine Reihe von AWG-Designs verschiedener Hersteller.

Abbildung 5 veranschaulicht eine Beispielanwendung dieser AWG-BB, ein photonischer Mikrowellenstrahlformer, bei dem einzelne Seitenbandsignale aus einem Mach-Zehnder-Modulator durch einen AWG demultiplext und mittels einstellbarer Allpass-Ringresonatoren phasenverschoben werden. Das AWG-Design enthält vier Eingangs- und vier Ausgangskanäle. Die zusätzlichen Ka-

näle am Eingang wurden zu Testzwe-cken verwendet. Der AWG-Kanalab-stand wurde auf 3,2 nm mit Gaußschem Antwortverhalten und einer FSR von 22,4 nm gesetzt; genug, um mehrere Re-sonanzen des Ringresonators im Pass-band zu lokalisieren. Der Querschnitt der Wellenleiter betrug 220 × 450 nm. Ein extra flacher Ätzprozess wurde für alle Wellenleiteröffnungen zu der Plat-tenregion des Sternkopplers im AWG eingesetzt, um die Einfügungsdämp-fung zu reduzieren [3].

Mach-Zehnder-Interferometer

Interferometer sind die Hauptkompo-nenten vieler optischer Systeme. Eine der häufigsten Konfigurationen ist das Mach-Zehnder-Interferometer (MZI). Wie jedes Interferometer dient es dazu, Phasenverschiebungen zwischen zwei Armen mittels Leistungsinterferenz am gemeinsamen Ausgang zu messen. In Abhängigkeit der Längendifferenz beider Arme können MZI symmet-

risch oder asymmetrisch ausgelegt sein (Abb. 6). Mittels einer dynamischen Va-riation der relativen Phase der beiden Arme des Interferometers (zum Beispiel durch Einsatz von Heizelementen oder über das Einkoppeln eines optischen Phasenmodulators in einen der beiden Interferometerarme) lässt sich die Inten-sität am Ausgang des MZI modulieren.

Ein MZI kann als Basis-BB unter-schiedlicher Komponenten, wie ther-mooptischer Modulatoren oder Filter, eingesetzt werden. Mikroring-MZI-Strukturen werden als fortschrittliche BB für Sensor- und Schaltaufgaben ver-wendet. Hier werden Ringresonatoren in einen Arm der MZI eingekoppelt, um eine Resonanzverstärkung der Phasen-verschiebung in diesem Arm zu erzeu-gen.

Multimodale Interferenzkoppler

Ein multimodaler Interferenzkoppler (MMI) basiert auf der Selbstabbildungs-eigenschaft eines multimodalen Wellen-leiters, bei dem ein Eingangsfeldprofil periodisch in einzelnen oder multiplen Abbildungen entlang der Ausbreitungs-richtung des Leiters reproduziert wird [4]. Daher können MMI Signalroutings und Kopplung über eine große optische Bandbreite liefern und dennoch weit-gehend unempfindlich gegenüber Po-larisation sein. Darüber hinaus ist ihr Verlust- und Übersprechverhalten po-sitiv und ihre Phasenrelation kann aus-genutzt werden, um phasenabhängige Schaltvorgänge zu realisieren. Während sie eine relativ geringe Portzahl aufwei-sen, sind Silizium-MMI-Koppler die ro-busteren Teilerelemente im Vergleich zu direktionalen Kopplern, Y-Teilern oder Sternkopplern.

Abb. 6 Verschiedene Mach-Zehnder-Inter fero meter-BB von VLC Photonics.

Abb. 7 Multiple MMI-Koppler-BB ver-schiedener Hersteller: IMEC (links oben), IME (rechts oben) und LETI (links).

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In einem MMI-BB wird Licht von einer Anzahl N Eingangswellenleiter in ein zentrales Segment geleitet, das als Wellenleiter zur Unterstützung einer hinreichend hohen Anzahl von Moden gestaltet ist. Nach der multimodalen Interferenz wird das Licht zurückge-fangen in einer Anzahl M Ausgangs-wellenleiter, sodass effektiv eine N × M-Kopplungsfunktionalität erzeugt wird. Typische Konfigurationen von MMI-BB sind beispielsweise 1 × 2, 1 × 4, 2 × 2 und 4 × 4. Daraus ergeben sich Form und Länge der Einheit – von einigen zehn Mikrometern bis zu einigen Millime-tern (Abb. 7). Grobe Multiplexfunktio-nalität lässt sich auch mit normalen Wel-lenlängenkanalabständen von 3,2 bis 34 nm erreichen.

Silizium-MMI-BB finden ihre hauptsächlichen kommerziellen An-wendungen als Breitbandkoppler mit wählbarem Leistungsverhältnis und zunehmender Portzahl. MMI sind auch fundamentale BB für die Kons-truktion von Mach-Zehnder-Verzöge-rungsinterferometern, die für differen-zielle Phasenmodulation (differential phase-shift keying, DPSK), rein opti-sche Wellenlängenkonversion sowie in thermooptischen und elektrooptischen Schaltern verwendet werden.

Ringresonatoren

Die starke Lichtstrahlbegrenzung in SOI-Wellenleitern erlaubt sehr geringe Verluste bei scharfen Umlenkungen mit Radien von nur wenigen Mikrometern. Daher können äußerst kompakte Ring-resonatoren hergestellt und in multip-len Konfigurationen eingesetzt werden

(z. B. Coupled-Resonatoren, Allpassfil-ter, kaskadiert).

Bei Entwürfen von Ringresonator-BB müssen zwischen resonanzver-stärkter Gruppenlaufzeit, Modulgröße, Einfügungsdämpfung und funktionaler Bandbreite entsprechende Kompro-misse gefunden werden.

Die meisten Entwicklungen kom-merzieller Anwendungen von Ringre-sonator-BB gehen in Richtung optischer Schaltmatrixelemente bzw. optischer Filter (Abb. 8) [5] oder thermisch rekon-figurierbarer Multiplexer. Aktuell gibt es Bestrebungen, sie für optische Pufferan-wendungen [6] und markerfreie biolo-gische Sensorsysteme einzusetzen.

Zusammenfassung

Siliziumphotonik ist eine optische Inte-grationsplattform mit weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten in der Zu-kunft, die aufgrund ihrer potenziellen CMOS-Integration Kosten und Ener-gieverbräuche reduzieren kann, die Mi-niaturisierung weiter vorantreibt und hohe Stückzahlen ermöglicht. Unter-schiedliche Grundelemente, wie in die-sem Beitrag beschrieben, sind bei den meisten Herstellern bereits verfügbar und Bestandteil ihrer Photonik-Design-Kits. Fortgeschrittenere Funktionali-täten ergeben sich aus den Aktivitäten der zunehmenden Anzahl an Design-häusern, die die Bedürfnisse von End-kunden umsetzen. So entstehen neue optische Anwendungen, die von der

Integration in die Siliziumtechnologie profitieren. Während es sicherlich noch Hürden zu überwinden gilt, entwickelt sich das Marktumfeld der Siliziumpho-tonik rasant und in Richtung eines Rei-fegrades, der neue Anwendungsfelder und Märkte erschließt.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei der Optical Communications Group des iTEAM-Instituts der Universitat Po-litècnica de València, Spanien, für einige der Schaltkreisbeispiele, die in diesem Beitrag abgebildet sind.

[1] G. T. Reed, A. P. Knights: Silicon Photonics: an introduction, Wiley (2004)

[2] R. Baños, D. Pastor, D. Domenech: Code-Tunable Direct Sequence Coherent OCDMA device based on Silicon On In-sulator, Proc. of 15th ICTON Conference (June 2013)

[3] J. D. Domenech, I. Artundo, P. Muñoz, J. Capmany, P. Dumon, W. Bogaerts: Design, fabrication and characterization of a nar-row band microwave photonics beam-former in Silicon-On-Insulator, Proc. of ECIO, Sitges, Spain (2012)

[4] L. B. Soldano, Erik C. M. Pennings: J. Light-wave technol. 13 (1995) 615

[5] J. Capmany, P. Muñoz, J. Domenech, M. Mu-riel: Opt. Express 15 (2007) 10196–10206

[6] F. Xia, L.Sekaric, Y. Vlasov: Nat. Photonics 1 (2007) 65–71

DOI: 10.1002/opph.201300013

Die Autoren

Iñigo Artundo absolvierte 2005 sein Studium der Telekommunikationstechnik an der Universität Navarra, Spanien und promovierte anschließend in Angewandter Physik und Photonik an der Vrije Universität, Brüssel. Er ist Hauptverantwortlicher für das

Marketing der VLC Photonics und seine Interessen liegen im Bereich optische Verbindungen sowie technische und geschäftliche Entwicklung von pho-tonischen integrierten Schaltkreisen.

Pascual Muñoz studierte Telekommunikationstechnik an der Polytechnischen Universität in Valencia

und erlangte 2003 die Promotion. Später war er an der Technischen Universität Eindhoven tätig und koordi-niert seitdem verschiedene europäische Netzwerke und Forschungsprojekte. Seine Expertise liegt auf AWG und allgemeinem photonischem Gerätedesign in InP und

Siliziumphotonik. Des Weiteren wurde er 2008 als Professor der UPV ernannt und ist Gründer und Vorstandsmitglied der VLC Photonics.

Weitere Autoren: David Domenech, Jan Hendrik den Besten und Jose Capmany

VLC Photonics S.L., Ed. 9B, UPV, Camino de cera s/n, 46022 Valencia, Spain, E-Mail: inigo.artundo@vlcphotonics.com, pascual.munoz@vlcphotonics.com

Abb. 8 CROW-Filter aus parallelen und apodisierten, rennstreckenförmigen Ringresonatoren. (Quelle: VLC Photonics)