Alles, Martin

Entwicklung und Realisierung von Wanderwellen-Photodetektoren für Hochfrequenz-Übertragungssysteme

Development and realisation of travelling-wave photodetectors for highfrequent

Thesis

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Schlüsselwörter:

Wanderwellen, Hochfrequenz, Hochfrequenztechnik, InP, InGaAlAs, Photodetektor

travelling-wave, highfrequency, radiofrequency, InP, InGaAlAs, photodetector

Sachgruppe der DNB
37 Elektrotechnik

Doctoral Dissertation accepted by: University of Duisburg , Department of electrical engineering, 2000-05-11

Abstract

This work describes the development and the realisation of travelling-wave photodetectors for the millimeterwave regime. The used travelling-wave concept for the realised optoelectronic devices omits RC-time limitation, which is valid for traditional high-speed photodetectors. To overcome this limitation, the travelling-wave photodetector uses wave propagation effects for the optical input, the optoelectronic conversion, and for the electrical output. The travelling-wave photodetector is fabricated in the InGaAlAs material system lattice-matched to InP using a molecular beam epitaxy. This material system is suited for operation at 1.3 µm to 1.55 µm optical wavelength. The realised devices consist of a coplanar Schottky-contact electrical transmission line. The optical waveguide is located underneath the centre conductor inside the mesa. The interaction between optical waves and electrical waves is realised using an optical absorbing layer. A reverse-biased Schottky-diode between centre conductor and outer conductor separates electrons and holes which are generated in the optical absorbing layer generating a current on the electrical transmission line. This work describes several tools, which are developed for the simulation of travelling-wave photodetectors. The simulation tools allow the calculation of the local optical intensity inside the optical waveguide with BPM and analytical methods. The optical intensity is used to calculate the distributed photo current, which is generated in the distributed photo current source due to carrier generation. The current of this distributed current source is finally used to calculate the currents and voltages of the distributed equivalent circuit of the coplanar electrical waveguide. The realised simulation tools allow a complete description of the optoelectronic conversion of the travelling-wave photodetector including optical input, electrical output, and optoelectronic conversion including wave propagation effects. The simulation tools are used to optimise the travelling-wave photodetector. The simulations are validated using results from different characterisation methods. Two optoelectronic measurement setups for generation of optical heterodyne signals with beating frequencies of up to 60 GHz are realized and used for this work. Several new material systems are developed for the fabrication of travelling-wave photodetectors. The realised devices are the first InP travelling-wave photodetectors with an absorption length of approx. 900 µm for operation at 60 GHz with 1.3 µm to 1.55 µm optical wavelength. Saturation effects are not visible at 60 GHz for optical input powers of up to 12.5 dBm due to the distributed absorbing layer. The realised travelling-wave photodetectors have a efficiency of 0.23 A/W at 1.55 µm optical wavelength and operation at 60 GHz. A comparison with other high-speed photodetectors shows, that the travelling-wave photodetector belongs to the most powerful optoelectronic converters in the millimeterwave regime.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Herstellung von Wanderwellen-Photodetektoren für den Millimeterwellenbereich beschrieben. Die konsequente Anwendung des Wanderwellenprinzips vermeidet bei den realisierten optoelektronischen Bauelementen die Beschränkung durch RC-Zeiten, die bei traditionellen Hochfrequenz-Photodetektoren, wie z.B. der Wellenleiter-Photodiode, üblich ist. Der Wanderwellen-Photodetektor berücksichtigt insbesondere Wellenausbreitungseffekte bei der optischen Einkopplung, der optoelektronischen Konversion und der elektrischen Auskopplung. Der Wanderwellen-Photodetektor wird mit Hilfe einer Molekularstrahlepitaxie-Anlage im InGaAlAs-System gitterangepaßt auf InP für den optischen Wellenlängenbereich 1,3 µm und 1,55 µm hergestellt. Das Bauelement besteht aus einem koplanaren Schottky-Kontakt-Wellenleiter. Unterhalb des Mittelleiters, der auf einer Mesa geführt wird, befindet sich ein optischer Wellenleiter. Eine Wechselwirkung zwischen optischen und elektrischen Wellen wird durch eine optische Absorptionsschicht erreicht. Zwischen dem Mittel- und den Außenleitern befindet sich eine Schottky-Diode, die in Sperrichtung betrieben wird. Dadurch werden die optisch in der Absorptionsschicht generierten Elektronen und Löcher getrennt und bewirken einen Stromfluß auf dem elektrischen Wellenleiter. Für die Beschreibung des Wanderwellen-Photodetektors sind umfangreiche Simula- tionswerkzeuge entwickelt worden. Die Simulationsprogramme erlauben die ortsabhängige Berechnung der optischen Intensität innerhalb des Wanderwellen-Photodetektors u.a. mit BPM-Verfahren. Aus der optischen Intensität wird die lokale optische Absorption bestimmt und in eine verteilte, ortsabhängige Photostromquelle umgerechnet. Der eingeprägte Photostrom der Stromquelle wird verwendet, um mit einem verteilten Hochfrequenzersatzschaltbild die Spannungs- und Stromverteilungen auf dem koplanaren elektrischen Wellenleiter zu bestimmen. Mit den realisierten Programmen ist eine umfassende Simulation der optoelektronischen Konversion innerhalb des WanderwellenPhotodetektors von der optischen Einkopplung bis zur elektrischen Auskopplung unter Berücksichtigung von Wellenausbreitungseffekten möglich. Die Simulationsdaten sind mit umfangreichen Charakterisierungen überprüft und für eine theoretische Optimierung der Bauelemente verwendet worden. Für die meßtechnische Charakterisierung der Wanderwellen-Photodetektoren sind zwei optoelektronische Meßplätze zur Generation optischer Heterodynsignale im Frequenzbereich bis 60 GHz aufgebaut und betrieben worden. Für die Herstellung der Wanderwellen-Photodetektoren wurden verschiedene neuartige Schichtsysteme entwickelt. Die realisierten Bauelemente sind die ersten InP-Wanderwellen-Photodetektoren mit einer Absorptionslänge von ca. 900 µm, die bei Frequenzen von 60 GHz im optischen Wellenlängenbereich von 1,3 µm und 1,55 µm arbeiten. Durch die ausgedehnte Absorptionsschicht sind bis zu optischen Eingangsleistungen von 12,5 dBm keine Sättigungseffekte bei Frequenzen bis zu 60 GHz beobachtbar. Mit den Wanderwellen-Photodetektoren konnte ein Wirkungsgrad von 0,23 A/W bei einer Wellenlänge von 1,55 µm und einer Arbeitsfrequenz von 60 GHz erreicht werden. Ein Vergleich mit anderen Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren aus der Literatur zeigt, daß die realisierten Wanderwellen-Photodetektoren zu den derzeit leistungsfähigsten optoelektronischen Wandlern im Millimeterwellenbereich gehören.

Betreuer	Jäger, Dieter; Prof. Dr.
Gutachter	Jäger, Dieter; Prof. Dr.
Gutachter	Laws, Peter; Prof. Dr.

Upload:	2001-01-08
URL of Theses:	http://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-5057/inhalt.htm

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