Simulation und Herstellung siliziumbasierter integriert-optischer Sternkoppler

Diplomarbeit von Christian Henke

Einleitung:

Die optische Nachrichtentechnik gewinnt in der Telekommunikation mit dem wachsenden Bedarf an hohen Übertragungsraten und der Globalisierung der Informationsverarbeitung an Bedeutung. Die Bauteile der integrierten Optik sind aufgrund ihrer Anwendungsmöglichkeiten innerhalb der optischen Nachrichtentechnik von großem Interesse, da bei Verteilungs- und Schaltfunktionen auf die Umwandlung in elektrische Signale verzichtet werden kann.

Das im Rahmen dieser Diplomarbeit betrachtete Bauteil, der passive optische Sternkoppler, findet vorwiegend in lokalen Netzen seine Anwendung.

Die hierbei verwendbaren Materialien müssen gewährleisten, dass die Lichtwellenleiter geringe Übertragungsverluste durch Dämpfung und Dispersion besitzen und reproduzierbar herzustellen sind. Die Möglichkeit der Kopplung an andere optische Komponenten wie Glasfasern, Lichtquellen und Photodetektoren ist ebenso wichtig. Diese Forderungen erfüllen verschiedene Substratmaterialien wie z. B. Glas, Polymere und nicht zuletzt Silizium.

Die Herstellung des Sternkopplers auf Siliziumsubstrat hat verschiedene Vorteile. Standardsiliziumwafer besitzen eine qualitativ hochwertige Oberfläche und sind deshalb ein geeignetes Substrat für optische Wellenleiter. Die Siliziumtechnologie ist gut erforscht und zur Abscheidung und Strukturierung der Lichtwellenleiterschichten kann auf Verfahren der Halbleitertechnologie zurückgegriffen werden. Ein weiterer Vorteil ist das einfach herzustellende, arteigene Oxid des Siliziums mit guten optischen Eigenschaften.

Aufgrund des großen finanziellen und zeitlichen Aufwandes ist es sinnvoll, vor der technologischen Realisierung eine simulatorische Opitimierung durchzuführen. Aus diesem Grund teilt sich diese Diplomarbeit zu etwa gleichen Teilen in einen simulatorischen und einen technologischen bzw. messtechnischen Teil auf.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen integriert optischen Sternkoppler auf Siliziumsubstrat herzustellen, der unabhängig von der Wahl des Einkoppelwellenleiters die eingekoppelte Leistung gleichmäßig auf alle Ausgangswellenleiter verteilt.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	4
2.	Der passive, optische Sternkoppler	5
2.1	Verwendungsmöglichkeiten von optischen Sternkopplern	5
2.1.1	Einsatz in sternartigen Netzen	5
2.1.2	Aufbau eines integriert-optischen 8x8-Sternkopplers	6
2.1.3	Einsatz in integriert-optischen Frequenzmultiplexern	9
2.1.4	Aufbau eines in Multiplexern verwendeten 8x20 Sternkopplers	10
3.	Simulation der Sternkoppler	13
3.1	Simulationsverfahren	13
3.1.1	Wide-Angel Beam Propagation Method (WABPM)	14
3.2	Simulation von 8x8 Sternkopplern	15
3.2.1	Verschiedene Parameter der Simulation	15
3.2.2	Ausgangspunkt für die Simulation	19
3.2.3	Variation des Radius R1 bzw. R2	23
3.2.4	Variation des Abstandes d zwischen den Wellenleitern	26
3.2.5	Variation der Taper	27
3.2.6	Der optimierte 8x8 Sternkoppler	27
3.2.7	Anpassung des optimierten 8x8-PECVD-Sternkopplers an technologische Bedingungen	29
3.2.8	Simulation von Sternkopplern mit S-Bends	31
3.3	Simulation von FHD-Sternkopplern zur Verwendung in optischen Multiplexern	34
4.	Maskenherstellung	37
4.1	Layouterstellung	37
4.1.1	Erzeugung einer AutoCAD lesbaren Script-Datei	37
4.1.2	Layout der Maskenstrukturen in den verschiedenen Feldern	40
5.	Technologie	43
5.1	Technologieübersicht	43
5.2	Herstellung der lichtführenden Schicht	43
5.3	Photolithographie	45
5.4	RIE-Ätzen der lichtführenden Schicht	48
5.5	Deposition der Deckschicht	49
5.6	Sägen der Wafer	50
6.	Messergebnisse	54
6.1	Dämpfungsmessung	54
6.1.1	Durchführung einer Dämpfungsmessung	55
6.2	Dämpfung gerader Wellenleiter der Schichtdicke 0,61µm	56
6.3	Dämpfung gerader Wellenleiter der Schichtdicke 0,35µm	57
6.4	Dämpfung eines Sternkopplers der Schichtdicke 0,6µm	58
6.5	Vergleich der Sternkopplerfunktion bei 1,3µm und 1,55µm Wellenlänge	63
6.6	Dämpfungsmessung an einem Sternkoppler der Schichtdicke 0,35µm	66
7.	Zusammenfassung und Ausblick	70
8.	Literaturverzeichnis	72
9.	Anhang	73
9.1	Verwendete Variablen	73
9.2	Messergebnisse	74