Monolithisch integrierte Sende-/Empfangskomponenten für kostengünstige bidirektionale optische Übertragungssysteme
Final Report Abstract
In dem hier berichteten Projekt haben wir uns intensiv mit der monolithischen Integration von Vertikallaserdioden (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) und Fotodetektoren beschäftigt. Es wurden zahlreiche Generationen von Transceiver (TRA)-Chips hergestellt und charakterisiert. Die Resultate der optischen Datenübertragung im üblichen Wellenlängenbereich von 850 nm über Glasfasern mit 200. 100 oder 50 Mikrometer Kerndurchmesser haben mit Datenraten im Bereich mehrerer Gbit/s und der erstmaligen Ermöglichung des Voltduplex-Betriebs völlig neue Standards gesetzt. In der Literatur wurden bereits früher Ansätze monolithischer Integration von VCSEL und Fotodiode berichtet. Für praktische Einsätze kommen allerdings nur diejenigen in Frage, die eine räumliche als auch epitaktische Trennung beider Bauelemente vorsehen. Die von der VCSEL-Schichtstruktur separaten Schichten für die Fotodiode ermöglichen eine nichtresonante Lichtdetektion und somit eine größere spektrale Toleranz gegenüber einfallender Strahlung. Als möglicher Nachfolger für MOST-Netzwerke (media-oriented systems transport) in Automobilen, welche auf rot emittierenden Leuchtdioden und Polymerfasern (POF) aufbauen, wurden VCSEL-basierte Transceiver-Chips mit integrierten Metall-Halbleiter-Metall (MSM)-Fotodioden für den Einsatz mit PCS- (polymer-clad silica) Fasern mit 200 Mikrometer Kerndurchmesser entwickelt. Die große Temperaturbeständigkeit dieser Faser insbesondere gegenüber der PMMA-Plastikfaser sowie ihr höheres Bandbreiten-Längen-Produkt machen sie zu einer besseren Wahl für die Anwendungen im Automobilbereich. Ihr für Multimodefasern (MMF) relativ großer Kerndurchmesser erlaubt außerdem großzügige Justagetoleranzen. Mit 210 Mikrometer großen Chips wurden fehlerfreie Datenraten von 0,5 Gbit/s über eine 50 m lange Semi-Gradientenindex PCS-Faser im Vollduplex-Betrieb übertragen (1 Gbit/s im Halbduplex-Betrieb, 4 Gbit/s bei Freistrahlübertragung). Zahlreiche optische Verbindungsstrecken z.B. in Industrienetzwerken bedürfen jedoch größerer Übertragungsdistanzen bei gleichzeitig höheren Datenraten. Als nächster Schritt wurden somit Gradientenindex- (GI-)Glasfasern mit 100 Mikrometern Kerndurchmesser und einem höheren Bandbreiten-Längen-Produkt anvisiert. Die dadurch zwingend notwendige Miniaturisierung der Transceiver-Chips verringert die parasitären Effekte insbesondere in der Fotodiode und erhöht dadurch ihre maximal erreichbare Grenzfrequenz. Wir konnten Vollduplex-Datenraten von 2,5 Gbit/s über 50 m Distanz und 0,5 Gbit/s über 300 m demonstrieren (5 Gbit/s Halbduplex im Freistrahlbetrieb). Entsprechende TRx-Chips mit 110 Mikrometern aktivem Durchmesser und zentriertem VCSEL haben wir auch erfolgreich zur Vollduplex-Übertragung von 1 Gbit/s über 500 m GI-MMF mit 50p.m Kerndurchmesser eingesetzt, was allerdings wegen der Größen-Fehlanpassung eine sehr sorgfältige Ausrichtung von Faser und Chips mit Quasi-Stoßkopplung ohne externe Optiken erforderte. Für die in weiten Teilen der Gebäudeverkabelung benutzten Standard-GI MMF mit Kerndurchmessern von 62,5 und 50 Mikrometern stand die im zweiten zweijährigen Förderabschnitt angegangene weitere Verkleinerung von Transceiver-Chips vor einigen Schwierigkeiten. Die bisherige Miniaturisierung betraf vor allem die aktive Fläche der MSM-Fotodiode, weil sie im Vergleich zur VCSEL-Mesa den größten Anteil des Transceiver-Chips ausmacht. Da somit bei einer zunehmenden Miniaturisierung das Verhältnis der Flächen von Detektor und VCSEL immer weiter abnimmt, muss die Empfindlichkeit des Fotodetektors ansteigen, um noch genügend Signal generieren zu können. MSM-Fotodioden, die durch ihre planare Fingerkontaktstruktur bis zu 30% des einfallenden Lichtes abschatten, wurden somit durch empfindlichere pin-Fotodioden ersetzt. Die daraus resultierende Änderung in der Schichtstruktur stellte auch die Prozessierung vor einige Herausforderungen. Durch die vertikale Anordnung beider Kontakte in der pin-Struktur ist ein weiterer selektiver Ätzschritt nötig. Die noch engere Integration beider Bauelemente in VCSEL-pin-Chips erforderte einen Wechsel vom nasschemischen Ätzen zum Trockenätzen. Hierfür war eine Entwicklung von neuen selektiven Trockenätzverfahren notwendig, welche anschließend mit selektivem nasschemischem Ätzen kombiniert wurden. Auch weitere Prozessschritte mussten nun an die viel größere Oberflächentopografie (Höhenunterschied entlang der Oberfläche) neuer pin-Transceiver-Chips angepasst werden. Der höhere Prozessierungsaufwand monolithisch integrierter pin-Chips im Vergleich zu MSM-Transceiver-Chips kann nichtsdestotrotz durch eine Reihe überaus erfolgreicher Ergebnisse aufwarten. So war mit VCSEL-pin-TRx mit einem Fotodiodendurchmesser von 60 Mikrometern(angepasst an 50 Mikrometer MMF) Freistrahlübertragung im Vollduplex-Modus mit bis zu 11 Gbit/s möglich. Über eine 500 m lange 50 Mikrometer Gl MMF mit einem Bandbreiten-Längen-Produkt von ca. 2 GHz X km konnten 6 Gbit/s im Halbduplex- und 7 Gbit/s im Vollduplex-Modus demonstriert werden.
