Hohe Auszeichnung für Masterarbeit Alfred-Kuhlenkamp-Preis 2017 verliehen

Der Alfred-Kuhlenkamp-Preis zeichnet herausragende wissenschaftliche, konstruktive oder experimentelle Arbeiten der ­Mikro- und Feinwerktechnik aus. 2017 wurde Sebastian Schweitzer für seine Master-Arbeit über die Optimierung von MQW-Designs für MZI-Modulatoren geehrt.

Bei den Bewerbungen um den Alfred-Kuhlenkamp-Preis akzeptiert die GMM ganz unterschiedliche Arbeiten:

  • Originelle, wissenschaftlich-schöpferische Arbeiten.
  • Überzeugend gelungene Konstruktionen, auch ohne überwiegend wissenschaflich-theoretischen Inhalt oder
  • die Erarbeitung von verfahrenstechnischen neuen Lösungen.

Den Alfred-Kuhlenkamp-Preis 2017 bekam Sebastian Schweitzer in Würdigung seiner Masterarbeit zum Thema „Theoretical and Experimental Study of Multi-Quantum-Wells for high-speed Mach-Zehnder-Modulators“.

Der mit 3000 Euro dotierte Preis wurde im Rahmen des MikroSystemTechnik-Kongresses 2017 verliehen.

Datenübertragungs-Verluste verringern

Durch Cloud-Dienste und das Internet der Dinge müssen immer größere Datenmengen bewegt werden. Deshalb muss auch die Datenübertragungs-Hardware permanent weiterentwickelt werden. Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut stellt Mach-Zehnder-Interferometer- (MZI-) Modulatoren her, die zum Wechsel von elektrischer zu optischer Datenübertragung mit Lichtgeschwindigkeit eingesetzt werden.

In seiner Arbeit untersuchte Sebastian Schweitzer den Einfluss von Änderungen des Designs eines solchen MZI-Modulators auf dessen Leistungsindikatoren Bandbreite, optischer Verlust und Schaltspannung.

Darüber hinaus zeigte er Verbesserungsmöglichkeiten bezüglich der Leistungsindikatoren auf. Die Bandbreite ist eine Referenz für die Menge an Daten, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters übertragen werden kann. Der optische Verlust und die Schaltspannung definieren den Energiebedarf für den Betrieb des MZI-Modulators.

Bei sehr geringen Schaltspannungen ist kein teurer Hochleistungsverstärker nötig, wodurch die Betriebskosten und unerwünschte Abwärme reduziert werden. Die elektrooptische Effizienz des MZI-Modulators bestimmt die tatsächlich für den Betrieb notwendige Schaltspannung.

Modifikation der Quantentöpfe

Da der Wellenleiter des Modulators Multi-Quantum-Wells (MQWs) enthält, ist der dominierende elektrooptische Effekt der Quantum-Confined Stark Effect (QCSE). Folglich hat eine Modifikation der MQWs einen starken Einfluss auf den optischen Verlust und die Schaltspannung. Deshalb untersuchte Schweitzer, welche Änderungen der Geometrie und der Materialkomposi­tion der MQWs die Leistung des MZI-Modulators verbessert.

Das Bild veranschaulicht den Einfluss, den eine Änderung der Geometrie oder der Materialkomposition auf den Quantentopf hat, nämlich sowohl auf die räumliche Lokalisierung der Wellenfunktionen als auch auf die Übergangsenergie zwischen Elektronen und Löchern. Um die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des MZI-Modulators zu bestimmen, sind detaillierte Simulationen und Messungen des daraus resultierenden Absorptions- sowie Brechungsindex­verhaltens der MQWs erforderlich.

Im Rahmen von Schweitzers Arbeit wurden drei neue MQW-Designvorschläge realisiert. Dabei zeigte sich, dass noch drei weitere Effekte für eine korrekte Vorhersage der Modulator-Leistung berücksichtigt werden müssen:
Unerwünschtes Dotiermaterial führt zu einer inhomogenen elektrischen Feldverteilung innerhalb der MQWs.

Die Absorption von Photonen erzeugt während des Modulator­betriebs einen Fotostrom entlang der Fotodiode. Dieser Fotostrom verringert aufgrund nicht verschwindender Widerstände die tatsächlich an der Steuerelektrode anliegende Gleichspannung.

Der MZI-Modulator wird in der Regel im Push-Pull-Betrieb eingesetzt. Das führt dazu, dass die beiden MZI-Arme unterschiedlichen Spannungen ausgesetzt sind und daher auch das darin befindliche Licht unterschiedlich stark dämpfen.
Durch die Berücksichtigung der drei zusätzlichen Effekte ist es Schweitzer gelungen, den optischen Verlust des MZI-Modulators für verschiedene MQW-Designs korrekt vorherzusagen.

Für eine abschließende Bewertung der Vorhersagen für die Schaltspannung sind noch weitere Untersuchungen notwendig. Trotzdem zeigten bereits zwei der gemessenen MQW-Designs eine bessere Gesamtleistung als das ursprüngliche MQW-Design.

 

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