Waveguide-integrated germanium photodetector design and optimization for sensing and telecom applications
Dalgakılavuzu ile tümleşik germanyum fotodedektörlerin sensör ve telekom uygulamaları için tasarım ve optimizasyonu
- Tez No: 704675
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET CENGİZ ONBAŞLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Gelişen teknoloji ile birlikte elektronik donanımlar, yeni uygulamaların gerektirdiği yüksek hızlara ve yüksek verimliliğe ulaşamaz hale gelmiştir. Bu problemin çözümü için silikon fotonik tümleşik devre teknolojisi öne sürülmüştür. Bu alanda fotodedektörler silikon fotonik teknolojisinin temel taşlarından biridir. Silikon fotoniğin ilk yıllarında fotodedektörler esas olarak fiber optik telekom uygulamaları için tasarlanmıştır. Silikon fotoniği ve fotodedektörler sensörler, kameralar, LIDAR ve fotovoltaikler gibi başka birçok uygulamada kullanılabilir. Bu tezde, dalgakılavuzu ile tümleşik germanium VPIN fotodedektörlerin geometrik optimizasyonu üzerine çalışılmıştır. İki farklı uygulama alanı için iki farklı fotodedektör tasarımı simülasyonlarla birlikte geliştirilmiştir. İlk tasarım, optik zaman alanında yansıtıcı sensör uygulamalarında kullanılabilen, 0V gerilimli çalışmada ultra yüksek duyarlılığa (1.17\ AW^{-1}) ve ultra düşük gürültüye (48.38\ nW NEP) sahip bir fotodedektördür. Bu fotodedektör, 500\ nm kalınlığında, 2.5\ \mu m genişliğinde ve 100\ \mu m uzunluğunda bir Ge katmanına sahiptir. Geniş bir dinamik aralığa (55.76\ dB) sahiptir ve uzun mesafeli OTDR uygulamalarında yüksek kontrastlı okumaya izin verebilir. İkinci fotodetektör, -2V ters gerilimde 84.26\ GHz bantgenişliği ile 0.972 AW^{-1}\ duyarlılığı gösteren 300\ nm kalınlığında, 2\ \mu m genişliğinde ve 10\ \mu m uzunluğunda Ge katmanına sahiptir. Ultra yüksek bant genişliğine, yüksek duyarlılığa ve düşük karanlık akıma (8.67\ nA) sahip olması nedeniyle, 400G-BASE-DR4 ethernet standardı gibi son teknoloji telekom uygulamaları için uygundur. Bu tasarımlar ve tasarım yönergelerimiz, sensör, telekom ve görüntüleme uygulamalarında üstün ve rafine performansa sahip, optimize edilmiş silikon dalga kılavuzu ile entegre germanyum fotodedektörlerin yolunu açabilir.
Özet (Çeviri)
With the developing technology, electronics has become unable to reach the high speeds and high efficiency required by new applications. Silicon photonic integrated circuit technology has been proposed to solve this problem. As part of silicon photonics, photodetectors are one of the cornerstones of silicon photonics technology. In the early years of silicon photonics, photodetectors were mainly designed for fiber optical telecom applications. Silicon photonics and photodetectors can be used in many other applications such as sensors, cameras, LIDAR, and photovoltaics. In this thesis, geometric optimization of waveguide integrated Ge VPIN photodetectors has been studied. Two different photodetector designs were developed with simulations for two different application types. The first design is a photodetector having ultra-high responsivity (1.17\ AW^{-1}) and ultra-low noise (\ 48.38\ nW NEP) at 0V bias operation that can be used in optical time domain reflectometer sensor applications. This photodetector adopts a 500\ nm-thick, 2.5\ \mu m-wide and 100\ \mu m-long Ge layer. It has a wide dynamic range (55.76\ dB) and could allow for high contrast readout in long-haul OTDR applications. The second photodetector adopts a 300\ nm-thick, 2\ \mu m-wide, and 10\ \mu m-long Ge layer showing a 0.972 AW^{-1} responsivity with a bandwidth of 84.26 GHz at -2V bias. Due to having ultra-high bandwidth, high responsivity, and low dark current (8.67\ nA), it could be suitable for state-of-the-art telecom applications such as the 400G-BASE-DR4 ethernet standard. These designs and our design guidelines could pave the way for optimized silicon waveguide-integrated germanium photodetectors with superior and refined performance in sensing, telecom, and imaging applications.
Benzer Tezler
- Optik dalga kılavuzu dizinleri vasıtasıyla ışığın kuplaj ve soğurulma verimliliklerinin arttırılması
Efficiency enhancement of light coupling and absorption with optical waveguide arrays
YUSUF ABDULAZİZ YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMZA KURT
- Silicon based dielectrics: Growth, characterization, and applications in integrated optics
Silisyum tabanlı dielektrikler: Tümleşik optikte kullanıma yönelik büyütme ve inceleme
FERİDUN AY
Doktora
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Low dimensional structures for electrical and optical applications
Düşük boyutlu yapıların elektrik ve optik uygulamaları
İMRAN AKÇA
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Dalga kılavuzu entegreli grafen – SOI tabanlı fotodiyot üretimi ve karakterizasyonu
The fabrication and characterization of waveguide integrated graphene - SOI based photodiode
ELANUR SEVEN
Doktora
Türkçe
2021
Mühendislik BilimleriAtatürk ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL
PROF. DR. ELİF ORHAN
- Theoretical and experimental investigation of 3D plasmonic stub resonators
Üç boyutlu plazmonik çubuk tınlayıcıların teorik ve deneysel analizi
SOLMAZ NAGHIZADEH
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ŞÜKRÜ EKİN KOCABAŞ