Simulation und Aufbau von Bauelementen und hochfrequenten optoelektronischen integrierten Schaltungen

Als zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Elektronenröhre erfunden wurde [1], war diese lange Zeit das Bauelement der Wahl, um schwache Signale nutzbar zu verstärken. Elektronenröhren wurden unter anderem dafür verwendet, die Verbreitung von Informationen durch das Radio für viele Menschen nutzbar zu machen. Erst 40 Jahre später im Jahre 1947 fanden Wiliam Shockley, John Bardeen and Walter Brattain eine Alternative zur Elektronenröhre mit der Entwicklung des ersten Halbleitertransistors [2, 3]. Damit legten sie die Grundlage für die Entwicklung von integrierten Schaltungen (eng. integrated circuits, IC)[4, 5]. Seither wurden Transistoren in ihrer Leistung und Zuverlässigkeit stetig verbessert [6]. Hinzu kommt eine zunehmende Miniaturisierung der Transistoren, so dass in heutigen integrierten Schaltungen bis zu einer Milliarde Transistoren eingesetzt werden [7]. Ein weiterer Meilenstein für die Kommunikation war 1960 [8] die Erfindung des Lasers und im Jahre 1962 [9, 10, 11, 12] die Entwicklung des Halbleiterlasers. Mit der Lasertechnologie in Kombination mit der Glasfasertechnik kam eine neue Möglichkeit hinzu, Daten zu transportieren. Die optische Kommunikation bietet im Gegensatz zur elektrischen Kommunikation eine weitaus kostengünstigere Alternative, die gleiche Datenmenge pro Zeiteinheit zu übertragen [13]. Hinzu kommt, dass die Glasfaser eine geringe Dämpfung, Immunität gegenüber elektromagnetischen Feldern und eine hohe Bandbreite im Vergleich zu elektrischen Leitungen besitzen [14]. Für die Kommunikation über Glasfaser ist am Besten das Licht im Wellenlängenbereich 1300nm und 1550nm geeignet. Dieser Wellenlängenbereich wird hervorragend durch die Bandl ückenenergie von III/V-Halbleitern, wie zum Beispiel Indium, Gallium / Arsenid, Phosphid (In, Ga / As, P) abgedeckt. Hier liegt der gro˙e Vorteil dieser III/V-Verbindung gegenüber dem kostengünstigeren Silizium (Si), welches in diesem Wellenlängenbereich transparent ist und somit nicht für den Empfang optischer Signale genutzt werden kann. Die Grundlagen für die optische Kommunikation wurden mit optoelektronischen integrierten Schaltungen (eng. optoelectronic integrated circuit, OEIC) auf Basis des InP-Systems gelegt. Der erste optoelektronische Empfänger für diesen Wellenlängenbereich wurde im Jahre 1980 [15] und der erste monolithisch integrierte elektroabsorbtionsmodulierte Laser sieben Jahre später vorgestellt [ 16].