Verbesserung Nichtlineare Kerr-Effekt in Siliziumnitrid Wellenleiter

• Antragsteller: Professor Dr. Kambiz Jamshidi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267234016

Durch die Entwicklung von CMOS kompatible Silizium Photonik Plattform können komplexere Funktionen realisiert werden. Die Kerr-Nichtlinearität ist ein Effekt, welcher für verschiedene Anwendungen der optischen Signalverarbeitung, wie beispielsweise das Abtasten eines optischen Signal, die parametrische Verstärkung, die Wellenlängenumwandlung, usw. genutzt werden kann. Bisher wurde dieser Effekt in optischen Fasern verwendet. In naher Zukunft kann die Kerr-Nichtlinearität auch für integrierte Signalverarbeitungszwecke genutzt werden. Für diesen Zweck wurden zunächst Wellenleiter aus Silizium untersucht. Da in Silizium die Zwei-Photonen-Absorption (TPA) stark ist, ist die akkumulierte nichtlineare Phasenverschiebung wenige Radiant begrenzt. Obwohl Siliziumnitrid einen geringeren Kerr-Nichtlinearitätskoeffizienten als Silizium aufweist, aufgrund des deutlich geringeren TPA Koeffizienten, hat Siliziumnitrid das Potenzial eine höhere akkumulierte nichtlineare Phasenverschiebung aufzuweisen.Der Fokus dieses Projektes liegt darin die akkumulierte nichtlineare Phasenverschiebung, welche durch den Kerr-Effekt in Siliziumnitrid Wellenleitern verursacht wird, zu maximieren. Dabei werden langsame Lichtstrukturen (slow-light structures) untersucht, um das optische Feld innerhalb des Wellenleiters zu verstärken und einen Faktor der Verlangsamung zu generieren, der die Kerr-Nichtlinearität intensivieren würde. Unter den verschiedenen langsamen Lichtstrukturen betrachten wir gerippte Wellenleiter (ein eindimensionaler Photonischer kristall), zweidimensionale Photonischer kristall mit Leitungsdefekten und gekoppelte Ringresonatoren. Zudem werden zur weiteren Verbesserung des Kerr-Nichtlinearitätskoeffizienten gemischte Kombinationen aus Silizium und Siliziumnitrid untersucht, da beide auf Silizium-auf-Isolator Wafer in einer CMOS-Fab hergestellt werden können. Mit Hilfe die analytischen Modelle, basierend auf einer intensiven Literaturrecherche, wird das Design der langsamen Lichtstrukturen erstellt. Die intensive numerische Simulation wird durchgeführt um die entwickelte Wellenleiterstruktur zu analysieren und deren Robustheit in der Fertigungstoleranz zu bestimmen. Die Strukturen werden soweit vorbereitet, dass diese Entwürfe für tape-out versendet werden und letztlich die fabrizierte Struktur charakterisieren. Wir sind gewillt die ultimativen Grenzen der Slow-light Strukturen zu finden, um den Weg für die optische Signalverarbeitung unter Nutzung der Kerr-Nichtlinearität in Siliziumnitrid-Wellenleitern zu ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Klaus Petermann, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Dirk Plettemeier