Wellenleiterstrukturen und -Komponenten für mehrlagige integriert-optische SOI-Systeme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Müller
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 15008671

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Vorhaben wurde der Nachweis erbracht, dass statt der Nutzung kristallinen Siliziums, die sehr vielseitige und preisgünstige Methode der PECVD-Abscheidung für die Herstellung von verlustarmen amorphen Wellenleiterstrukturen- und Komponenten verwendet werden kann. Es wurden unterschiedliche verlustarme Wellenleitertypen untersucht und optisch charakterisiert. Neben monomodigen Rippenwellenleitern wurden verschieden breite, 200nm hohe Streifenwellenleiter und „photonic wires“ hergestellt. Die Messung der Ausbreitungsverluste für diese Wellenleiter erfolgte mit der Streulicht- und Rückschnittmethode und zeigt Verluste von ca. 2dB/cm für die Rippenwellenleiter und ca. 7,5dB/cm für die „photonic wires“. Um hohe Koppelverluste zwischen sub-µm Wellenleitern und einkoppelnder Faser zu reduzieren, wurden 3-dimensionale Taper simuliert, numerisch entwickelt und mit einem neuartigen Verfahren hergestellt. Dazu wurde eine Maske in einem KOH-Ätzprozess strukturiert, um diese als Schattenmaske für die Abscheidung des Tapers zu verwenden. Der Taper erlaubt eine allmähliche Aufweitung des Modenfeldes und somit eine verbesserte Ankopplung an optische Fasern. Des Weiteren ist untersucht worden, ob durch ganzflächiges oder lokales thermisches Nachbehandeln mit RTP-Verfahren bzw. mit energiereichen Laserpulsen ein bezüglich Ladungsträger-Lebensdauer, thermischer Stabilität, Absorption und Brechungsindex für optische Komponenten und Systeme verbessertes Wellenleitersystem erzeugt werden kann. Messungen des amorphen Schichtindexes mit Hilfe eines Ellipsometers zeigen, dass durch thermische Ausheilung verschiedene Brechungsindizes eingestellt werden können und somit Möglichkeiten zur Abstimmung von Filtern und Kopplern geschaffen sind. Ramanspektroskopische Messungen zeigen den Übergang in eine kristalline Phase.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Amorphous Silicon Spot-Size Converters Fabricated with a Shadow Mask; 5th International Conference on Group IV Photonics ; Sorrento, Italy, 17-19 September (Paper ThP 23; pp 311-313)
  T. Lipka, A. Harke, O. Horn, J. Amthor, J. Müller, M. Krause
  
• Silicon Photonic Wires Using Contact Lithography; 5th International Conference on Group IV Photonics; Sorrento, Italy, 17-19 September (Paper ThP5; pp 259-261)
  O. Horn, J. Mueller, T. Lipka, J. Amthor
  
• The Elasto-Optic and the Thermo-Optic Effect in Silicon Nanowires; 5th International Conference on Group IV Photonics ; Sorrento, Italy, 17-19 September (Paper ThP7; pp 265-267)
  J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, J. Mueller
  
• Amorphous Silicon 3-D Tapers for Si Photonic Wires Fabricated With Shadow Masks; IEEE Photonics Technology Letters, vol. 20, no. 17; September 1, 2008
  A. Harke, T. Lipka, J. Amthor, O. Horn, M. Krause, and J. Müller
  
• Fabrication of Silicon Photonic Wires Using Contact Lithography and Thermal Oxidation; Workshop on Tunable and Active Silicon Photonics; Hamburg, Germany, 28-30 September (Paper Su7), (2008)
  O. Horn, J. Amthor, T. Lipka, J. Mueller
  
• Optical Components abricated with Amorphous Silicon; Workshop on Tunable and Active Silicon Photonics; Hamburg, Germany, 28-30 September (Paper Su6), (2008)
  T. Lipka, O. Horn, J. Amthor, J. Mueller
  
• Thermo-optic and Elasto-optic Tuning of Silicon Nanowires; Workshop on Tunable and Active Silicon Photonics; Hamburg, Germany, 28-30 September (Paper Su8), (2008)
  J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, J. Mueller
  
• Amorphous silicon as high index photonic material; SPIE Europe Microtechnologies for the New Millennium; Dresden; Germany, 2009
  T. Lipka, O. Horn, J. Amthor, J. Mueller
  
• Amorphous waveguides for high index photonic circuitry; OFC/NFOEC 2009; San Diego, USA, 2009
  T. Lipka, A. Harke, O. Horn, J. Amthor, J. Mueller
  
• Thermo-optic and Elasto-optic Tuning of Silicon Nanowires; SPIE Europe Microtechnologies for the New Millennium; Dresden; Germany, 2009
  J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, J. Mueller
  
• Tunable Silicon Photonic Wires Fabricated by Contact Lithography and Thermal Oxidation; SPIE Europe Microtechnologies for the New Millennium; Dresden; Germany, 2009
  O. Horn, J. Amthor, T. Lipka, J. Mueller