Hoch und niedrig dispersive periodische und aperiodische mikrophotonische Strukturen in Silicon-On-Insulator

• Antragsteller: Professor Dr. Manfred Eich
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 15008671

Das wissenschaftliche Ziel des beantragten Projektes ist die theoretische und experimentelleEntwicklung von Verfahren zur abstimmbaren Frequenzverschiebung und Zeitverzögerungbasierend auf einer auf dem Chip mittels geführter Wellen erfolgenden Modulation desBrechungsindex in SOI Strukturen. Solche Effekte werden in der Literatur als "dynamisch"bezeichnet. Die Modulation hat einen solchen dynamischen Effekt, wenn sie innerhalb einerZeitdauer erfolgt, die kürzer ist als die Signallebensdauer innerhalb der Struktur. Damit bleibtdie Phaseninformation des Signals erhalten, während sich Frequenz und Bandbreite an diegeänderte Struktur anpassen. Resonatoren und Slow Light Strukturen sollen eingesetztwerden, um die Signallebensdauer zu verlängern und damit mit Pumppulsen von 1-10 psdynamisch zu schalten. Die dynamische Modulation des Brechungsindex kann sowohloptooptisch durch Änderung der Konzentration freier Ladungsträger in Silizium aufgrund vonZwei-Photonen-Absorption (TPA) oder durch den Kerr-Effekt, als auch elektrooptisch durchden Pockels-Effekt in mit nichtlinear optischen (NLO) Polymeren funktionalisiertenSiliziumstrukturen erreicht werden. Bei der dynamischen Manipulation von optischenResonatoren wird die Frequenz von optischen Signalen verschoben und/oder die Bandbreitedes Signals geändert. Durch die Entwicklung von hoch resonanten photonischen Strukturenauf der Basis von Ringresonatoren und photonischen Kristallen (PhK) können zurdynamischen Modulation bereits Pulsdauern im zehn Pikosekundenbereich verwendetwerden. Erste experimentelle Arbeiten weisen die dynamische Frequenzverschiebung in SOIbasierten Ring- und PhK-Resonatoren als auch die dynamische Speicherung in gekoppeltenRing- und PhK-Resonatoren nach. Den bisher verfolgten Konzepten liegt zugrunde, dass diePumpwelle freistrahloptisch auf den Chip einwirkt, mit allen damit verbundenen Nachteilenhinsichtlich Komponentengröße und Justageaufwand. Das hier zu verfolgende neuartigeKonzept setzt daher auf optooptische Abstimmung mit wellenleitergeführten Pump- undSignalwellen und auf einer Lösung mittels elektrooptischem Effekt. Die geplante optooptischeAbstimmung erfolgt durch die Erzeugung freier Ladungsträger in Silizium oder durch dieNutzung des optischen Kerr-Effektes in nichtlinear optischen Polymeren, die in geschlitztenSOI basierten Wellenleitern eingebracht werden. Wesentlich bei geschlitzten Wellenleiternist, dass eine starke Erzeugung von freien Ladungsträgern vermieden wird. Mit Slow LightStrukturen und mit Resonatoren lässt sich lokal an den Stellen, wo die optooptischeModulation stattfinden soll, gezielt die optische Intensität anheben, um eine ausreichendeVerschiebung des Brechungsindex zu erzeugen, während die Intensität in denZuführungswellenleitern niedrig bleiben kann. Jedoch sollen die von uns zu konzipierendenStrukturen für die Pumpfrequenz keine starke Resonanz besitzen, um die zeitlicheAusdehnung des Pumppulses nicht zu stark zu vergrößern und die Schaltzeiten im Bereichvon Pikosekunden zu halten. Diese Optimierung soll untersucht werden. Demnach muss dieStruktur zwei unterschiedliche Resonanzen bei Pump- und Signalfrequenz sowie einenhinreichend hohen Q-Faktor für die Signal- bei niedrigem Q-Faktor für die Pumpwelleaufweisen. Damit sollte der Brechungsindex im Resonator schneller verändert werdenkönnen, als die Signalwelle den Resonator verlassen kann. Das Konzept wird implementiertdurch angepasste Ringresonator- und PhK Strukturen. Eine andere Möglichkeit besteht in derKombination von PhK Resonatoren und Slow Light Wellenleitern. Die Pumpwelle wird durchden Slow Light Effekt gebremst, um gezielt und lokal die Intensität anzuheben und entwederdie freien Ladungsträger zu erzeugen oder einen starken Kerr-Effekt zu verursachen. Dabeimüssen die diesen verschiedenen Mechanismen eigenen Zeitkonstanten berücksichtigtwerden. Es ist beabsichtigt, eine Frequenzverschiebung im Bereich von 100 GHz und eineSpeicherzeit im Bereich von 100 ps zu demonstrieren. Um die Frequenz eines Signals imSlow Light Wellenleiter elektrooptisch zu verschieben, muss dessen optische Strukturwährend der Ausbreitungszeit des Signals geändert werden, damit sich die Welle während derÄnderung noch vollständig innerhalb des Wellenleiters befindet. Diese Frequenzverschiebungist lediglich abhängig von der Modulationsstärke, d.h. von der angelegten Spannung. Mit denheute verfügbaren Materialien sollte bei einer Modulationsfrequenz von 10 GHzspannungsabhängig eine von 0 bis 100 GHz abstimmbare Frequenzverschiebung erzielbarsein. Es besteht eine starke Verknüpfung mit Teilprojekt E1 im Bereich Design undFunktionalisierung für hochfrequente elektrooptische Modulation und Ankopplung derMikrowellensignale. Im Projekt E1 sollte der beantragte Mode Locked Laser auch für dieCharakterisierung der schnellen optischen Gleichrichtung eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 653: Aktive und abstimmbare mikrophotonische Systeme auf der Basis von Silicon-On-Insulator (SOI)
• Großgeräte: Mode Locked Laser ; Optisches Sampling Oszilloskop
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser ; 6200 Elektronenstrahl-Oszilloskope (Normalröhre)