DE102007031841A1 - Multi-band coupler structure for e.g. power splitter, has surface plasmon polariton gap wave guide with common layer of metal across entire coupling area, where metallic layer has thickness less than preset value - Google Patents

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Abstract

The coupler structure has a surface plasmon polariton gap waveguide (SPP-GWG) provided with a dielectric layer. A nano-optical waveguide is coupled in a coupling area. The gap waveguide comprises a common layer of metal across the entire coupling area. A set of waveguides is provided for transferring electromagnetic energy. The metallic layer has a thickness less than 50 nanometers such that adjacent active boundary layers of the different waveguides in the coupling area are distant from each other in the coupling area.

Description

Die Erfindung betrifft Kopplerstrukturen für den Einsatz in nanooptischen integrierten Schaltungen. Die Koppler basieren auf gezielt angeregten Moden von Plasmaschwingungen in Grenzschichten zwischen Dielektrika und Metallen im Zusammenhang mit Oberflächen Plasmon Polaritonen (Surface Plasmon Polaritons, SPP).The The invention relates to coupler structures for use in nano-optical integrated circuits. The couplers are based on specifically excited modes of plasma oscillations in boundary layers between Dielectrics and metals related to surfaces Plasmon Polaritons (Surface Plasmon Polaritons, SPP).

Die Anregung von SPP zur Manipulation von Lichtfeldern ist bekannt. Eine Übersicht dazu wird von Aussenegg und Ditlbacher in dem Artikel: Nanooptik – Plasmonen als Lichttransporter. In: Physik in unserer Zeit, Ausgabe 5, (2006), Vol. 37, pp. 220-226 , gegeben.The excitation of SPP to manipulate light fields is known. An overview will be provided by Aussenegg and Ditlbacher in the article: Nanooptik - Plasmons as Light Transporter. In: Physics in Our Time, Issue 5, (2006), Vol. 37, pp. 220-226 , given.

Als Plasmonen bezeichnet man die kollektive Anregungen von freien Elektronen in Metallen zu Plasmaschwingungen gegen die Ionenrümpfe. Als quantenmechanische Quasiteilchen stellen sie Dichteschwankungen von Ladungsträgern dar, repräsentieren also Schwingungen im Fermigas von Metallen.When Plasmons are the collective excitations of free electrons in metals to plasma oscillations against the ion hulls. As quantum mechanical quasiparticles, they pose density fluctuations of charge carriers, so represent vibrations in the FermiGas of metals.

Ein Polariton ist ein Quasiteilchen, das bei Wechselwirkung einer elementaren Anregung im Festkörper (Plasmonen) mit elektromagnetischen Feldern (Photonen) auftritt.One Polariton is a quasiparticle that interacts with an elementary Excitation in the solid state (plasmon) with electromagnetic fields (Photons) occurs.

Oberflächenplasmonen stellen Oberflächenwellen dar, bei denen die longitudinalen elektrischen Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Die resultierende Feldstärke ist im Raum über der metallischen Oberfläche messbar. 1 zeigt schematisch den typischen Verlauf der elektrischen Feldstärke, wie er von solchen Plasmaschwingungen entlang einer Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum hervorgerufen wird.Surface plasmons are surface waves in which the longitudinal electrical vibrations are excited parallel to the surface of a metal. The resulting field strength is measurable in the space above the metallic surface. 1 schematically shows the typical course of the electric field strength, as caused by such plasma oscillations along an interface between metal and dielectric.

SPP lassen sich mit kohärentem Licht (LASER) anregen. Aufgrund ihrer Dispersionsrelation muss dazu der Wellenvektor des anregenden Lichtes angepasst werden. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen. Bekannte Verfahren sind die Prismenkopplung nach Otto bzw. Kretschmann-Räther, die Anregung an lokalen Defekten der Metalloberfläche und die Gitterkopplung. Ein weiteres effizientes Verfahren ist die sogenannte End-fire-Technik, die von Stegeman, Wallis und Maradudin in dem Artikel: Excitation of surface polaritons by end-fire coupling. In: Optics Letters, Ausgabe 7, (1983), Vol. 8, pp. 386-388 , erstmalig beschrieben wird.SPP can be stimulated with coherent light (LASER). Due to its dispersion relation, the wave vector of the exciting light has to be adapted for this purpose. This can be done in different ways. Known methods are the prism coupling according to Otto or Kretschmann-Räther, the excitation of local defects of the metal surface and the lattice coupling. Another efficient method is the so-called end-fire technique used by Stegeman, Wallis and Maradudin in the article: Excitation of surface polaritons by end-fire coupling. In: Optics Letters, Issue 7, (1983), Vol. 8, pp. 386-388 , first described.

Eine auf herkömmlichen optischen Konzepten basierende Nanooptik ist wegen der Gültigkeit des Abbe-Limits nicht realisierbar. Die Ausbreitung von Lichtfeldern ist wegen der Beugung des Lichtes in klassischen optischen Elementen unmöglich, deren Abmessungen kleiner als die halbe Lichtwellenlänge ist.A Nano-optics based on conventional optical concepts is not feasible due to the validity of the Abbe limit. The propagation of light fields is due to the diffraction of the light in classic optical elements impossible, their dimensions is less than half the wavelength of light.

Mit Hilfe der Anregung von SPP durch (modulierbares) LASER-Licht können jedoch auch Lichtfelder, mit einer transversalen Ausdehnung die signifikant kleiner als die halbe Lichtwellenlänge ist, existieren. Dadurch ist eine gezielte Lichtfeldmanipulation im Subwellenlängenbereich entgegen der ursprünglichen Beschränkungen durch das Abbe-Limit überhaupt erst möglich.With Help the excitation of SPP by (modulatable) LASER light can but also light fields, with a transversal extension the is significantly less than half the wavelength of the light, exist. As a result, a targeted light field manipulation in the sub-wavelength range contrary to the original restrictions the abbe limit is possible in the first place.

Die Problematik mit dem Abbe-Limit wird durch Krenn und Aussenegg in dem Artikel: Nanooptik mit metallischen Strukturen – Über den Umgang mit Licht jenseits des Abbe-Limits. In: Physik Journal 1 (2002) Nr. 3, pp. 39-45 , ausgiebig erörtert.The problem with the Abbe limit is by Krenn and Aussenegg in the article: Nano-Optics with Metallic Structures - On Handling Light Beyond the Abbe Limits. In: Physics Journal 1 (2002) No. 3, pp. 39-45 , extensively discussed.

SPP sind an die Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum gebunden. Die laterale Ausdehnung der Felder hängt dabei von der Wellenlänge des anregenden Lichtstrahls und in hohem Maße von der jeweiligen Materie ab. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die mittlere Eindringtiefe in Metall deutlich geringer ist, als in einem Dielektrikum.SPP are at the interface between a metal and a Dielectric bound. The lateral extent of the fields hangs thereby of the wavelength of the stimulating light beam and highly dependent on the respective matter. in principle can be found that the average penetration depth in metal is significantly lower than in a dielectric.

Dabei wird als Maß für die Eindringtiefe der Abfall der Amplitude der jeweiligen Feldstärke auf den 1/e – ten Teil betrachtet.there is used as a measure of the penetration depth of the waste the amplitude of the respective field strength on the 1 / e - th Part considered.

2 zeigt schematisch die unterschiedlichen materialabhängigen Eindringtiefen der mit den Plasmaschwingungen verknüpften lateralen magnetischen Feldstärke. Als Metalle werden derzeit vorzugsweise Edelmetalle wie Gold oder Silber verwendet. Für Silber beträgt die mittlere Eindringtiefe des magnetischen Feldes der Plasmaschwingungen bei einer Wellenlänge des anregenden Lichtes von 780 nm (nahes Infrarot) etwa 30 nm. In einem typischerweise für die technologische Herstellung der verwendeten Grenzfläche verwendeten Dielektrikum wie Siliziumdioxid (SiO2) beträgt die mittlere Eindringtiefe des magnetischen Feldes der Plasmaschwingungen bei einer Wellenlänge des anregenden Lichtes von 780 nm (nahes Infrarot) etwa 400 nm, also etwa eine Größenordnung mehr als in Metall. Die Felder sind miteinander verkoppelt und aufgrund der Dämpfung der Felder durch das notwendigerweise verwendete Metall wird zwangsläufig auch die gesamte Feldenergie der Plasmaschwingungen in longitudinaler Ausbreitungsrichtung im allgemeinen bedämpft. 2 schematically shows the different material-dependent penetration depths of the associated with the plasma oscillations lateral magnetic field strength. As metals, it is presently preferred to use precious metals such as gold or silver. For silver, the average penetration depth of the magnetic field of the plasma oscillations at a wavelength of the exciting light of 780 nm (near infrared) is about 30 nm. In a typically used for the technological production of the interface used dielectric such as silicon dioxide (SiO 2), the average penetration depth of magnetic field of the plasma oscillations at a wavelength of the exciting light of 780 nm (near infrared) about 400 nm, that is about an order of magnitude more than in metal. The fields are coupled together, and due to the attenuation of the fields by the metal necessarily used, the entire field energy of the plasma oscillations in the longitudinal propagation direction is inevitably attenuated as well.

Die mittlere Ausbreitungslänge dieser Plasmaschwingungen in longitudinaler Ausbreitungsrichtung beträgt daher in einer einfachen Grenzfläche, wie sie in 2 dargestellt ist, nur wenige hundert Mikrometer, also ca. 400 μm bei einer anregenden Wellenlänge des Lichtes von 780 nm und einer Grenzfläche aus den Materialien Silber und Siliziumdioxid. Um die longitudinale Reichweite der Plasmaschwingungen um eine weitere Größenordnung zu erhöhen wird üblicherweise eine doppelte Grenzfläche aus Dielektrikum-Metall-Dielektrikum (Isolator Metal Isolator, IMI) verwendet, die als Streifen-geführter SPP-Wellenleiter (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) angesehen werden kann. Durch sorgfältige Wahl der Abmessungen der Streifendicke, der Streifenweite und der Materialien kann dann erreicht werden, dass nur solche Moden auf dem SPP-SWG existieren, die eine besonders geringe Dämpfung in Ausbreitungsrichtung besitzen. Eine solche Struktur wird dann häufig als Weit Bereich Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiter (Long Range Surface Plasmon Polariton Wave Guide, LR-SPP-WG) bezeichnet. Je nach Anregungszustand kommt es in einem solchen Wellenleiter zu unterschiedlichen Anregungsmoden.The mean propagation length of these plasma oscillations in the longitudinal propagation direction is therefore in a simple interface, as shown in FIG 2 is shown, only a few hundred microns, so about 400 microns at an exciting wavelength of the light of 780 nm and an interface of the materials silver and silicon dioxide. To increase the longitudinal range of the plasma oscillations by a further order of magnitude is usually a double Grenzflä A dielectric-metal dielectric (IMI) dielectric material may be used, which may be considered as a strip-guided SPP (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) waveguide. By careful choice of the dimensions of the strip thickness, the strip width and the materials can then be achieved that only those modes exist on the SPP SWG, which have a particularly low attenuation in the propagation direction. Such a structure is then commonly referred to as the Wide Area Surface Plasmon Polariton Waveguide (Long Range Surface Plasmon Polariton Wave Guide, LR-SPP-WG). Depending on the excited state, different modes of excitation occur in such a waveguide.

Bei symmetrischer Anregung überlagern sich die Felder der magnetischen Feldstärke in den Ebenen parallel zu den Grenzflächen in der in 3 dargestellten Weise. Dies ist der gerade Wellentyp (SPP even mode) und gleichzeitig auch der Grundwellentyp (fundamental mode). Darüber hinaus ist auch eine unsymmetrische Anregung möglich, insbesondere wenn sie beispielsweise von einer Diskontinuität in der Grenzfläche (z. B. Kopplerstruktur) verursacht wird.With symmetrical excitation, the fields of magnetic field intensity in the planes overlap parallel to the interfaces in the 3 shown way. This is the even wave type (SPP even mode) and at the same time the fundamental mode. In addition, asymmetrical excitation is also possible, in particular if it is caused, for example, by a discontinuity in the interface (eg coupler structure).

Bei der unsymmetrischen Anregung überlagern sich die Felder der magnetischen Feldstärke in den Ebenen parallel zu den Grenzflächen in der in 4 dargestellten Weise. Dies ist der ungerade Wellentyp (SPP odd mode). Bei der Entwicklung von nanooptischen Kopplern müssen in der Regel alle ausbreitungsfähigen Wellentypen berücksichtigt werden.In the case of asymmetrical excitation, the fields of magnetic field strength in the planes are superimposed parallel to the interfaces in the 4 shown way. This is the odd wave type (SPP odd mode). In the development of nano-optical couplers, generally all wave types that can be propagated must be taken into account.

Neueste Fortschritte in der Vergrößerung der longitudinalen Reichweite der Plasmaschwingungen werden von Guo und Adato in dem Artikel: Extended long range plasmon waves in finite thickness metal film and layered dielectric materials. In: OPTICS EXPRESS 14 (2006) Nr. 25, pp. 409-418 , berichtet. Durch die Verwendung inhomogener, geschichteter dielektrischer Materialien wird die longitudinale Reichweite der Plasmaschwingungen ganz erheblich vergrößert.Recent advances in increasing the longitudinal range of plasma oscillations have been made by Guo and Adato in the article: Extended long range plasmon waves in finite-thickness metal film and layered dielectric materials. In: OPTICS EXPRESS 14 (2006) No. 25, pp. 409-418 , reported. By using inhomogeneous, layered dielectric materials, the longitudinal range of the plasma vibrations is greatly increased.

Bei der Verwendung einer äußeren dielektrischen Schicht aus Siliziumnitrid (Si3N4) und einer inneren dielektrischen Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) und einem Goldstreifen von 20 nm Dicke werden für den Grundwellentyp eine mittlere Ausbreitungslänge dieser Plasmaschwingungen in longitudinaler Ausbreitungsrichtung von über 43 mm (also 43000000 nm) erzielt.at the use of an outer dielectric layer of silicon nitride (Si 3 N 4) and an inner dielectric layer made of silicon dioxide (SiO 2) and a gold strip of 20 nm thickness become an average propagation length for the fundamental wave type these plasma oscillations in the longitudinal propagation direction of 43 mm (43000000 nm).

Einerseits wegen dieser Erfolge in der Vergrößerung der Reichweite von Streifen-geführten Plasmaschwingungen und andererseits wegen der relativ vertrauten Technik, welche der – von der Mikrowellentechnik her seit Jahrzehnten bekannten – Streifenleitungstechnik sehr ähnelt, werden nanooptische Bausteine und Schaltungselemente, wie sie zur gezielten Lichtfeldmanipulation notwendig sind, derzeit nahezu ausschließlich mit Hilfe von SPP-SWG realisiert. Zahlreiche Strukturen, basierend auf der SPP-SWG Technik, sind bereits realisiert und vermessen worden. Eine nanooptische Kopplerstruktur, basierend auf der SPP-SWG Technik, wird von Boltasseva, Nikolajsen, Leosson, Kjaer, Larsen und Bozhevolnyi in dem Artikel: Integrated Optical Components Utilizing Long-Range Surface Plasmon Polaritons. In: Journal of Lightwave Technology, Vol. 23 (2005), No. 1, pp. 413-422 , vorgestellt. Der dort beschriebene Koppler besitzt zur Führung der Lichtwellenfelder metallene Leiterstreifen aus Gold mit einer Schichtdicke von 15 nm und einer Breite (Stripe Width) von 8 μm für jeden einzelnen Wellenleiter. Es werden jeweils zwei solcher SPP-SWGs in einem räumlichen Bereich mit einer variablen Koppellänge (Interaction Length) von 0,1 mm bis 1,5 mm in Schritten von 0,1 mm zusammengeführt. Der Abstand (Separation) zwischen den jeweiligen SPP-SWGs im Bereich der Koppellänge wird für zwei Werte, nämlich 0 μm und für 4 μm untersucht.On the one hand, because of these achievements in increasing the range of stripe-guided plasma oscillations, and on the other because of the relatively familiar technique, which is very similar to stripline technology known from microwave technology for decades, nano-optic devices and circuit elements become necessary for targeted light field manipulation , currently almost exclusively realized with the help of SPP-SWG. Numerous structures based on the SPP-SWG technique have already been implemented and measured. A nanooptic coupler structure based on the SPP-SWG technique is used by Boltasseva, Nikolajsen, Leosson, Kjaer, Larsen and Bozhevolnyi in the article: Integrated Optical Components Utilizing Long-Range Surface Plasmon Polaritons. In: Journal of Lightwave Technology, Vol. 23 (2005), no. 1, pp. 413-422 , presented. The coupler described therein has to guide the light wave fields metal conductor strips made of gold with a layer thickness of 15 nm and a width (stripe width) of 8 microns for each waveguide. In each case, two such SPP SWGs are brought together in a spatial area with a variable interaction length of 0.1 mm to 1.5 mm in 0.1 mm increments. The distance (separation) between the respective SPP SWGs in the area of the coupling length is investigated for two values, namely 0 μm and 4 μm.

Zur Untersuchung der Frequenzabhängigkeit wird der Abstand zwischen den jeweiligen SPP-SWGs im Bereich der Koppellänge auf 6 μm vergrößert und die Koppellänge sogar auf 8 mm erhöht. Obwohl die Wissenschaftler zeigen, dass sie mit ihrem Richtkoppler verschiedene Abstufungen der Kopplung bis hin zur gleich hohen Leistungsaufteilung (–3 dB) zwischen den einzelnen Wellenleitern erzielen können, ist dieser Richtkoppler nicht besser geeignet, weil er in seinen Abmessungen viel zu groß ist.to Examining the frequency dependence will be the distance between the respective SPP SWGs in the range of the coupling length increased to 6 microns and the coupling length even increased to 8 mm. Although the scientists show that with their directional coupler different gradations of the coupling up to the same high power distribution (-3 dB) between can achieve the individual waveguides, this is Directional coupler not better suited because it is in its dimensions way too big.

Die Ursache in den relativ großen Abmessungen des beschriebenen Kopplers ist von grundsätzlicher Natur und liegt primär in der Verwendung einer quasi planaren SPP-SWG Technik, d. h. die Kopplerstrukturen und Wellenleiter-Streifen liegen wie in der Streifenleitungs-Technik in einer gemeinsamen Ebene.The Cause in the relatively large dimensions of the described Kopplers is of a fundamental nature and is primary in the use of a quasi-planar SPP-SWG technique, i. H. the coupler structures and waveguide strips are as in the stripline technique in a common plane.

Im Zusammenhang mit den Erläuterungen zur Kanten-Kopplung bzw. Breitseiten-Kopplung wird die sich daraus ergebende Problematik weiter unten nochmals ausführlich diskutiert. Die Konzentration auf die LR-SPP, die mit Hilfe metallener Streifen geführt werden, führt schaltungstechnisch in eine physikalisch bedingte Begrenzung der minimalen Bauform, da die mit den SPP-SWG geführten Lichtwellenfelder lateral sehr weit ausgedehnt sind. Die maximal erzielbare Packungsdichte der einzelnen nanooptischen Schaltungskomponenten wird durch das sich zwangsläufig ergebende Übersprechen der Signale zwischen benachbarter SPP-SWGs begrenzt.in the Related to the explanation of edge coupling or broadside coupling becomes the resulting problem discussed again in detail below. The focus on the LR-SPP, which are guided with the help of metal strips, leads circuitry into a physical condition Limitation of the minimal design, since those with the SPP-SWG led Lightwave fields are laterally extended very far. The maximum achievable packing density of the individual nano-optical circuit components is due to the inevitably resulting crosstalk limits the signals between adjacent SPP SWGs.

So beträgt im ungünstigen Fall das frequenzabhängige Übersprechen der beschriebenen Kopplerstruktur bei einer Wellenlänge von 1600 nm etwa –3 dB bei einem Abstand von immerhin 6 μm, d. h. wegen der großen Eindringtiefe der Streifen-geführten Lichtwellenfelder in das wenig dämpfende umgebende Dielektrikum wird trotz eines relativ großen Abstandes von 6000 nm noch die Hälfte der eingekoppelten Energie auf den anderen Wellenleiter übertragen. So kann also eine ultra-kompakte Nanooptik nicht realisiert werden. Zur betriebssicheren und zuverlässigen Miniaturisierung von nanooptischen Schaltungskomponenten müssen neue Wege beschritten werden! Dazu muss bedacht werden, dass es die primäre Aufgabe nanooptischer Schaltkreise ist, möglichst viel Funktionalität bei möglichst geringem Flächenverbrauch zur Verfügung zu stellen. Der verlustarme Transport von Energie über große Distanzen ist keineswegs die Aufgabe der Nanooptik.So is in the worst case, the frequency-dependent crosstalk the described coupler structure at one wavelength from 1600 nm about -3 dB at a distance of at least 6 μm, d. H. because of the large penetration depth of the strip-guided Light wave fields in the low-damping surrounding dielectric is still in spite of a relatively large distance of 6000 nm transfer half of the injected energy to the other waveguide. Thus, an ultra-compact nano-optics can not be realized. For reliable and reliable miniaturization of nano-optical circuit components must break new ground become! It must be remembered that it is the primary task nanooptical circuits is as much functionality as possible with the lowest possible space available to deliver. The low-loss transport of energy over long distances is by no means the task of nano-optics.

Ein zum herkömmlichen SPP-SWG dualer Wellenleiter ist der Schlüssel zur Miniaturisierung!One to the conventional SPP SWG dual waveguide is the key for miniaturization!

Zur gezielten Führung der Plasmaschwingungen wird dazu eine doppelte Grenzfläche aus Metall-Dielektrikum-Metall (Metal Isolator Metal, MIM) verwendet, die als Spalt-geführter SPP-Wellenleiter (surface-plasmon-polariton gap waveguide, SPP-GWG) angesehen werden kann. Durch sorgfältige Wahl der Abmessungen der Spalthöhe, der Spaltdicke und der Materialien kann dann erreicht werden, dass solche Moden auf dem SPP-GWG existieren, die eine ausreichend geringe Dämpfung in Ausbreitungsrichtung besitzen. Je nach Anregungszustand kommt es auch in einem solchen Wellenleiter zu unterschiedlichen Anregungsmoden, wie sie prinzipiell bereits im Zusammenhang mit den SPP-SWG beschrieben worden sind. SPP-GWG sind also winzige, mit Dielektrikum gefüllte Spalte zwischen metallenen Streifen, die beliebig dick sein dürfen.to Targeted guidance of the plasma oscillations becomes one double interface of metal-dielectric-metal (metal Insulator Metal, MIM) used as a gap-guided SPP waveguides (surface-plasmon-polariton gap waveguide, SPP-GWG) can be viewed. By careful choice of dimensions the gap height, the gap thickness and the materials can then be achieved that such modes exist on the SPP-GWG, the one sufficiently low attenuation in the propagation direction have. Depending on the state of excitement, it also happens in one Waveguides to different excitation modes, as they are in principle already described in connection with the SPP SWG. SPP-GWG are so tiny, filled with dielectric gaps between metal strips, which may be arbitrarily thick.

Die Lichtenergie ist nahezu völlig im Spalt konzentriert und die seitlichen metallenen Wände dämpfen das laterale Feld relativ stark ab, denn die Eindringtiefe in Metall ist nur gering.The Light energy is almost completely concentrated in the gap and the lateral metal walls dampen the lateral Field relatively strong, because the penetration depth in metal is only low.

Solche SPP-GWG sind bekannt, sie sind bereits hergestellt und vermessen worden. Liu, Zhanghua und Sailing beschreiben die hervorragende Isolation solcher Wellenleiter in dem Artikel: Novel surface plasmon waveguide for high integration. In: OPTICS EXPRESS 13 (2005) Nr. 17, pp. 6645-6650 . Auf Substraten aus Quarzglas (fused silica) als Träger der gesamten Testanordnung werden auf unterschiedlichen Teststrukturen zunächst Metallfilme mit einer Schichtdicke von 60 nm bzw. 200 nm aufgebracht, dann werden mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithografie und einer reaktiven Ionen-Ätzanlage die 50 nm dicken Spalte in den Metallfilm eingefügt. Als Dielektrikum wird zum Ausfüllen des Spaltes einfach ein in der Halbleitertechnik standartgemäß verwendeter Abdecklack (PMMA) aufgetragen. Damit ist die nanooptische Teststruktur bereits fertig. Die Autoren weisen darauf hin, dass die Schichtdicke der Metallschicht nicht zu hoch sein darf, weil sonst störende höhere Moden ausbreitungsfähig werden.Such SPP-GWG are known, they have already been manufactured and measured. Liu, Zhanghua and Sailing describe the excellent isolation of such waveguides in the article: Novel surface plasmon waveguide for high integration. In: OPTICS EXPRESS 13 (2005) No. 17, pp. 6645-6650 , On substrates of quartz glass (fused silica) as a carrier of the entire test arrangement, metal films with a layer thickness of 60 nm or 200 nm are first applied to different test structures, then with the help of electron beam lithography and a reactive ion etching the 50 nm thick column inserted into the metal film. As a dielectric for filling the gap is simply a standard in semiconductor technology used Abdecklaack (PMMA) applied. Thus, the nano-optical test structure is already finished. The authors point out that the layer thickness of the metal layer must not be too high, because otherwise disturbing higher modes are capable of propagation.

Obwohl es sich bei den hier vom SPP-GWG geführten Lichtwellen wegen der metallenen Berandung ausschließlich um Kurz Bereich Oberflächen Plasmon Polariton (Short Range Plasmon Polariton, SR-SPP) Wellentypen, also sogenannten SR-SPP Moden handelt, ergibt sich bei einer Spaltdicke von 50 nm und einer Höhe des Metalls von 200 nm eine Ausbreitungslänge von 2,86 μm. Die Versuche haben gezeigt, dass selbst bei einer Annäherung der SPP-GWG bis auf 150 nm die Koppellänge 15 μm lang sein müsste, um ein nennenswertes Übersprechen der Lichtsignale von einem SPP-GWG auf den benachbarten SPP-GWG zu bewirken.Even though this is the case with the light waves guided here by the SPP-GWG because of the metal edging exclusively around short range Surface Plasmon Polariton (Short Range Plasmon Polariton, SR-SPP) Wave types, so-called SR-SPP modes is, results at a gap thickness of 50 nm and a height of the metal of 200 nm has a propagation length of 2.86 μm. The experiments have shown that even at an approximation the SPP-GWG up to 150 nm, the coupling length 15 microns long would have to be a significant crosstalk the light signals from one SPP-GWG to the adjacent SPP-GWG to effect.

Prinzipiell wird angemerkt, dass ein Kompromiss gefunden werden muss zwischen den Verlusten der SPP-GWG, die mit größerer Dicke des Spaltes geringer werden und der Integrationsdichte, die sich mit geringerer Spaltdicke signifikant erhöht und damit gleichzeitig auch die lateralen Abmessungen reduziert.in principle It is noted that a compromise must be found between the losses of SPP-GWG, those with greater thickness of the gap become smaller and the integration density, which coincides with Lesser gap thickness significantly increased and thus simultaneously also reduces the lateral dimensions.

Die oben beschriebenen Versuche haben ergeben, das die separierten SPP-GWG nur sehr geringe Verkopplungen aufweisen. Um einen zur SPP-GWG Technik kompatiblen Koppler herzustellen, müssen einige Schwierigkeiten umgangen werden. Ein Ansatz zur Berechnung eines Kopplers wird von Wang, Islam und Eleftheriades in dem Artikel: An ultra-short contra-directional coupler utilizing surface plasmon- polaritons at optical frequencies. In: OPTICS EXPRESS 16 (2006) Nr. 16, pp 7279-7290 , beschrieben. Dort werden gleichzeitig sowohl SPP-GWG als auch SPP-SWG zur Berechnung des Kopplers rechnerisch simuliert. Es wird für die Berechnungen eine komplizierte sechs-Schichten-Struktur zugrunde gelegt, bei der auf einer Silberplatte zunächst eine Schicht aus 15 nm Quarzglas mit einer Permittivitätszahl von 2,09 und darauf dann wieder eine Metallschicht aus 20 nm Silber aufgebracht ist. Dadurch wird zunächst der SPP-GWG geformt.The experiments described above have shown that the separated SPP-GWG have only very low couplings. To make a SPP-GWG compatible coupler, some difficulties have to be overcome. One approach to calculating a coupler is by Wang, Islam and Eleftheriades in the article: An ultra-short contra-directional coupler using surface plasmon polaritons at optical frequencies. In: OPTICS EXPRESS 16 (2006) No. 16, pp 7279-7290 , described. There, both SPP-GWG and SPP-SWG are simultaneously simulated to calculate the coupler. The calculations are based on a complicated six-layer structure in which a layer of 15 nm quartz glass with a permittivity number of 2.09 and then a metal layer of 20 nm silver is deposited on a silver plate. This will initially shape the SPP-GWG.

Darüber befindet sich dann eine Schicht aus 20 nm dickem Glas mit einer Permittivitätszahl von 4,2. Darüber befindet sich eine 15 nm dicke Schicht aus Silber und darüber dann wieder eine Schicht aus Glas mit einer Permittivitätszahl von 4,2. Dadurch wird dann der SPP-SWG geformt.About that Then there is a layer of 20 nm thick glass with a Permittivity number of 4.2. Above it is a 15 nm thick layer of silver and then over again a layer of glass with a permittivity number of 4.2. This will then form the SPP SWG.

Es wird nun zwischen den beiden optischen Wellenleitertypen, nämlich SPP-GWG und SPP-SWG gekoppelt. Die Länge der Koppelstrecke beträgt allerdings 1000 nm. Obwohl die Autoren eindrucksvoll gezeigt haben, dass für eine hochintegrierte nanooptische Schaltung prinzipiell beide optischen Wellenleitertypen durchaus nebeneinander bestehen und gleichzeitig verwendet werden können, ist der in diesem Artikel vorgestellte Koppler nicht besser geeignet, weil der Schichtenaufbau zur Herstellung des Kopplers zu kompliziert ist, die lateralen Abmessungen des Kopplers zu groß sind und die Auskopplung der gekoppelten Energie auf der gleichen Seite wie die Einkopplung liegt (contra-directional SPP coupler).It will now be between the two optical Waveguide types, namely SPP-GWG and SPP-SWG coupled. The length of the coupling path is, however, 1000 nm. Although the authors have impressively shown that for a highly integrated nanooptic circuit, both optical waveguide types in fact coexist and can be used simultaneously, the coupler presented in this article is not better suited because the layer structure for Making the coupler too complicated, the lateral dimensions of the coupler are too large and the coupling of the coupled energy is on the same side as the coupling (contra-directional SPP coupler).

Das entspricht zwar dem typischen Kopplerverhalten, wie es z. B. von Hohlleiterkopplern im Mikrowellenbereich her bekannt ist, führt hier aber zu signifikanten technischen Problemen, weil die Grenzschicht des SPP-GWG von der Grenzschicht des SPP-SWG lediglich 40 nm entfernt ist. Von dieser Strecke besteht dann die Hälfte auch noch aus nur wenig dämpfendem Dielektrikum. Dies bedeutet, dass zwischen dem eingekoppeltem Signal und dem ausgekoppeltem Signal lediglich eine Metallschichtdicke von 68 Silberatom-Durchmessern ist. Dies führt sicherlich zu Problemen, wenn bei einer eventuellen Realisierung dieser zur rechnerischen Simulation angenommenen Kopplerschaltung die einzelnen Signale voneinander unterschieden werden sollen.The Although the typical coupler behavior, as z. B. from Waveguide couplers in the microwave range forth, leads but here too significant technical problems, because the boundary layer of the SPP-GWG from the boundary layer of the SPP-SWG only 40 nm away is. Of this route then there is half made of low-damping dielectric. This means that between the injected signal and the extracted signal only a metal layer thickness of 68 silver atom diameters is. This certainly leads to problems, if at one eventual realization of this assumption for computational simulation Coupler circuit distinguish the individual signals from each other should be.

Eine ausschließlich in SPP-GWG Technik aufgebaute Breitseiten-gekoppelte ultra-kompakte Multi-Band Kopplerstruktur ist nicht bekannt!A exclusively in SPP-GWG technology constructed broadside-coupled Ultra-compact multi-band coupler structure is not known!

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Breitseiten-gekoppelte ultra-kompakte Multi-Band Kopplerstrukturen ausschließlich basierend auf SPP-GWG Technik, d. h. in Spalt-geführter Oberflächen Plasmon Polaritonen Wellenleitertechnik, mit möglichst geringen Abmessungen aufzubauen.Of the The invention defined in claim 1 is based on the problem Broadband coupled ultra-compact multi-band coupler structures based solely on SPP-GWG technology, d. H. in Split-guided surfaces of plasmon polaritons Waveguide technology, with the smallest possible dimensions build.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This Problem is indicated by the in claim 1 Characteristics solved.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Koppellänge leicht um Größenordnungen verkürzt werden kann, weil die SPP-GWG basierten Kopplerstrukturen in einfacher Weise Breitseiten-gekoppelt (broadside-coupled) aufgebaut werden können, wohingegen bekannte Koppler in SPP-SWG Technik bisher stets Kanten-gekoppelt (edge-coupled) aufgebaut worden sind. Bei der SPP-GWG basierten Breitseiten-Kopplung werden die Felder über die gesamte Metallisierungshöhe miteinander verkoppelt. Bei der Verkopplung SPP-SWG basierter Felder werden in einer Ebene lediglich die jeweiligen Kanten der Metallstreifen angenähert, was zu einem deutlich geringeren Verkopplungsgrad pro Längeneinheit und damit zu signifikant größeren Koppellängen führt.The particular advantages of the invention are that the coupling length slightly by orders of magnitude can be shortened because the SPP-GWG based coupler structures in a simple way broadside-coupled (broadside-coupled) constructed whereas known couplers use SPP-SWG technology So far edge-coupled (edge-coupled) have been built. With the SPP-GWG based broadside coupling, the fields are over the entire metallization coupled together. When coupling SPP-SWG based fields are in one plane merely approximating the respective edges of the metal strips, resulting in a significantly lower degree of coupling per unit length and thus significantly longer coupling lengths leads.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung der SPP-GWG Technik zum Aufbau der Koppler ist die größere Feldkonzentration im führenden Dielektrikum zwischen den metallenen Seitenwänden, was generell zu kompakteren Bauteilen führt. Der auf diesen Wellenleitern verwendete gerade (short range) Wellentyp lässt sich zudem effizient und einfach mit Hilfe der bewährten End-fire-Technik anregen. Es kann alternativ aber auch der einseitige klassische Wellentyp (Single Interface mode, SI-mode), der zur Führung nur eine einzelne Grenzfläche des SPP-GWG benötigt, isoliert angeregt und verwendet werden.One Another advantage of using the SPP-GWG technology to build the Coupler is the larger field concentration in the lead Dielectric between the metal sidewalls, which is generally leads to more compact components. The one on these waveguides used straight (short range) wave type can also be efficient and easy with the help of proven end-fire technology stimulate. It can alternatively but also the one-sided classic wave type (Single interface mode, SI-mode), which leads to the leadership only one single interface of the SPP-GWG needed, isolated be stimulated and used.

Dies eröffnet zusätzliche Freiheitsgrade bei der schaltungstechnischen Anwendung dieser nanooptischen Schaltungsbausteine.This opens up additional degrees of freedom in circuit technology Application of these nano-optical circuit components.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Abstand zur zuverlässigen Vermeidung eines Übersprechens zwischen den einzelnen Wellenleitern bei den SPP-GWG um mehrere Größenordnungen geringer ist, als es für das gleiche Maß der Isolation bei den SPP-SWG erforderlich ist. Um also die vier Tore eines Kopplers voneinander zu isolieren sind bei SPP-GWG basierten Kopplern signifikant geringere Abstände notwendig, als es bei den SPP-SWG basierten Kopplern der Fall ist. Allein schon aus diesem Grunde kann ein SPP-GWG basierter Koppler mitsamt seinen zu- und abführenden Wellenleitern um Größenordnungen kleiner aufgebaut werden, als es für den SPP-SWG basierten Koppler der Fall ist.One Another advantage is that the distance to the reliable Avoiding crosstalk between the individual waveguides is smaller by several orders of magnitude in the SPP-GWG, as for the same degree of isolation in the SPP SWG is required. So the four gates of a coupler from each other To isolate are significantly shorter distances in SPP-GWG based couplers necessary, as is the case with the SPP-SWG based couplers. For this reason alone, a SPP-GWG based coupler together with its incoming and outgoing waveguides orders of magnitude smaller than it was based on the SPP SWG Coupler is the case.

Zusammengefasst ergibt sich der Vorteil, dass die flächenhaften Abmessungen der hier erstmalig vorgestellten Kopplerstrukturen in SPP-GWG basierter Technik bei gleicher Funktionalität etwa eine Millionen mal kleiner ist, als es in der bisher verwendeten SPP-SWG Technik möglich ist. So beträgt bei dem oben erwähnten Artikel von Boltasseva et. al. die kürzeste Koppellänge des SPP-SWG basierten Kopplers mit vergleichbaren optischen Eigenschaften wie die hier beschriebenen Koppler im günstigsten Fall 0,8 mm, also satte 800000 nm.In summary, there is the advantage that the planar dimensions of the here presented for the first time coupler structures in SPP-GWG based technology with the same functionality is about one million times smaller than is possible in the SPP-SWG technique previously used. So is in the above-mentioned article of Boltasseva et. al. the shortest coupling length of the SPP-SWG based coupler with comparable optical properties as the couplers described here, in the best case 0.8 mm, that is whopping 800000 nm.

Bei den hier erfindungsgemäß vorgestellten neuen Kopplerstrukturen, die auf der SPP-GWG Technik basieren, beträgt diese zum Koppeln erforderliche Länge wegen der hier verwendeten Breitseiten-Kopplung bei einer der Strukturen lediglich 36 nm, das heißt, sie ist mehr als das Zwanzigtausendfache kürzer. Wenn dieser Verkürzungsfaktor für einen Längenparameter tendenziell in der Fläche angewendet wird, eröffnet sich sehr deutlich das Miniaturisierungs-Potential der hier favorisierten Spalt-geführten Wellenleitertechnik.at the novel coupler structures presented here according to the invention, based on the SPP-GWG technique, this is the Pair required length because of the ones used here Broadside coupling in one of the structures only 36 nm, the means it is more than twenty thousand times shorter. If this shortening factor for a length parameter tends to be applied in the area opened very clearly the miniaturization potential of the here favored Slit-guided waveguide technique.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.advantageous Embodiments of the invention can be found in the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.embodiments The invention are illustrated in the drawings and are in Described in more detail below.

Es zeigtIt shows

1 schematisch den typischen Verlauf der elektrischen Feldstärke, wie er von Plasmaschwingungen entlang einer Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum hervorgerufen wird, 1 schematically the typical course of the electric field strength, as it is caused by plasma oscillations along an interface between metal and dielectric,

2 schematisch die unterschiedlichen materialabhängigen Eindringtiefen der mit den Plasmaschwingungen verknüpften lateralen magnetischen Feldstärke, 2 schematically the different material-dependent penetration depths of the associated with the plasma oscillations lateral magnetic field strength,

3 schematisch den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des ersten geraden Wellentyps (SPP even mode) entlang eines Streifen-geführten Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiters (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) für einen relativ dicken Streifen, 3 schematically shows the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the first straight wave mode (SPP even mode) along a strip-guided surface plasmon polariton waveguide (SPP-SWG) for a relatively thick strip,

4 schematisch den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des ersten ungeraden Wellentyps (odd mode) entlang eines Streifen-geführten Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiters (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) für einen relativ dicken Streifen, 4 schematically shows the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the first odd mode along a strip-guided surface plasmon polariton waveguide (SPP-SWG) for a relatively thick strip,

5 schematisch den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des klassischen Wellentyps (single interface mode, SI-mode) bei nur einseitiger Anregung entlang eines Streifen-geführten Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiters (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) für einen relativ dicken Streifen, 5 schematically the course of the magnetic field strength laterally to the direction of propagation of the classical wave mode (single interface mode, SI-mode) with only one-sided excitation along a strip-guided surface plasmon polariton waveguide (SPP-SWG) for a relative thick stripes,

6 schematisch den Schichtaufbau und den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des Grundwellentyps im SPP-SWG, 6 schematically the layer structure and the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the fundamental wave type in the SPP-SWG,

7 schematisch den Schichtaufbau und den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des Grundwellentyps im SPP-GWG, mit der Spaltdicke (G) und der Spalthöhe (H), 7 schematically the layer structure and the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the fundamental wave type in the SPP-GWG, with the gap thickness (G) and the gap height (H),

8 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte erste Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, 8th 1 is a schematic plan view of an exemplary first embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler,

9 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte erste Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den wichtigsten Abmessungen, 9 1 is a schematic plan view of an exemplary first embodiment of a 4-port coupler structure with the most important dimensions,

10 schematisch die unvollständige unstrukturierte Schichtenfolge zur Herstellung einer beispielhaften ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers, 10 1 schematically the incomplete unstructured layer sequence for producing an exemplary first embodiment of the 4-port coupler,

11 schematisch die teilweise strukturierte Schichtenfolge zur Herstellung einer beispielhaften ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers, 11 2 schematically the partially structured layer sequence for producing an exemplary first embodiment of the 4-port coupler,

12 schematisch die vollständige strukturierte Schichtenfolge zur Herstellung einer beispielhaften ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers, 12 1 schematically the complete structured layer sequence for producing an exemplary first embodiment of the 4-port coupler,

13 schematisch die seitliche Ansicht auf eine beispielhafte erste Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers mit den zwei Signaltoren der verkürzten Version dieses Kopplers mit Anregungung durch SI-moden, 13 1 is a schematic side view of an exemplary first embodiment of the 4-port coupler with the two signal ports of the shortened version of this coupler with excitation by SI modes;

14 den Verlauf der magnetischen Felder (SI-mode) entlang der inneren Grenzflächen der einzelnen Wellenleiter einer beispielhaften verkürzten ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers, 14 the course of the magnetic fields (SI mode) along the inner boundary surfaces of the individual waveguides of an exemplary shortened first embodiment of the 4-port coupler,

15 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform einer Messanordnung zur Vermessung der 4-Tor-Kopplerstrukturen (DUT) mit allen Signaltoren des jeweiligen Kopplers, 15 1 is a schematic plan view of an exemplary embodiment of a measuring arrangement for measuring the 4-port coupler structures (DUT) with all the signal ports of the respective coupler,

16 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform einer zur Normalisierung dienenden 4-Tor-Hilfsstruktur für die Messanordnung zur Vermessung der 4-Tor-Kopplerstrukturen, mit den wichtigsten Abmessungen, 16 2 schematically shows the plan view of an exemplary embodiment of a normalizing 4-port auxiliary structure for the measuring arrangement for measuring the 4-port coupler structures, with the most important dimensions,

17 den frequenzabhängigen Verlauf des Betrages der wichtigsten Streuparameter eines untersuchten 4-Tor-Kopplers in der verkürzten ersten Ausführungsform, 17 the frequency-dependent course of the magnitude of the most important scattering parameters of a tested 4-port coupler in the shortened first embodiment,

18 den frequenzabhängigen Verlauf des Betrages der wichtigsten Streuparameter eines untersuchten 4-Tor-Kopplers in der nicht verkürzten ersten Ausführungsform, 18 the frequency-dependent course of the magnitude of the most important scattering parameters of a tested 4-port coupler in the non-shortened first embodiment,

19 den Verlauf der magnetischen Felder des symmetrischen Grundwellentyps entlang der einzelnen Wellenleiter (SPP-GWG) einer beispielhaften nicht verkürzten ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers bei einer Frequenz von etwa 250 THz, mit einer nahezu vollständigen Kopplung zwischen Tor 1 und Tor 4, 19 the course of the magnetic fields of the symmetric fundamental wave type along the individual waveguides (SPP-GWG) of an exemplary non-shortened first embodiment of the 4-port coupler at a frequency of about 250 THz, with a nearly complete coupling between port 1 and port 4,

20 den Verlauf der magnetischen Felder des symmetrischen Grundwellentyps entlang der einzelnen Wellenleiter (SPP-GWG) einer beispielhaften nicht verkürzten ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers bei einer Frequenz von etwa 350 THz, mit einer nahezu gleichstarken Kopplung zwischen Tor 1 und Tor 4 sowie zwischen Tor 1 und Tor 3, 20 the course of the magnetic fields of the symmetric fundamental wave type along the individual waveguides (SPP-GWG) of an exemplary unabridged first embodiment of the 4-port coupler at a frequency of about 350 THz, with a nearly equal coupling between port 1 and port 4 and between port 1 and port 3,

21 den Verlauf der magnetischen Felder des symmetrischen Grundwellentyps entlang der einzelnen Wellenleiter (SPP-GWG) einer beispielhaften nicht verkürzten ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers bei einer Frequenz von etwa 440 THz, mit einer nahezu vollständigen Kopplung zwischen Tor 1 und Tor 3, 21 the course of the magnetic fields of the symmetric fundamental wave type along the individual waveguides (SPP-GWG) of an exemplary non-shortened first embodiment of the 4-port coupler at a frequency of about 440 THz, with a nearly complete coupling between port 1 and port 3,

22 den typischen Querschnitt des Koppelbereiches von SPP-SWG basierten Kopplerstrukturen, wie sie bisher von anderen Wissenschaftlern realisiert worden sind, 22 the typical cross-section of the coupling region of SPP-SWG-based coupler structures, as previously realized by other scientists,

23 den typischen Querschnitt des Koppelbereiches der hier verwendeten Breitseiten-Kopplung von SPP-GWG basierten Kopplerstrukturen, mit den wichtigsten Abmessungen, 23 the typical cross section of the coupling region of the broadside coupling used here of SPP-GWG based coupler structures, with the most important dimensions,

24 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, 24 1 is a schematic plan view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler,

25 schematisch die Seitenansicht einer beispielhaften zweiten Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den zwei ersten Signaltoren des Kopplers und dem Bereich der Kopplung, 25 1 is a schematic side view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the coupler's two first signal ports and the region of the coupling;

26 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, mit einem um 90 Grad in der Ebene abgewinkelten Signaltor, 26 1 is a schematic plan view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler, with a signal gate angled 90 degrees in the plane;

27 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, mit zwei um jeweils 90 Grad in der Ebene abgewinkelten Signaltoren, 27 1 is a schematic plan view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler, with two signal ports angled 90 degrees in the plane,

28 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, mit vier um jeweils 90 Grad in der Ebene abgewinkelten Signaltoren, 28 1 is a schematic plan view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler, with four signal gates angled 90 degrees in the plane,

29 schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 6-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, 29 1 is a schematic plan view of an exemplary second embodiment of a 6-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler,

30 schematisch die Seitenansicht einer beispielhaften zweiten Ausführungsform einer 6-Tor-Kopplerstruktur mit den zwei ersten Signaltoren und dem fünften Signaltor des Kopplers und dem Bereich der Kopplung. 30 schematically the side view of an exemplary second embodiment of a 6-port coupler structure with the two first signal ports and the fifth signal port of the coupler and the region of the coupling.

Der typischen Verlauf der elektrischen Feldstärke, wie er von Plasmaschwingungen entlang einer Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum hervorgerufen wird, ist in 1 schematisch dargestellt.The typical course of the electric field strength, as it is caused by plasma oscillations along an interface between metal and dielectric, is in 1 shown schematically.

Prinzipiell sind zwei unterschiedliche Materialien zu erkennen, nämlich zum einen Metall (schraffierter Bereich) und zum anderen Dielektrikum (gepunkteter Bereich). Durch das periodische Verschieben der Ladungsschwerpunkte des die Atomrümpfe des Metalls umgebenden Elektronengases werden die Plasmaschwingungen erzeugt. Die periodische Verschiebung der jeweiligen Ladungsschwerpunkte ist hier durch die Zeichen + und – angedeutet. Angeregt werden zunächst die Elektronen an der Oberfläche des Metalls, also diejenigen, welche unmittelbar in der Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Dielektrikum liegen. Zur Anregung der Plasmaschwingungen wird das kohärente Licht eines LASERs verwendet. Einmal angeregt pflanzen sich die Plasmaschwingungen solange fort, bis die Feldenergie durch Verlustmechanismen aufgebraucht ist.in principle There are two different materials to recognize, namely on the one hand metal (hatched area) and on the other dielectric (dotted area). By the periodic shifting of the charge centers of the electron surrounding the atomic hulls of the metal the plasma oscillations are generated. The periodic shift of the respective charge centers is here by the characters + and - hinted. Initially, the Electrons on the surface of the metal, so those which is directly in the interface between the metal and the dielectric. To excite the plasma oscillations the coherent light of a LASER is used. once stimulated, the plasma oscillations propagate until, the field energy is consumed by loss mechanisms.

Die mit diesen Plasmaschwingungen in der Grenzfläche verknüpften elektromagnetischen Felder besitzen sowohl elektrische als auch magnetische Feldkomponenten. Daher ist leicht einzusehen, dass die Feldstärken beider miteinander verkoppelten Felder im leitenden Metall sehr viel rascher abklingen als im nichtleitenden Dielektrikum. Die Feldlinien im Metall sind also geschlossener als im Dielektrikum, wo sie relativ weitreichend von der Grenzfläche entfernt noch nachgewiesen werden können. Während 1 den longitudinalen Verlauf der elektrischen Feldstärke in Ausbreitungsrichtung zeigt, ist in 2 die laterale Eindringtiefe quer zur Ausbreitungsrichtung dargestellt. Als Maß für die Eindringtiefe wird üblicherweise der Abfall der Amplitude der Feldstärke auf den 1/e – ten Teil verwendet. Die so definierte Eindringtiefe ist vom jeweils verwendeten Material abhängig. Für Silber (Ag) beträgt die mittlere Eindringtiefe des magnetischen Feldes der Plasmaschwingungen bei einer Wellenlänge des anregenden Lichtes von 780 nm (nahes Infrarot) etwa 30 nm. Für Siliziumdioxid (SiO2) beträgt die mittlere Eindringtiefe des magnetischen Feldes der Plasmaschwingungen bei einer Wellenlänge des anregenden Lichtes von 780 nm (nahes Infrarot) ca. 400 nm, also etwa zehnmal mehr.The electromagnetic fields associated with these plasma oscillations in the interface have both electrical and magnetic field components. Therefore, it is easy to see that the field strengths of both coupled fields in the conductive metal decay much faster than in the non-conductive dielectric. The field lines in the metal are thus more closed than in the dielectric, where they can still be detected relatively far away from the interface. While 1 shows the longitudinal course of the electric field strength in the propagation direction is in 2 the lateral penetration depth is shown transversely to the propagation direction. As a measure of the penetration depth, the fall in the amplitude of the field strength to the 1 / th part is usually used. The penetration depth thus defined depends on the material used. For silver (Ag), the average penetration of the magnetic field of the plasma oscillations at a wavelength of the exciting light of 780 nm (near infrared) is about 30 nm. For silicon dioxide (SiO 2), the average penetration of the magnetic field of the plasma oscillations at a wavelength of the exciting Light of 780 nm (near infrared) about 400 nm, about ten times more.

3 zeigt eine Struktur mit zwei Grenzflächen. Wenn ein Metallstreifen in einem Dielektrikum eingebettet ist und beide Grenzflächen angeregt sind, können sich die elektromagnetischen Felder überlagern und verschiedene ausbreitungsfähige Wellentypen oder Moden bilden. 3 zeigt schematisch den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des ersten geraden Wellentyps (SPP even mode) entlang eines Streifen-geführten Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiters (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) für einen relativ dicken Streifen. Auch eine gegenläufige Überlagerung der Felder ist möglich. 4 zeigt schematisch den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des ersten ungeraden Wellentyps (odd mode) entlang eines Streifen-geführten Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiters (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) für einen relativ dicken Streifen. Solche ungeraden Moden sind zumeist störend und unerwünscht. Durch Verringerung der Leiterdicke können diese Moden unterdrückt werden. 5 zeigt schematisch den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des klassischen Wellentyps (Single Interface mode, SI-mode) bei nur einseitiger Anregung (hier) entlang eines Streifen-geführten Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiters (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) für einen relativ dicken Streifen. Das Problem, diesen Wellentyp anzuregen ohne gleichzeitig auch den geraden Wellentyp gemäß 3 anzuregen kann dadurch gelöst werden, dass nur eine einzelne Grenzfläche mit dem LASER bestrahlt wird. 3 shows a structure with two interfaces. When a metal strip is embedded in a dielectric and both interfaces are excited, the electromagnetic fields may be superimposed and form various propagatable modes or modes. 3 shows schematically the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the first straight wave mode (SPP even mode) along a strip-guided surface plasmon polariton waveguide (SPP-SWG) for a relatively thick strip. An opposite overlay of the fields is possible. 4 schematically shows the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the first odd mode along a strip-guided surface plasmon polariton waveguide (SPP-SWG) for a relatively thick strip. Such odd modes are mostly disturbing and undesirable. By reducing the conductor thickness, these modes can be suppressed. 5 shows schematically the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the classical wave type (single interface mode, SI-mode) with only one-sided excitation (here) along a strip-guided surface plasmon polariton waveguide (SPP-SWG ) for a relatively thick strip. The problem of stimulating this wave type without at the same time conforming to the even wave type 3 can be solved by irradiating only a single interface with the laser.

Zur Reduzierung der Verluste im Metall und zur Reduktion der Anzahl der von den Grenzflächen geführten Wellentypen oder Moden, werden in der Praxis typischerweise Metallstreifen mit eng begrenzten lateralen Abmessungen eingesetzt. Es haben sich Strukturen etabliert, die als Streifen-geführte Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiter (surface-plasmon-polariton stripe waveguide, SPP-SWG) bezeichnet werden. Die 6 zeigt schematisch den Schichtaufbau des SPP-SWG und den Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zu der Ausbreitungsrichtung des Grundwellentyps.In order to reduce the losses in the metal and to reduce the number of modes or modes carried by the interfaces, metal strips with narrow lateral dimensions are typically used in practice. Structures have emerged known as strip-guided surfaces plasmon polariton waveguide (SPP-SWG). The 6 schematically shows the layer structure of the SPP-SWG and the course of the magnetic field strength laterally to the propagation direction of the fundamental wave type.

Für die hier vorgestellte Erfindung wird jedoch ein anderer nanooptischer Wellenleiter favorisiert: Zur Reduzierung der Abmessungen nanooptischer Strukturen und zur Reduktion der Anzahl der von den Grenzflächen geführten Wellentypen oder Moden, werden in der Praxis typischerweise Spalte im Metall mit eng begrenzten lateralen Abmessungen eingesetzt. So ist 50 Nanometer ein typischer Wert für die Spaltdicke (G) und 200 Nanometer ein typischer Wert für die Spalthöhe (H).For However, the invention presented here becomes another nanooptic Waveguide favored: To reduce the dimensions of nano-optical Structures and reduce the number of the interfaces guided wave types or fashions, are in practice typically used in column metal with narrow lateral dimensions. Thus, 50 nanometers is a typical value for the gap thickness (G) and 200 nanometers a typical value for the gap height (H).

Es haben sich Strukturen etabliert, die als Spalt-geführte Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiter (surface-plasmon-polariton gap waveguide, SPP-GWG) bezeichnet werden.It Structures have established themselves as gap-guided Surface plasmon polariton waveguide (surface-plasmon-polariton gap waveguide, SPP-GWG).

Im gleichen relativen Maßstab wie in 6 ist in 7 schematisch der Schichtaufbau und der Verlauf der magnetischen Feldstärke seitlich zur Ausbreitungsrichtung des Grundwellentyps im SPP-GWG gezeigt. SPP-SWG und SPP-GWG sind zueinander duale Strukturen. Prinzipiell können sie auch gleichzeitig in einer komplexen nanooptischen Schaltung eingesetzt werden.In the same relative scale as in 6 is in 7 schematically the layer structure and the course of the magnetic field strength shown laterally to the propagation direction of the fundamental wave type in SPP-GWG. SPP-SWG and SPP-GWG are mutually dual structures. In principle, they can also be used simultaneously in a complex nano-optical circuit.

So ist es denkbar und sicherlich vorteilhaft, dass SPP-GWG basierte Strukturen zum Aufbau einzelner ultra-kompakter nanooptischer Funktionsbausteine verwendet werden und zur Verbindung und zum Transport der jeweiligen Signale zwischen entfernter liegenden Funktionsbausteinen können dann SPP-SWG verwendet werden. Eine solche Hybrid-Technik mit beiden dualen Formen der nanooptischen Wellenleiter hat bei komplexeren Schaltungsstrukturen zukünftig sicherlich zahlreiche Vorteile. Ein solcher ultra-kompakter nanooptischer Funktionsbaustein ist beispielsweise eine der hier erfindungsgemäß gezeigten Breitseiten-gekoppelten ultra-kompakten Multi-Band Kopplerstrukturen in Spalt-geführter Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleitertechnik (SPP-GWG Technik).So it is conceivable and certainly advantageous that SPP-GWG was based Structures for the construction of individual ultra-compact nano-optical function blocks be used and for connecting and transporting the respective Signals between more distant function blocks can then SPP SWG can be used. Such a hybrid technique with both dual forms of nanooptic waveguide has more complex Circuit structures in the future certainly have many advantages. One such ultra-compact nano-optical function module is, for example one of the broadside-coupled shown here according to the invention ultra-compact multi-band coupler structures in gap-guided Surface plasmon polariton waveguide technology (SPP-GWG Technology).

Ein Spalt-geführter Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiter (SPP-GWG) besteht, wie in 7 dargestellt, in einem begrenzten Bereich der Höhe (H) aus drei Schichten, wobei die erste Schicht aus Metall, die zweite Schicht aus einem Dielektrikum mit der Dicke (G) und die dritte Schicht wiederum aus Metall besteht, wodurch zwei planparallel angeordnete Grenzflächen zwischen den unterschiedlichen Materialien gebildet werden, die den Abstand (G) voneinander haben. In Abhängigkeit von den jeweiligen geometrischen Abmessungen, nämlich der Höhe (H) und der Dicke (G) und den jeweiligen charakteristischen Eigenschaften der zum Aufbau der SPP-GWG verwendeten Materialien, können unterschiedliche ausbreitungsfähige Wellentypen angeregt werden, die je nach Typ sowohl jeweils eine als auch durch Überlagerung der Felder gleichzeitig beide Grenzflächen des SPP-GWG involvieren. An dieser Stelle sei ergänzend erwähnt, dass sich der im Zusammenhang mit 2 und 5 erwähnte klassische Wellentyp (SI-mode) selbstverständlich auch im Spalt-geführten Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiter (surface-plasmon-polariton gap waveguide, SPP-GWG) anregen lässt, wenn die seitlichen metallenen Wände hinreichend weit entfernt sind, d. h. wenn die Spaltdicke (G) sehr groß gewählt wird. Davon wird bei der verkürzten ersten Ausführungsform der hier vorgestellten Kopplerstrukturen Gebrauch gemacht.A split-guided surface plasmon polariton waveguide (SPP-GWG) consists, as in 7 represented in a limited area of the height (H) of three layers, wherein the first layer of metal, the second layer of a dielectric having the thickness (G) and the third layer is again made of metal, whereby two plane-parallel interfaces between the different materials are formed, which have the distance (G) from each other. Depending on the respective geometrical dimensions, namely the height (H) and the thickness (G) and the respective characteristic properties of the materials used to construct the SPP-GWG, different types of propagating modes can be excited, each one depending on the type overlapping the fields also involves both interfaces of the SPP-GWG simultaneously. At this point it should be mentioned in addition, that in connection with 2 and 5 Of course, the classical wave mode (SI-mode) can also excite plasmon polariton gap waveguide (SPP-GWG) in the gap-guided surface if the lateral metal walls are sufficiently far away, ie if the gap thickness (G ) is chosen very large. This is used in the shortened first embodiment of the coupler structures presented here.

8 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte Kopplerstruktur der ersten Ausführungsform mit den vier Signaltoren des Kopplers. Man blickt bei dieser Darstellung von oben auf das Dielektrikum mit der Spaltdicke (G). Die Zeichnung ist allerdings nicht maßstäblich. Es ist in der Zeichnung zu erkennen, dass zwei SPP-GWG zunächst relativ großen Abstand voneinander haben, dann über eine bestimmte Strecke (der Koppelstrecke) eng benachbart nebeneinander verlaufen und danach wieder einen relativ großen Abstand voneinander haben. 8th schematically shows the top view of an exemplary coupler structure of the first embodiment with the four signal ports of the coupler. In this representation, one looks from above onto the dielectric with the gap thickness (G). The drawing is not to scale. It can be seen in the drawing that two SPP-GWG initially relative have a large distance from each other, then run next to each other over a certain distance (the coupling path) closely adjacent and then again have a relatively large distance from each other.

An den hier eingezeichneten Enden der SPP-GWG sind die vier Signaltore des so gestalteten Kopplers definiert. Tor 1 ist das Eingangstor (input Port) des Kopplers. Hier wird die Signalenergie aktiv zugeführt. Tor 2 ist bei diesem Koppler das isolierte Tor (isolated Port). Die Lichtwellenfelder überlagern sich bei entsprechender Dimensionierung der Kopplerabmessungen so, das in diesem Tor die Signalenergie weitgehend verschwindet. Deshalb kann diese erste Ausführungsform des Kopplers auch als ein unidirektionaler Typ bezeichnet werden. Das isolierte Tor würde in der Mikrowellentechnik dem abgesumpften Tor entsprechen. Das Tor 3 ist das Durchgangstor (through Port). Hier wird der Teil der in Tor 1 eingespeisten Signalenergie ausgekoppelt, der nicht in Tor 4 übergekoppelt wird. Tor 4 ist das gekoppelte Tor (coupled Port). Hier wird der Teil der in Tor 1 eingespeisten Signalenergie ausgekoppelt, der vom anderen SPP-GWG übergekoppelt ist.At The ends of the SPP-GWG marked here are the four signal gates of the thus designed coupler defined. Gate 1 is the entrance gate (input port) of the coupler. Here, the signal energy is actively supplied. Gate 2 is the isolated port for this coupler. The lightwave fields are superimposed with appropriate Dimensioning the coupler dimensions so that in this gate the Signal energy largely disappears. That's why this first Embodiment of the coupler also as a unidirectional Type can be designated. The isolated gate would be in microwave engineering correspond to the fumbled gate. Gate 3 is the passage gate (through port). Here, the part of the signal energy fed into port 1 becomes decoupled, which is not coupled in Tor 4. gate 4 is the coupled port. Here is the part of signal energy fed into port 1 is decoupled from the other SPP-GWG is over-coupled.

Ein nanooptischer Koppler in dieser ersten Ausführungsform kann durch unterschiedliche Moden angeregt werden. Für relativ große Dicken des dielektrischen Spaltes im SPP-GWG kann auch der in 2 und 5 gezeigte klassische, nicht überlagerte Oberflächen SPP-Wellentyp (SI-mode) existieren.A nano-optical coupler in this first embodiment can be excited by different modes. For relatively large thicknesses of the dielectric gap in the SPP-GWG, the in 2 and 5 shown classical, not superimposed surfaces SPP wave type (SI-mode) exist.

Für diesen Fall muss der Torbegriff präzisiert werden. Dann sind die jeweils zueinander benachbarten inneren Grenzflächen der beiden SPP-GWG als die eigentlichen Signaltore zu betrachten. Dies ist in 8 dadurch angedeutet, dass die Torbezeichnung an die dann betreffende Grenzfläche und nicht in die Mitte des jeweiligen Dielektrikums des SPP-GWG gestellt worden ist.In this case, the door handle must be specified. Then, the mutually adjacent inner boundary surfaces of the two SPP-GWG are to be regarded as the actual signal gates. This is in 8th indicated that the Torbezeichnung has been placed on the then relevant interface and not in the middle of the respective dielectric of the SPP-GWG.

Der Koppler ist grundsätzlich symmetrisch aufgebaut, d. h. es kann auch jedes andere Tor zum Einspeisen des Signals verwendet werden. Die anderen Tore ergeben sich dann entsprechend.Of the Coupler is basically symmetrical, d. H. it can also use any other gate to feed the signal become. The other goals then arise accordingly.

9 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte 4-Tor-Kopplerstruktur der ersten Ausführungsform mit den wichtigsten charakteristischen Abmessungen. Die Dicke des mit Dielektrikum gefüllten Spaltes wird mit (G) bezeichnet. Bei einer Höhe (H) der metallenen Schicht aus dem Edelmetall Silber von 200 nm ist für einen typischen SPP-GWG für hohe Packungsdichte ein Wert von ca. 50 nm für die Dicke (G) des Spaltes zu wählen. Prinzipiell bietet die Dimensionierung der Spaltdicke (G) aber einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Konstruktion nanooptischer Schaltungsbausteine. Der Abstand (W) zwischen den Grenzflächen der beiden SPP-GWG sollte mindestens 150 nm betragen. Dann findet nach den oben referierten Untersuchungen mit Sicherheit kein nennenswertes Übersprechen der Signale zwischen den einzelnen SPP-GWG statt. Die eigentliche Koppellänge wird mit (L) und der Koppelabstand wird mit (D) bezeichnet. Beides sind sorgfältig zu dimensionierende Werte, die das elektro-optische Verhalten der Koppler maßgeblich beeinflusst, also die charakteristischen Größen wie Koppeldämpfung (coupling attenuation), Entkopplung (Isolation) und Richtverhältnis (Directivity) bestimmt. Die Gesamtlänge der Koppler ist die Kopplerlänge und wird mit (T) bezeichnet. Hier spielt es eine Rolle, das die SPP-GWG nicht rechtwinklig, sondern in leicht geschwungener Form mit nicht zu kleinem Krümmungsradius separiert werden müssen, da sonst die Dämpfung in den SPP-GWG möglicherweise zu groß wird. 9 shows schematically the top view of an exemplary 4-port coupler structure of the first embodiment with the most important characteristic dimensions. The thickness of the dielectric filled gap is denoted by (G). At a height (H) of the metal layer of the noble metal silver of 200 nm, a value of about 50 nm for the thickness (G) of the gap is to be selected for a typical SPP-GWG for high packing density. In principle, however, the dimensioning of the gap thickness (G) offers an additional degree of freedom in the design of nano-optical circuit components. The distance (W) between the interfaces of the two SPP-GWG should be at least 150 nm. Then, according to the above-referenced investigations, no significant crosstalk of the signals takes place between the individual SPP-GWGs. The actual coupling length is denoted by (L) and the coupling distance is denoted by (D). Both are carefully dimensioned values that significantly influence the electro-optical behavior of the couplers, thus determining the characteristic quantities such as coupling attenuation, decoupling (isolation) and directivity. The total length of the couplers is the coupler length and is denoted by (T). Here it plays a role that the SPP-GWG need not be separated at right angles, but in slightly curved shape with not too small radius of curvature, otherwise the attenuation in the SPP-GWG may be too large.

Um einen solchen 4-Tor-Koppler der ersten Ausführungsform herzustellen ist es ratsam, auf bewährte Verfahren der herkömmlichen Halbleitertechnologie zurückzugreifen. 10 zeigt schematisch eine zunächst noch unvollständige und unstrukturierte Schichtenfolge aus einer durch Oxidation einer Halbleiterscheibe aus Silizium erzeugten dielektrischen Schicht, als Basis zur Herstellung einer beispielhaften Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers der ersten Ausführungsform. Die hier nicht gezeigte Halbleiterscheibe aus Silizium, die sich unter dem hier skizzierten Dielektrikum befindet, dient gleichzeitig als Trägerplatte für die herzustellenden nanooptischen Teststrukturen, welche dann in bekannter Weise wie Chips auf die gewünschten manipulierbaren Größen der jeweiligen Teststrukturen gebracht werden können. Die in 10 gezeigte untere Schicht ist ein Dielektrikum, welches aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht, welches fest und sicher auf der hier nicht gezeigten Siliziumscheibe, welche als Trägerplatte fungiert, haftet. Auf das Siliziumdioxid wird eine 200 nm hohe Metallschicht aus Silber (Ag) aufgedampft oder besser aufgesputtert. Mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithografie wird die Metallschicht nun maskiert und durch reaktives Ionenätzen strukturiert. Die 11 zeigt schematisch die noch unvollständig strukturierte Schichtenfolge zur Herstellung einer beispielhaften ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers. In das Metall sind im Hochvakuum die Spalte mit Hilfe von in einem elektrischen Feld beschleunigten Ionen geätzt worden. Der Koppelabstand (D) ist dabei ein kritischer Parameter, weil das Verhältnis der Metallisierungshöhe zur Breite des nicht weggeätzten restlichen Steges zwischen den beiden später komplettierten SPP-GWG sehr ungünstig ist (Koppelabstand (D) = 15 nm, Metallschichthöhe bzw. Spalthöhe (H) = 200 nm).In order to manufacture such a 4-port coupler of the first embodiment, it is advisable to resort to the well-established methods of conventional semiconductor technology. 10 schematically shows an initially incomplete and unstructured layer sequence of a generated by oxidation of a semiconductor wafer of silicon dielectric layer, as a basis for producing an exemplary embodiment of the 4-port coupler of the first embodiment. The silicon wafer not shown here, which is located under the dielectric sketched here, also serves as a carrier plate for the nano-optical test structures to be produced, which can then be brought to the desired manipulable sizes of the respective test structures in a known manner, such as chips. In the 10 The lower layer shown is a dielectric, which consists of silicon dioxide (SiO 2), which adheres firmly and securely to the silicon wafer, not shown here, which acts as a carrier plate. On the silicon dioxide, a 200 nm high metal layer of silver (Ag) is vapor-deposited or better sputtered on. With the help of electron beam lithography, the metal layer is now masked and patterned by reactive ion etching. The 11 schematically shows the still incompletely structured layer sequence for producing an exemplary first embodiment of the 4-port coupler. In the metal, the gaps were etched in a high vacuum using ions accelerated in an electric field. The coupling distance (D) is a critical parameter because the ratio of the metallization height to the width of the non-etched residual ridge between the two later completed SPP-GWG is very unfavorable (coupling distance (D) = 15 nm, metal layer height or gap height (H) = 200 nm).

Hier sind enge, reproduzierbare Prozessparameter, variabel dimensionierte Maskenabmessungen (d. h. in der Praxis werden die Maskenabmessungen etwas um die Zielabmessungen herum variiert, damit sich unvorhergesehene Prozesstoleranzen kompensieren können und um dadurch eine höhere Ausbeute zu erlangen) und etwas Glück notwendig, um eine befriedigende Ausbeute an Teststrukturen zu erhalten. Die erforderlichen winzigen Strukturen sind für die derzeit zur Verfügung stehenden technologischen Aperaturen noch immer eine große Herausforderung und entsprechen keineswegs den etablierten Spezifikationen. Dieses Problem wird aber zukünftig gelöst werden können, wenn der gesteigerte Bedarf an solchen Strukturen eine wirtschaftliche Herstellung geeigneter Technologien und Prozesse ermöglichen wird.Here are narrow, reproducible process parameters, variably dimensioned mask dimensions (ie, in practice, the mask dimensions will vary slightly around the target dimensions.) to compensate for unforeseen process tolerances and thereby achieve a higher yield) and some luck necessary to obtain a satisfactory yield of test structures. The required tiny structures are still a major challenge for the currently available technological appliances and by no means comply with the established specifications. However, this problem will be solved in the future if the increased demand for such structures will enable the economic production of suitable technologies and processes.

12 zeigt schematisch die komplette, vollständig strukturierte Schichtenfolge zur Herstellung einer beispielhaften ersten Ausführungsform der 4-Tor-Koppler. Mit dem Aufbringen des dielektrischen Abdecklackes (PMMA) auf der Lackschleuder, dem Trocknen und dem Aushärten ist der Herstellungsprozess prinzipiell abgeschlossen. 12 schematically shows the complete, fully structured layer sequence for producing an exemplary first embodiment of the 4-port coupler. With the application of the dielectric covering varnish (PMMA) on the spin coater, drying and curing, the manufacturing process is in principle completed.

13 zeigt schematisch die seitliche Ansicht auf eine beispielhafte erste Ausführungsform der 4-Tor-Koppler mit zwei Signaltoren des Kopplers. Auch hier sind wieder zur Präzisierung die inneren Grenzflächen der SPP-GWG als die Tore für große Spaltdicken (G) gekennzeichnet, wie sie für die verkürzte erste Ausführungsform verwendet werden, wobei ein SI-mode zur Anregung verwendet wird. Bei der nicht verkürzten, normalen ersten Ausführungsform der Koppler ist die Dicke (d) des Spaltes signifikant geringer als die Höhe (H) der Metallisierung und der symmetrische Grundwellentyp (even mode) wird durch zentrale Stimulation des gesamten Spalt-Bereiches mit Hilfe der End-fire-Technik angeregt. Für diesen Fall wird dann die gesamte Querschnittsfläche des Dielektikums im Spalt als Tor in dieser Ebene angesehen. 13 schematically shows the side view of an exemplary first embodiment of the 4-port coupler with two signal ports of the coupler. Again, for clarity, the inner interfaces of the SPP-GWG are characterized as the gates for large gap thicknesses (G) as used for the shortened first embodiment using an SI mode for excitation. In the non-shortened, normal first embodiment of the coupler, the thickness (d) of the gap is significantly less than the height (H) of the metallization, and the symmetrical fundamental mode (even mode) is achieved by central stimulation of the entire gap region by means of the final fire technique excited. For this case, then the entire cross-sectional area of the dielectic in the gap is considered as a gate in this plane.

Zur Veranschaulichung der elektro-optischen Vorgänge in einem solchen 4-Tor-Koppler ist in 14 der Verlauf der lateralen magnetischen Feldstärke bei einer Frequenz von etwa 685 THz entlang der einzelnen Zweige einer beispielhaften, verkürzten ersten Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur bei Anregung durch einen klassischen SI-mode gezeigt. Es handelt sich bei dieser Frequenz und mit den gewählten Dimensionierungen um einen 3-dB-Koppler.To illustrate the electro-optical processes in such a 4-port coupler is in 14 the course of the lateral magnetic field strength at a frequency of about 685 THz along the individual branches of an exemplary, shortened first embodiment of a 4-port coupler structure when excited by a classical SI mode shown. This frequency and the chosen dimensions are a 3 dB coupler.

Dieser besitzt im Detail folgende Abmessungen: Dicke des Spaltes (G) = 360 nm, Abstand zwischen den inneren Grenzflächen (W) = 180 nm, Koppellänge (L) = 36 nm, Koppelabstand (D) = 15 nm und Gesamtlänge des Kopplers (T) = 530 nm.This has the following dimensions in detail: thickness of the gap (G) 360 nm, distance between the inner interfaces (W) = 180 nm, coupling length (L) = 36 nm, coupling distance (D) = 15 nm and total length of the coupler (T) = 530 nm.

Die Aufspaltung der in Tor 1 einfallenden elektro-optischen Welle klassischen Wellentyps (SI-mode) bei einseitiger Anregung entlang der inneren Grenzfläche des SPP-GWG in zwei elektro-optische Wellen mit gleichgroße Amplituden an Tor 3 und Tor 4 ist deutlich zu erkennen. Deutlich sind auch die Auslöschung der Wellenamplituden an Tor 2 zu erkennen. Die Felder entlang der Grenzflächen besitzen gut erkennbare unterschiedliche Eindringtiefen in den jeweiligen Medien. Eine solche 4-Tor-Kopplerstruktur ist zu winzig, um sie einfach und direkt auf einem Messplatz vermessen zu können. Zur messtechnischen Erfassung der charakteristischen Parameter der jeweiligen Kopplerstrukturen ist eine Adapterschaltung notwendig, welche die winzigen Abmessungen der Signaltore der nanooptischen Schaltungsstruktur in handhabbare Größenordnungen anpasst.The Splitting of the incident in Tor 1 electro-optical wave classical Wave type (SI mode) with unilateral excitation along the inner Interface of the SPP-GWG in two electro-optical waves with equal amplitudes at gate 3 and gate 4 is clear to recognize. The extinction of the wave amplitudes is also clear to recognize at gate 2. The fields along the interfaces have well recognizable different penetration depths in the respective ones Media. Such a 4-port coupler structure is too tiny to handle easy and direct to measure on a measuring station. For measuring the characteristic parameters of the respective coupler structures an adapter circuit is necessary which the tiny dimensions of the signal gates of the nanooptic Circuit structure in manageable orders of magnitude adapts.

15 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform einer Messanordnung zur Vermessung der 4-Tor-Kopplerstrukturen mit allen Signaltoren der Koppler. Das jeweils zu vermessende Objekt (device under test, DUT), wird in diesem Adapter integriert, d. h. zur Vermessung des DUT wird z. B. der Koppler mitsamt dem Messadapter als komplette Einheit vollständig als nanooptische Schaltungsstruktur aufgebaut. So erhält man einen Chip, der sich mit den in der Halbleitertechnik üblichen Manipulatoren fixieren und ausrichten lässt. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, den 4-Tor-Koppler bequem zu handhaben und zu vermessen. 15 schematically shows the top view of an exemplary embodiment of a measuring arrangement for measuring the 4-port coupler structures with all the signal ports of the coupler. The respective object to be measured (device under test, DUT) is integrated in this adapter, ie for measuring the DUT, z. B. the coupler together with the measuring adapter as a complete unit completely constructed as a nano-optical circuit structure. So you get a chip that can be fixed and aligned with the usual in semiconductor technology manipulators. This makes it possible to conveniently handle and measure the 4-port coupler.

So kann, wie in 15 angedeutet, z. B. die Dicke des mit Dielektrikum gefüllten Spaltes soweit vergrößert werden, dass mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahles mit einem relativ großen Durchmesser von etwa 1 μm und der End-fire-Technik die unterschiedlichsten Moden gezielt und separat auf dem mit dem 4-Tor-Koppler verbundenen SPP-GWG angeregt werden können. Die zuführenden SPP-GWG müssen aber nicht unbedingt aufgeweitet werden. Wenn z. B. nur der gerade Grundwellentyp (even mode) von der SPP-GWG geführt werden soll, wie es bei den weiteren hier vorgestellten Ausführungsformen von Kopplerstrukturen der Fall ist, kann die Dicke des SPP-GWG durchaus bis zum äußeren Rand mit den ursprünglichen Abmessungen verbleiben.So can, as in 15 indicated, for. For example, the thickness of the gap filled with dielectric can be increased so far that with the help of a focused laser beam with a relatively large diameter of about 1 micron and the end-fire technique, the most diverse modes targeted and separately on the with the 4-port coupler connected SPP-GWG can be stimulated. The feeding SPP-GWG need not necessarily be widened. If z. B. only the straight fundamental mode (even mode) should be performed by the SPP-GWG, as is the case in the other embodiments of coupler structures presented here, the thickness of the SPP-GWG may well remain to the outer edge with the original dimensions ,

Zur Kalibrierung der Messaperatur werden Kalibriernormale benötig. Diese sollten gleichzeitig mit der Herstellung der im Adapter integrierten Koppler zusätzlich als separate Messobjekte gefertigt werden.to Calibration of the calibration certificate will require calibration standards. These should coincide with the manufacture of the adapter integrated into the adapter Couplers are also manufactured as separate measurement objects.

Dazu ist der mit DUT gekennzeichnete Bereich anstatt mit einem 4-Tor-Koppler beispielsweise mit der in 16 schematisch dargestellten 4-Tor-Wellenleiterstruktur zu versehen. Es handelt sich bei dieser zur Normalisierung dienenden Hilfsstruktur um zwei einfache, homogene, durchgehende und nicht miteinander verkoppelte SPP-GWG, die wie ungestörte Transmissionsleitungen wirken. Die äußeren Abmessungen (HP) und (BP) sind mit den entsprechenden Abmessungen der jeweiligen zu vermessenden Koppler identisch. Die Entfernung (SP) der SPP-GWG voneinander entspricht dem Abstand (W) der Grenzflächen des Kopplers. Die Dicken (WP) der Spalte müssen ebenfalls mit den Spaltdicken (G) in den Kopplerstrukturen identisch sein. Bei ansonsten identischem Aufbau der Adapterstruktur mit dem integrierten Koppler und der Adapterstruktur mit den anstelle des 4-Tor-Kopplers integrierten, in 16 gezeigten, einfachen Wellenleiter als Transmissionsleitungen können so die Leitungsverluste bzw. die Dämpfungen, die zusätzlich im Koppler entstehen, durch einfache Vergleichsmessungen mit den durchgehenden Transmissionsleitungen, messtechnisch erfasst werden.For this purpose, the marked with DUT area instead of a 4-port coupler, for example, with the in 16 to provide schematically illustrated 4-port waveguide structure. This normalizing auxiliary structure is composed of two simple, homogeneous, continuous and non-coupled SPP-GWGs how undisturbed transmission lines work. The outer dimensions (HP) and (BP) are identical to the corresponding dimensions of the respective couplers to be measured. The distance (SP) of the SPP-GWG from each other corresponds to the distance (W) of the interfaces of the coupler. The thicknesses (WP) of the column must also be identical to the gap thicknesses (G) in the coupler structures. With otherwise identical structure of the adapter structure with the integrated coupler and the adapter structure with the integrated instead of the 4-port coupler, in 16 As shown, simple waveguide transmission lines as the line losses or losses, which additionally arise in the coupler can be detected by simple comparison measurements with the continuous transmission lines, metrologically.

Wie bereits von der Mikrowellentechnik her bekannt ist, können auch bei nanooptischen Schaltungsbausteinen Streuparameter (S-Parameter) zur Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften verwendet werden, wobei die von den jeweiligen Toren reflektierten bzw. zu anderen Toren hin übertragenen Leistungswellen als Basis des Messverfahrens dienen.As already known from the microwave technology, can also with nano-optical circuit components scattering parameters (S-parameters) used to characterize the optoelectronic properties be, where the reflected from the respective gates or to other goals transmitted power waves as a basis serve the measuring method.

17 zeigt den frequenzabhängigen Verlauf des Betrages der wichtigsten Streuparameter des untersuchten Kopplers in der verkürzten ersten Ausführungsform, angeregt durch den einseitigen klassischen Wellentyp (Single Interface mode, SI-mode). 17 shows the frequency-dependent course of the magnitude of the main scattering parameters of the examined coupler in the shortened first embodiment, stimulated by the unilateral classic wave mode (single interface mode, SI-mode).

Es sind die Streuparameterbeträge im Frequenzbereich von etwa 400 THz bis über 700 THz wiedergegeben, welche die Transmissionen der Leistungswellen vom einem zum anderen Tor charakterisieren. Als Bezugsebenen für die Streuparameter sind die Ebenen nach der leicht geschwungenen Auseinanderführung der SPP-GWG gewählt worden, die den kompletten Koppler einschließen. Ihr gegenseitiger Abstand entspricht daher der Gesamtlänge des Kopplers der verkürzten ersten Ausführungsform und beträgt (T) = 530 nm. Die Bezeichnung der Streuparameter ist der Nummerierung der Tore folgendermaßen zugeordnet: Der Betrag des Streuparameters S21 gibt an, wie viel von der in das Eingangstor (input Port) Tor 1 eingespeisten Signalleistung an das Tor 2, dem isolierten Tor (isolated Port), übertragen wird. 17 zeigt für den gesamten Frequenzbereich einen Verlauf unterhalb von 20 dB, d. h. es wird weniger als 1 der in das Eingangstor Tor 1 eingespeisten Signalleistung auf das entkoppelte Tor übertragen.The scattering parameter amounts are reproduced in the frequency range from about 400 THz to over 700 THz, which characterize the transmissions of the power waves from one gate to the other. As reference planes for the scattering parameters, the planes have been chosen after the slightly curved separation of the SPP-GWGs, which include the complete coupler. Their mutual distance therefore corresponds to the total length of the coupler of the shortened first embodiment and is (T) = 530 nm. The designation of the scattering parameters is assigned to the numbering of the gates as follows: The amount of the scattering parameter S21 indicates how much of the inward gate ( Input Port) Gate 1 is fed to port 2, the isolated port (isolated port). 17 shows a progression below 20 dB for the entire frequency range, ie less than 1 of the signal power fed into the input port Tor 1 is transmitted to the decoupled gate.

Der Betrag des Streuparameters S31 gibt an, wie viel von der in das Eingangstor Tor 1 eingespeisten Signalleistung an das Tor 3, dem Durchgangstor (through Port), übertragen wird und der Betrag des Streuparameters S41 gibt an, wie viel von der in das Eingangstor Tor 1 eingespeisten Signalleistung an das Tor 4, dem gekoppelten Tor (coupled port), übertragen wird. Es ist eine signifikante Frequenzabhängigkeit im Übertragungsverhalten festzustellen. Je nach Frequenzbereich wird einmal mehr Signalleistung zu dem einen und mal mehr Signalleistung zu dem anderen Tor hin übertragen. Für fünf Signalfrequenzen ist im betrachteten Frequenzbereich die Leistungsaufteilung gleich groß, was diesen untersuchten Koppler zum Multi-Band Baustein macht. Für diese genannten Signalfrequenzen fungiert der hier untersuchte Koppler jeweils als Powersplitter oder als –3 dB Koppler; so z. B. auch bei 685 THz, wie in 14 gezeigt. Schaut man genau auf den Verlauf der Streuparameterbeträge so ist zu erkennen, dass die jeweiligen Leistungspegel jedoch eher bei –5 dB anstelle des theoretischen Optimums von –3 dB liegen. Das liegt daran, dass die zum eigentlichen Kopplerbereich hinführenden Wellenleiter verlustbehaftet sind. So haben die hier verwendeten leicht geschwungenen zu- und abführenden SPP-GWG eine relativ hohe Dämpfung von jeweils 1 dB, was die höheren Verluste erklärt. Hier könnte eine Optimierung des Verlaufs der Spalt-geführten Wellenleiter eine Reduzierung der Verluste bewirken.The amount of the scattering parameter S31 indicates how much of the signal power fed to the gate Tor 1 is transmitted to the port 3, the through port, and the amount of the scattering parameter S41 indicates how much of the gate input Tor 1 fed signal power to the gate 4, the coupled port (coupled port) is transmitted. There is a significant frequency dependence in the transmission behavior. Depending on the frequency range, once more signal power is transmitted to the one and sometimes more signal power to the other gate. For five signal frequencies, the power distribution in the frequency range under consideration is the same, which makes this coupler a multi-band module. For each of these signal frequencies, the coupler investigated here functions as a power splitter or -3 dB coupler; so z. B. also at 685 THz, as in 14 shown. If one looks closely at the course of the scattering parameter amounts, it can be seen that the respective power levels are rather at -5 dB instead of the theoretical optimum of -3 dB. This is because the waveguides leading to the actual coupler region are lossy. Thus, the slightly curved incoming and outgoing SPP-GWG used here have a relatively high attenuation of 1 dB, which explains the higher losses. Here an optimization of the course of the gap-guided waveguides could cause a reduction of the losses.

Durch Wahl der Abmessungen oder bei vorgegebener Struktur durch Wahl der Signalfrequenz kann die Koppeldämpfung in weiten Bereichen je nach Tor von –3 dB bis –15 dB bzw. von –3 dB bis –10 dB gewählt werden. Es handelt sich bei diesem 4-Tor-Koppler also keineswegs nur um einen Leistungsteiler, sondern um einen universellen Multi-Band Koppler mit variablen Koppelcharakteristiken. Weiterhin kann aus der Tatsache, dass der Koppler für sehr unterschiedliche Signalfrequenzen eine definierte Leistungsaufteilung bewirkt, schaltungstechnischer Nutzen gezogen werden. So kann der Koppler recht gut auch als Diplexer oder frequenzselektiver Umschalter verwendet werden.By Choice of dimensions or for a given structure by selecting the Signal frequency can be the coupling loss in wide ranges depending on the goal from -3 dB to -15 dB or -3 dB to -10 dB. It is about in this 4-port coupler not just a power divider, but a universal multi-band coupler with variable coupling characteristics. Farther can from the fact that the coupler for very different signal frequencies a defined power distribution causes more circuitry Benefit be drawn. So the coupler can quite well as a diplexer or frequency-selective switch can be used.

Die bisher betrachtete Kopplerstruktur der verkürzten ersten Ausführungsform besitzt als zu- und abführende Wellenleiter SPP-GWG mit relativ großen Spaltdicken (G) und wurde im Rahmen der Untersuchungen mit dem klassischen Wellentyp (SI-mode) durch einseitige Anregung entlang der inneren Grenzfläche des SPP-GWG angeregt.The previously considered coupler structure of the shortened first Embodiment has as an addition and laxative Waveguide SPP-GWG with relatively large gap thicknesses (G) and was part of the investigations with the classical wave type (SI-mode) by unilateral excitation along the inner interface of the SPP-GWG.

Diese Form des 4-Tor-Kopplers führt zwar zu besonders kurzen Koppellängen, ist wegen der großen Spaltdicken (G) aber nur bedingt für eine optimal hohe Integrationsdichte geeignet, weil die Streufelder im Dielektrikum relativ weitreichend sind, wie 14 eindrucksvoll belegt.Although this form of 4-port coupler leads to particularly short coupling lengths, because of the large gap thicknesses (G) but only conditionally suitable for an optimally high integration density, because the stray fields in the dielectric are relatively far-reaching, such as 14 impressively proven.

Durch signifikante Verringerung der Spaltdicken (G) auf 25 nm kann der klassische Wellentyp (SI mode) mit den zur Verfügung stehenden Mitteln nicht mehr separat angeregt werden. Vielmehr bildet sich bei Anwendung der End-fire-Technik zur Anregung der SPP durch Überlagerung der beiden Grenzflächen-Schwingungsfelder der in 7 dargestellte gerade Wellentyp (even mode) als Grundwellentyp (fundamental mode) für diesen Spalt-geführten SPP-Wellenleiter (SPP-GWG) aus. Um die elektro-optischen Vorgänge bequemer untersuchen zu können, wurde ein 4-Tor-Koppler in einer nicht verkürzten ersten Ausführungsform mit relativ großem Abstand (30 nm) der koppelnden Wellenleiter voneinander untersucht.By significantly reducing the gap thicknesses (G) to 25 nm, the classical mode (SI mode) can not be achieved with the available means be stimulated more separately. Rather, when using the end-fire technique to excite the SPP formed by superposition of the two interface vibrational fields of 7 illustrated straight mode (even mode) as the fundamental mode (fundamental mode) for this gap-guided SPP waveguide (SPP-GWG). In order to more conveniently examine the electro-optical processes, a 4-port coupler in a non-shortened first embodiment with relatively large spacing (30 nm) of the coupling waveguides from each other was investigated.

Die nachfolgend untersuchte 4-Tor-Kopplerstruktur besitzt im Detail folgende Abmessungen: Dicke des Spaltes (G) = 25 nm, Abstand zwischen den inneren Grenzflächen (W) = 400 nm, Koppellänge (L) = 500 nm, Koppelabstand (D) = 15 nm und Gesamtlänge des Kopplers (T) = 1 μm.The The 4-port coupler structure examined below has in detail following dimensions: thickness of the gap (G) = 25 nm, distance between the inner interfaces (W) = 400 nm, coupling length (L) = 500 nm, coupling distance (D) = 15 nm and total length of the coupler (T) = 1 μm.

18 zeigt den frequenzabhängigen Verlauf des Betrages der wichtigsten Streuparameter des hier untersuchten 4-Tor-Kopplers in der nicht verkürzten ersten Ausführungsform. Die Verläufe der Streuparameterbeträge ähneln wegen der verwandten Ausführungsform prinzipiell denen, die im Zusammenhang mit der verkürzten Version diese Kopplers bereits in 17 gezeigt sind und werden deshalb hier nicht erneut diskutiert. Als signifikante Unterschiede fällt auf, dass die Transmissions-Verluste in dieser nicht verkürzten ersten Ausführungsform der 4-Tor-Kopplerstruktur geringer sind als in der verkürzten ersten Ausführungsform. Obwohl die gesamte Kopplerstruktur nun etwa doppelt so lang ist wie die verkürzte Version, ist die Durchgangsdämpfung nur etwa halb so groß. Dies liegt offensichtlich an den konzentrierteren Feldern des geraden Grundwellentyps, der durch die Verringerung der Dicke (G) des mit Dielektrikum gefüllten Spaltes beim verwendeten SPP-GWG ausbreitungsfähig ist. Verbesserungswürdig ist allerdings die bei dieser Kopplerstruktur auftretende Verschlechterung der Isolation (S21), was aber kein prinzipielles Problem darstellen dürfte. 18 shows the frequency-dependent course of the magnitude of the main scattering parameters of the examined here 4-port coupler in the not shortened first embodiment. Because of the related embodiment, the characteristics of the scatter parameter amounts are in principle similar to those already described in connection with the shortened version of this coupler 17 are shown and will therefore not be discussed again here. As significant differences, it can be seen that the transmission losses in this non-shortened first embodiment of the 4-port coupler structure are smaller than in the shortened first embodiment. Although the entire coupler structure is now about twice as long as the shortened version, the transmission loss is only about half as large. This is obviously due to the more concentrated fields of the straight fundamental wave type, which is propagatable by reducing the thickness (G) of the dielectric filled gap in the SPP-GWG used. However, the deterioration of the insulation (S21) that occurs with this coupler structure can be improved, but this should not pose a fundamental problem.

19 zeigt den Verlauf der magnetischen Felder des symmetrischen Grundwellentyps (SPP even mode) entlang der einzelnen Wellenleiter (SPP-GWG) einer beispielhaften nicht verkürzten ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers bei einer Frequenz von etwa 250 THz. Auffällig bei dieser und den beiden weiteren Darstellungen ist die deutlich zu erkennende hohe Feldkonzentration im Dielektrikum des SPP-GWG und das relativ rasche Abklingen der Felder im umgebenden Metall. Nur im Bereich der Koppellänge der Kopplerstruktur findet offensichtlich eine heftige Wechselwirkung zwischen den Wellenleitern statt. Zu erkennen ist weiterhin, dass bei dieser Frequenz eine nahezu vollständigen Kopplung zwischen Tor 1 und Tor 4 stattfindet, d. h. nahezu die gesamte in Tor 1 eingespeiste Signalleistung gelangt zum Tor 4, während bei Tor 2 oder Tor 3 weniger als –25 dB, also etwa jeweils nur ein dreitausendstel der Signalleistung ausgekoppelt werden können. Dieses Verhalten ändert sich signifikant mit der Frequenz. 19 Figure 12 shows the course of the SPP even-mode magnetic fields along the individual waveguides (SPP-GWG) of an exemplary non-shortened first embodiment of the 4-port coupler at a frequency of about 250 THz. Noticeable in this and the other two representations is the clearly recognizable high field concentration in the dielectric of the SPP-GWG and the relatively rapid decay of the fields in the surrounding metal. Only in the region of the coupling length of the coupler structure does a violent interaction between the waveguides take place. It can also be seen that at this frequency an almost complete coupling between gate 1 and gate 4 takes place, ie almost the entire signal power fed into port 1 reaches the gate 4, while at gate 2 or gate 3 less than -25 dB, ie approximately in each case only one three-thousandths of the signal power can be coupled out. This behavior changes significantly with frequency.

20 zeigt den Verlauf der magnetischen Felder des symmetrischen Grundwellentyps (SPP even mode) entlang der einzelnen Wellenleiter (SPP-GWG) einer beispielhaften nicht verkürzten ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers bei einer Frequenz von etwa 350 THz. Zu erkennen ist bei dieser Frequenz eine nahezu gleichstarke Kopplung zwischen Tor 1 und Tor 4 sowie zwischen Tor 1 und Tor 3. Dies bedeutet, dass die Kopplerstruktur bei dieser Frequenz des eingespeisten Signals wie ein Leistungsteiler wirkt. Wird die Frequenz weiter erhöht, kehren sich die Verhältnisse im Vergleich zu 19 geradezu um. 20 Figure 12 shows the course of the SPP even-mode magnetic fields along the individual waveguides (SPP-GWG) of an exemplary non-shortened first embodiment of the 4-port coupler at a frequency of about 350 THz. It can be seen at this frequency a nearly equal coupling between port 1 and port 4 and between port 1 and port 3. This means that the coupler structure acts at this frequency of the injected signal as a power divider. If the frequency is further increased, the conditions are reversed 19 almost to.

21 zeigt den Verlauf der magnetischen Felder des symmetrischen Grundwellentyps (SPP even mode) entlang der einzelnen Wellenleiter (SPP-GWG) einer beispielhaften nicht verkürzten ersten Ausführungsform des 4-Tor-Kopplers bei einer Frequenz von etwa 440 THz. Diesmal zeigt sich eine nahezu vollständige Kopplung zwischen Tor 1 und Tor 3, d. h. nahezu die gesamte in Tor 1 eingespeiste Signalleistung gelangt zum Tor 3, während bei Tor 2 oder Tor 4 weniger als –25 dB, also etwa jeweils nur ein dreitausendstel der Signalleistung ausgekoppelt werden können. Diese Kopplerstruktur kann also prinzipiell als frequenzselektiver Diplexer bzw. bei einer mehr als 4-Tor-Ausführungsform als frequenzselektiver Multiplexer, als Richtkoppler mit vorgegebener Koppeldämpfung, als Multi-Band-Koppler und auch insbesondere als Leistungsteiler bei verschiedenen Frequenzen verwendet werden. 21 Figure 3 shows the course of the SPP even-mode magnetic fields along the individual waveguides (SPP-GWG) of an exemplary non-shortened first embodiment of the 4-port coupler at a frequency of about 440 THz. This time shows a nearly complete coupling between Tor 1 and Tor 3, ie almost the entire fed into Tor 1 signal power reaches the gate 3, while at Tor 2 or Tor 4 less than -25 dB, so about each coupled out only one three thousandths of the signal power can be. This coupler structure can therefore be used in principle as a frequency-selective diplexer or in a more than 4-port embodiment as a frequency-selective multiplexer, as a directional coupler with predetermined coupling loss, as a multi-band coupler and also in particular as a power divider at different frequencies.

Alternativ zu den bereits beschriebenen Kopplerstrukturen wird nachfolgend als weitere Ausführungsform einer Breitseiten-gekoppelten ultra-kompakten Multi-Band Kopplerstruktur in Spalt-geführter Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleitertechnik eine Kopplerstruktur beschrieben, die prinzipiell ähnliche charakteristische Eigenschaften wie die bisher beschriebene Kopplerstruktur aufweist aber noch kompakter und verlustärmer aufgebaut ist. Diese zweite Ausführungsform von Kopplerstrukturen besitzt als zu- und abführende Wellenleiter SPP-GWG mit relativ geringen Spaltdicken (G = 25 nm) und wird ausschließlich mit dem Grundwellentyp (SPP even mode) durch symmetrische Anregung der jeweiligen Tore durch End-fire-Technik zentral fokussiert in das Zentrum des Querschnitts des SPP-GWG, betrieben. Das Besondere an der zweiten Ausführungsform ist, dass jeder einzelne SPP-GWG eine eigene Ebene besitzt, in der dieser SPP-GWG beliebig verlegt werden kann, ohne einen anderen Wellenleiter zu kreuzen, weil er in dieser Ebene höchstens auf sich selber trifft. Die verschiedenen Ebenen, in denen sich die jeweiligen Wellenleiter (SPP-GWG) befinden, sind durch eine sehr dünne (etwa 15 nm) Metallschicht voneinander separiert, wodurch sich im Bereich der Kopplung automatisch ein Koppelabstand (D) = 15 nm ergibt. Liegen zwei SPP-GWG in den verschiedenen Ebenen in einem bestimmten Bereich unmittelbar übereinander, so kommt es in diesem Bereich wegen der dünnen Metallschicht zwischen den Dielektrika der unterschiedlichen SPP-GWG zur intensiven Kopplung der Felder in den einzelnen SPP-GWG, wobei das jeweilige frequenzabhängige charakteristische elektrische Verhalten dieser so erzeugten Kopplerstrukturen in komplizierter Weise von den geometrischen Abmessungen, den Materialeigenschaften der zum Aufbau der Strukturen verwendeten Materialien und von der Frequenz der zur Anregung der Plasmaschwingungen zugeführten elektromagnetischen Energie abhängt.As an alternative to the coupler structures already described, a coupler structure is described below as a further embodiment of a broadside-coupled ultra-compact multi-band coupler structure in gap-guided surfaces Plasmon Polariton waveguide technology, which has in principle similar characteristics as the previously described Kopplerstruktur but still compact and low loss is constructed. This second embodiment of coupler structures has as an incoming and outgoing waveguide SPP-GWG with relatively small gap thicknesses (G = 25 nm) and is centrally focused exclusively with the fundamental mode (SPP even mode) by symmetrical excitation of the respective gates by end-fire technology operated in the center of the cross-section of the SPP-GWG. The special feature of the second embodiment is that each individual SPP-GWG has its own level, in which this SPP-GWG can be laid arbitrarily, without crossing another waveguide, because in this level it meets at most itself. The different The planes in which the respective waveguides (SPP-GWG) are located are separated by a very thin (about 15 nm) metal layer, which automatically results in a coupling distance (D) = 15 nm in the coupling region. If two SPP-GWGs lie directly above one another in the different levels in a certain area, the intense coupling of the fields into the individual SPP-GWGs occurs in this area because of the thin metal layer between the dielectrics of the different SPP-GWGs, whereby the respective frequency-dependent characteristic electrical behavior of these coupler structures thus produced depends in a complicated manner on the geometrical dimensions, the material properties of the materials used to construct the structures and on the frequency of the electromagnetic energy supplied for exciting the plasma oscillations.

Beide Ausführungsformen der Kopplerstrukturen, die bisher beschriebenen verkürzten oder nicht verkürzten ersten Ausführungsformen und die zweite Ausführungsform der Kopplerstruktur, sind im Koppelbereich Breitseiten-gekoppelt, was sich durch die Verwendung von SPP-GWG als kompakte Wellenleiter auch sehr vorteilhaft realisieren lässt. Weil bei dieser Art der Kopplung die zur induzierenden Einwirkung der Plasmaschwingungen des einen Wellenleiters auf den anderen Wellenleiter zur Verfügung gestellte Wirkungsfläche und damit das Maß der koppelnden Felder außerordentlich groß ist, sind die erforderlichen Koppellängen (L) im Vergleich zu den Streifen-geführten SPP-Wellenleitern so gering. Der Unterschied zwischen der Kanten-Kopplung und der Breitseiten-Kopplung wird anhand der nachfolgenden Bilder offensichtlich. 22 zeigt den typischen Querschnitt des Koppelbereiches von SPP-SWG basierten Kopplerstrukturen, wie sie bisher von anderen Wissenschaftlern realisiert worden sind. Bei dieser SPP-SWG Technik werden zunächst, wie es beispielsweise in der Mikrowellen-Streifenleitungstechnik üblich ist, Leiterbahnen auf einem dielektrischen Trägermaterial aufgebracht und strukturiert. Dabei bietet es sich an, die Koppler ebenfalls wie es von der Mikrowellen-Streifenleitungstechnik her bekannt ist dadurch zu realisieren, dass die Leiterstreifen seitlich zueinandergeführt werden. Hier können also nur die seitlichen Randfelder der jeweils von den metallenen Streifen geführten Wellentypen miteinander koppeln. Selbst wenn die metallenen Leiterstreifen soweit zusammengeführt werden, dass sie sich an den Kanten direkt berühren, zeigen die Vektoren der von den Streifen geführten Felder in erster Linie senkrecht zur Kontaktfläche. Es wird also zunächst nur ein Vorteil daraus gezogen, dass die Beträge der Streufelder in unmittelbarer Nähe der Streifen stärker sind. Die Streifen lassen sich seitlich nur soweit annähern, bis sie sich berühren. Durch die so erzwungene Verdopplung der Streifenbreite, können aber auch weitere, eventuell störende Wellentypen angeregt werden. Deshalb sollte ein unmittelbarer Kontakt der metallenen Streifen vermieden werden.Both embodiments of the coupler structures, the previously described shortened or non-shortened first embodiments and the second embodiment of the coupler structure are broadside-coupled in the coupling region, which can also be implemented very advantageously by using SPP-GWG as a compact waveguide. Since, in this type of coupling, the effective area provided for inducing the action of the plasma oscillations of one waveguide on the other waveguide and thus the degree of coupling fields is extremely large, the required coupling lengths (L) compared to the strip-guided SPP are Waveguides so low. The difference between the edge coupling and the broadside coupling will be apparent from the following pictures. 22 shows the typical cross section of the coupling region of SPP-SWG based coupler structures, as have been realized by other scientists. In this SPP-SWG technique, first of all, as is customary in microwave stripline technology, printed conductors are applied and patterned on a dielectric carrier material. It also makes sense to realize the coupler as it is known from the microwave stripline technology in that the conductor strips are guided laterally to each other. So here only the lateral edge fields of each guided by the metal strip wave types can couple together. Even if the metal conductor strips are brought together so far that they touch each other directly at the edges, the vectors of the fields guided by the strips are primarily perpendicular to the contact surface. At first, only one advantage is taken of the fact that the amounts of stray fields in the immediate vicinity of the strips are stronger. The stripes can be laterally only approximate until they touch. Due to the forced doubling of the strip width, however, further, possibly disturbing wave types can be stimulated. Therefore, a direct contact of the metal strips should be avoided.

Im Gegensatz dazu zeigt 23 den typischen Querschnitt des Koppelbereiches der hier verwendeten Breitseiten-Kopplung von SPP-GWG basierten Kopplerstrukturen. Es ist ein großflächiger, über die gesamte Höhe des SPP-GWG wirkender Kopplungsbereich zu erkennen, der dann auch noch über die gesamte Koppellänge (L) beibehalten wird. Beide Wellenleiter besitzen im Bereich der Kopplung eine gemeinsame metallene Wand, die nur wenige Atomlagen dick ist. Offensichtlich werden dadurch die SPP viel unmittelbarer, sozusagen direkt durch die benachbarten SPP des anderen SPP-GWG angeregt, als es durch die benachbarten Streufelder bei den Streifen-geführten Strukturen der Fall ist. Erste Hinweise darauf geben bei entsprechender Interpretation die Feldbilder in 14, 19, 20 und 21. Doch sind die tatsächlichen Gründe derzeit noch Forschungsgegenstand.In contrast, shows 23 the typical cross section of the coupling region of the broadside coupling used here of SPP-GWG based coupler structures. It is a large, over the entire height of the SPP-GWG acting coupling area to recognize, which is then maintained over the entire coupling length (L). Both waveguides have in the coupling region a common metal wall, which is only a few atomic layers thick. Obviously, this causes the SPP much more directly, as it were directly excited by the adjacent SPP of the other SPP-GWG, as it is by the adjacent stray fields in the strip-guided structures. First indications give the field pictures in with appropriate interpretation 14 . 19 . 20 and 21 , However, the actual reasons are still research subject.

Um mehr schaltungstechnische Freiheitsgrade bei einem noch höheren Grad der Integrationsdichte zu erhalten, ist es notwendig, die Richtungen der zu- und abführenden Wellenleiter prinzipiell beliebig zu gestalten und die Zahl der miteinander verkoppelten Wellenleiter je nach Bedarf zu erhöhen. Dazu wird nun eine universelle zweite Ausführungsform der Koppelstrukturen entwickelt.Around more circuit-engineering degrees of freedom at an even higher level To get degree of integration density, it is necessary to change the directions of In principle, the incoming and outgoing waveguides are arbitrary shape and the number of coupled waveguides increase as needed. This is now a universal developed second embodiment of the coupling structures.

24 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers. Um die Verluste in Fortpflanzungsrichtung der Welle durch abrupte Richtungsänderungen der Wellenleiter zu reduzieren, werden auch hier die zu- und abführenden Wellenleiter in sanft geschwungenen Bahnen geführt. Die Verkopplung der Feldenergien der jeweiligen Wellenleiter findet über den gesamten, mehr oder weniger kompliziert berandeten Bereich der Kopplung statt, also überall dort, wo die jeweiligen SPP-GWG sich direkt überlappen. Ansonsten gilt hinsichtlich der prinzipiellen Funktionsweise das bereits weiter oben diskutierte. 24 schematically shows the top view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler. In order to reduce the losses in the direction of propagation of the wave by abrupt changes in direction of the waveguide, the incoming and outgoing waveguides are guided in gently curved paths here as well. The coupling of the field energies of the respective waveguides takes place over the entire, more or less complicated, bounded area of the coupling, ie wherever the respective SPP-GWG overlap directly. Otherwise, with regard to the basic mode of operation, what has already been discussed above applies.

Es muss allerdings ausdrücklich auf einen prinzipiellen und sehr signifikanten Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform der SPP-GWG basierten Kopplerstrukturen hingewiesen werden, damit man durch die ähnlichen Bilder im Verständnis nicht fehlgeleitet wird. Die zu erkennenden Wellenleiterstrukturen sind hier im Vergleich zu 8 und den entsprechenden vorherigen Bildern um 90 Grad räumlich gedreht gezeichnet, d. h. wir blicken jetzt nicht mehr auf das Dielektrikum mit der Dicke (G), sondern auf das Dielektrikum der Höhe (H)!However, it must be expressly pointed to a principal and very significant difference between the first and the second embodiment of the SPP-GWG based coupler structures, so that one is not misled by the similar images in the understanding. The waveguide structures to be recognized here are compared to 8th and the corresponding previous images are drawn spatially rotated by 90 degrees, ie we no longer look at the dielectric with the thickness (G) but at the dielectric of the height (H)!

Dies wird sofort deutlich erkennbar, wenn 25 betrachtet wird. 25 zeigt schematisch die Seitenansicht einer beispielhaften zweiten Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den zwei ersten Signaltoren des Kopplers und dem Bereich der Kopplung. An den Torbezeichnungen (Tor 1) und (Tor 2) sind die dielektrischen Querschnittsflächen der SPP-GWG zu erkennen, die z. B. eine Höhe (H) von etwa 200 nm und eine Dicke (G) von etwa 25 nm aufweisen. Deutlich zu erkennen ist auch, dass die jeweiligen SPP-GWG in unterschiedlichen Ebenen liegen. Werden diese so geführt, dass sie sich überlappen, kommt es in diesem Überlappungsbereich zu einer intensiven Kopplung dieser beiden Wellenleiter.This becomes immediately apparent when 25 is looked at. 25 schematically shows the side view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the two first signal ports of the coupler and the region of the coupling. The gate designations (Gate 1) and (Gate 2) show the dielectric cross-sectional areas of the SPP-GWG. B. have a height (H) of about 200 nm and a thickness (G) of about 25 nm. It can also be clearly seen that the respective SPP-GWG lie in different levels. If these are guided in such a way that they overlap, an intensive coupling of these two waveguides occurs in this overlapping area.

Der schaltungstechnische Vorteil der zweiten Ausführungsform wird in den nachfolgenden Bildern ersichtlich. 26 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, mit einem um 90 Grad abgewinkelten Signaltor. Dadurch kann das mit dem Tor 4 verknüpfte Signal einem weiteren nanooptischen Schaltungsbaustein zugeführt werden der beliebig groß sein darf, ohne Gefahr zu laufen, das Tor 3 durch die für diesen Schaltungsbaustein erforderliche Fläche, zu blockieren.The circuitry advantage of the second embodiment will become apparent in the following pictures. 26 schematically shows the top view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler, with a 90 degrees angled signal port. As a result, the signal associated with the gate 4 can be fed to a further nano-optical circuit module which may be of any size without running the risk of blocking the door 3 by the area required for this circuit module.

27 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, mit zwei um jeweils 90 Grad abgewinkelten Signaltoren. Hier wurde der bereits begonnene Gedanke weiter fortgesetzt. Die in 27 gezeigte Kopplerstruktur lässt sich auch sehr einfach kaskadieren, indem man eine Anzahl weiterer, baugleicher Kopplerstrukturen in fortgesetzter Reihenfolge aneinander reiht. Dazu werden entsprechend viele gleich oder modifiziert aufgebaute Kopplerstrukturen so miteinander verschaltet, dass das Tor 3 einer ersten Kopplerstruktur mit dem Tor 1 einer zweiten Kopplerstruktur, das Tor 3 der zweiten Kopplerstruktur mit dem Tor 1 einer dritten Kopplerstruktur usw. verbunden ist. Nun werden das jeweilige Tor 2 und das jeweilige Tor 4 der jeweiligen Kopplerstrukturen mit nanooptischen Schaltkreisen verbunden. Dadurch ergeben sich zahlreiche schaltungstechnische Möglichkeiten. Werden beispielsweise alle Kopplerstrukturen als unidirektionale Richtkoppler aufgebaut, so gelangen bei Einspeisung eines Signals in das Tor 1 der ersten Kopplerstruktur jeweils Signale in die jeweiligen Tore 4 der jeweiligen Kopplerstrukturen. Wird das Signal hingegen in das Tor 3 der letzten Kopplerstruktur eingespeist, so gelangen jeweils Signale an die jeweiligen Tore 2 der jeweiligen Kopplerstrukturen. Die unterschiedlichen Möglichkeiten, nanooptische Schaltkreise mit Hilfe dieser Kopplerstrukturen zu realisieren, sind sehr zahlreich. Eine weitere Variante der Gestaltung zeigt das nachfolgende Bild. 28 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 4-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers, mit vier um jeweils 90 Grad abgewinkelten Signaltoren. Diese Kopplerstruktur kann als bidirektionaler Koppler entworfen werden und dann gegenüberliegende nanooptische Schaltungsbausteine miteinander verbinden. 27 schematically shows the top view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler, with two by 90 degrees angled signal ports. Here, the already begun thought was continued. In the 27 The coupler structure shown can also be cascaded very simply by stringing together a number of further identical coupler structures in a sequential order. For this purpose, a corresponding number of identical or modified coupler structures are connected to one another such that the port 3 of a first coupler structure is connected to the port 1 of a second coupler structure, the port 3 of the second coupler structure is connected to the port 1 of a third coupler structure, etc. Now, the respective port 2 and the respective port 4 of the respective coupler structures are connected to nano-optical circuits. This results in numerous circuit options. If, for example, all coupler structures are constructed as unidirectional directional couplers, signals are fed into the respective ports 4 of the respective coupler structures when a signal is fed into the port 1 of the first coupler structure. If, on the other hand, the signal is fed into the port 3 of the last coupler structure, signals are sent to the respective ports 2 of the respective coupler structures. The various possibilities of realizing nano-optical circuits with the aid of these coupler structures are very numerous. Another variant of the design is shown in the following picture. 28 schematically shows the top view of an exemplary second embodiment of a 4-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler, with four by 90 degrees angled signal ports. This coupler structure can be designed as a bidirectional coupler and then interconnect opposing nano-optic circuit devices.

Die Mehrlagentechnik ermöglicht es, eine prinzipiell beliebige Anzahl von SPP-GWG miteinander zu verkoppeln. In 29 ist schematisch die Aufsicht auf eine beispielhafte zweite Ausführungsform einer 6-Tor-Kopplerstruktur mit den jeweiligen Signaltoren des Kopplers gezeigt. Diese Kopplerstruktur entsteht dadurch, dass zu den bekannten Kopplerstrukturen der zweiten Ausführungsform weitere Ebenen mit einem dritten SPP-GWG zugefügt werden. Dieser dritte Wellenleiter wird dann in bekannter Weise so geführt, dass es zu einer Überlappung mit den anderen Wellenleitern kommt. 30 zeigt schematisch die Seitenansicht einer beispielhaften zweiten Ausführungsform einer 6-Tor-Kopplerstruktur mit den zwei ersten Signaltoren und dem fünften Signaltor des Kopplers und dem Bereich der Kopplung, in dem sich die Breitseiten der drei Wellenleiter überlappen. Je nach Erfordernissen können weitere Ebenen hinzugefügt werden, um weitere Wellenleiter miteinander zu verkoppeln und die Torzahl der Koppler zu erhöhen.The multi-layer technology makes it possible to link together an arbitrary number of SPP-GWGs. In 29 schematically the top view of an exemplary second embodiment of a 6-port coupler structure with the respective signal ports of the coupler is shown. This coupler structure arises from the fact that additional layers with a third SPP-GWG are added to the known coupler structures of the second embodiment. This third waveguide is then guided in a known manner so that it overlaps with the other waveguides. 30 schematically shows the side view of an exemplary second embodiment of a 6-port coupler structure with the two first signal ports and the fifth signal port of the coupler and the region of the coupling in which the broad sides of the three waveguides overlap. As required, additional levels can be added to link additional waveguides together and increase the number of ports of the couplers.

Die zur Herstellung solcher komplexer Strukturen im Nanometer-Bereich erforderlichen Technologien sind derzeit jedoch noch nicht verfügbar. Deshalb muss man sich bei der messtechnischen Überprüfung der Berechnungen solcher Strukturen noch etwas gedulden.The for producing such complex structures in the nanometer range required technologies are currently not available. That's why you have to be in the metrological review to wait a bit longer for the calculations of such structures.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • - Boltasseva et. al. [0040] - Boltasseva et. al. [0040]

Claims (12)

Kopplerstrukturen für den Einsatz in nanooptischen Schaltkreisen und Netzwerken, bestehend aus Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleitern, in denen Plasmaschwingungen in Grenzschichten zwischen einem Dielektrikum und einem Metall angeregt werden, um elektromagnetische Energie und Signale bei optischen Frequenzen, d. h. bei einigen hundert Terahertz zu transportieren, – mit zwei oder mehr Wellenleitern, die zum Transport elektromagnetischer Energie im Bereich optischer Frequenzen geeignet sind und – mit wenigstens einem Kopplungsbereich, in dem die jeweiligen Wellenleiter so eng zusammengeführt werden, dass die von den jeweiligen Wellenleitern geführten elektromagnetischen Felder untereinander in Wechselwirkung treten können, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche zum Aufbau der Kopplerstrukturen verwendeten nanooptischen Wellenleiter ausnahmslos vom Typ Spalt-geführte Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiter (englisch: Surface Plasmon Polariton Gap Wave Guide, abgekürzt: SPP-GWG) sind, – wobei ein Spalt-geführter Oberflächen Plasmon Polariton Wellenleiter in einem begrenzten Bereich der Höhe (H) aus drei Schichten besteht, – wobei die erste Schicht aus Metall, die zweite Schicht aus einem Dielektrikum mit der Dicke (G) und die dritte Schicht wiederum aus Metall besteht, – wodurch zwei planparallel angeordnete Grenzflächen zwischen den unterschiedlichen Materialien gebildet werden, die den Abstand (G) voneinander haben, – wobei in Abhängigkeit von den jeweiligen geometrischen Abmessungen (H), (G) und den jeweiligen charakteristischen Eigenschaften der zum Aufbau der SPP-GWG jeweils verwendeten Materialien, unterschiedliche ausbreitungsfähige Wellentypen angeregt werden können, die je nach Typ sowohl jeweils eine als auch durch Überlagerung der Felder gleichzeitig beide Grenzflächen des SPP-GWG involvieren und diese zum Aufbau der Kopplerstrukturen verwendeten nanooptischen Wellenleiter im Kopplungsbereich stets Breitseiten-verkoppelt sind, – wobei Breitseiten-verkoppelt bedeutet, dass die Wellenleiter so weit zusammengeführt werden, dass sich die Wellenleiter berühren und dabei die jeweiligen planparallelen Grenzflächen der SPP-GWG im Kopplungsbereich wiederum planparallel zueinander sind und – wobei die jeweils miteinander verkoppelten SPP-GWG über den gesamten Koppelbereich eine gemeinsame Schicht aus Metall besitzen, – wobei diese Schicht in der Regel sehr dünn ist, das heißt, dass ihre Dicke typischerweise weniger als 50 Nanometer beträgt, was bedeutet, dass die jeweiligen direkt benachbarten aktiven Grenzschichten der jeweiligen unterschiedlichen Wellenleiter im Kopplungsbereich weniger als 50 nm voneinander entfernt sind.Coupler structures for use in nano-optical circuits and networks consisting of plasmon polariton waveguide surfaces, in which plasma oscillations are excited in interfaces between a dielectric and a metal to transport electromagnetic energy and signals at optical frequencies, ie at a few hundred terahertz two or more waveguides suitable for transporting electromagnetic energy in the range of optical frequencies, and having at least one coupling region in which the respective waveguides are brought together so closely that the electromagnetic fields guided by the respective waveguides can interact with one another, characterized in that all nano-optical waveguides used to construct the coupler structures invariably consist of the type gap-guided surfaces Plasmon Polariton Waveguide (abbreviated: Surface Plasmon Polariton Gap Wave Guide, abbreviated to: SPP-GWG), - wherein a gap-guided surface plasmon polariton waveguide in a limited range of height (H) consists of three layers, - wherein the first layer of metal, the second layer of a dielectric having the thickness (G) and the third layer is in turn made of metal, - whereby two plane-parallel arranged interfaces between the different materials are formed, which have the distance (G) from each other, - depending on the respective geometric dimensions (H), (G) and the respective Characteristic properties of the materials used to build the SPP-GWG, different types of propagation wave can be excited, depending on the type both one and by overlaying the fields simultaneously involve both interfaces of the SPP-GWG and these used to build the coupler structures nano-optical waveguide always broadside-coupled in the coupling area si nd, - where broadside-coupled means that the waveguides are brought together so far that touch the waveguides and thereby the respective plane-parallel interfaces of the SPP-GWG in the coupling region are again plane-parallel to each other and - wherein each coupled together SPP-GWG on the the entire coupling region has a common layer of metal, this layer usually being very thin, that is to say its thickness is typically less than 50 nanometers, which means that the respective directly adjacent active boundary layers of the respective different waveguides are less in the coupling region than 50 nm apart. Kopplerstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Gesamtlänge (T) des Kopplers hinweg zwei exakt parallel zueinander geführte SPP-GWG zunächst soweit voneinander entfernt sind, dass kein Übersprechen der Signale der jeweiligen SPP-GWG erfolgen kann, das dann diese zwei SPP-GWG in geschwungener, abgerundeter Art und Weise soweit zusammengeführt werden, dass sie sich über einen Bereich der Koppellänge (L) hinweg unmittelbar berühren und die Dielektrika der jeweiligen SPP-GWG im Bereich der Koppellänge (L) nur durch eine sehr dünne Metallschicht voneinander getrennt sind, danach dann diese SPP-GWG in geschwungener, abgerundeter Art und Weise wieder soweit separiert werden, das kein Übersprechen der Signale zwischen den jeweiligen SPP-GWG erfolgen kann, – wobei die Spaltdicke (G) der zum Aufbau des Kopplers verwendeten SPP-GWG so weit gewählt wird, dass ein ausbreitungsfähiger Wellentyp, der nur die jeweils zueinanderliegenden, inneren Grenzflächen der miteinander verkoppelten SPP-GWG involviert (ein sogenannter Single Interface – mode oder SI-mode) als Grundwellentyp (fundamental mode) angeregt werden kann, der dann das charakteristische elektromagnetische Verhalten der Kopplerstruktur im gesamten Kopplungsbereich bestimmt.Coupler structures according to Claim 1, characterized that over the total length (T) of the coupler is two exactly parallel mutually guided SPP-GWG initially as far apart are removed, that no crosstalk of the signals of the respective SPP-GWG, which then turns these two SPP-GWG into curved, rounded way to be merged so far that they are over an area of coupling length (L) and touch the dielectrics respective SPP-GWG in the coupling length (L) only by a very thin metal layer are separated from each other, then this SPP-GWG in curved, rounded way and Way to be separated again so far, no crosstalk the signals between the respective SPP-GWG can take place, - in which the gap thickness (G) of the SPP-GWG used to construct the coupler so far chosen that a propagator Type of shaft, which only the respective inner, inner interfaces of the coupled SPP-GWG involved (a so-called single Interface mode or SI mode) as fundamental mode (fundamental mode), then the characteristic electromagnetic Behavior of the coupler structure determined in the entire coupling area. Kopplerstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Gesamtlänge (T) des Kopplers hinweg zwei exakt parallel zueinander geführte SPP-GWG zunächst soweit voneinander entfernt sind, dass kein Übersprechen der Signale der jeweiligen SPP-GWG erfolgen kann, das dann diese zwei SPP-GWG in geschwungener, abgerundeter Art und Weise soweit zusammengeführt werden, dass sie sich über einen Bereich der Koppellänge (L) hinweg unmittelbar berühren und die Dielektrika der jeweiligen SPP-GWG im Bereich der Koppellänge (L) nur durch eine sehr dünne Metallschicht voneinander getrennt sind, danach dann diese SPP-GWG in geschwungener, abgerundeter Art und Weise wieder soweit separiert werden, das kein Übersprechen der Signale zwischen den jeweiligen SPP-GWG erfolgen kann, – wobei die Spaltdicke (G) der zum Aufbau des Kopplers verwendeten SPP-GWG so schmal gewählt wird, dass ein ausbreitungsfähiger überlagerter Wellentyp, der gleichzeitig beide inneren Grenzflächen der miteinander verkoppelten SPP-GWG involviert (ein sogenannter Surface Plasmon Polariton even mode oder SPP even mode) als Grundwellentyp (fundamental mode) angeregt werden kann, der dann das charakteristische elektromagnetische Verhalten der Kopplerstruktur im gesamten Kopplungsbereich bestimmt.Coupler structures according to Claim 1, characterized that over the total length (T) of the coupler is two exactly parallel mutually guided SPP-GWG initially as far apart are removed, that no crosstalk of the signals of the respective SPP-GWG, which then turns these two SPP-GWG into curved, rounded way to be merged so far that they are over an area of coupling length (L) and touch the dielectrics respective SPP-GWG in the coupling length (L) only by a very thin metal layer are separated from each other, then this SPP-GWG in curved, rounded way and Way to be separated again so far, no crosstalk the signals between the respective SPP-GWG can take place, - in which the gap thickness (G) of the SPP-GWG used to construct the coupler is chosen so narrow that a spreadable superimposed Wave type, the same time both internal interfaces the interconnected SPP-GWG involved (a so-called Surface Plasmon Polariton even mode or SPP even mode) as the fundamental mode (fundamental mode) can be stimulated, then the characteristic electromagnetic behavior of the coupler structure in the entire coupling region certainly. Kopplerstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Gesamtlänge der Kopplerstruktur hinweg zwei oder mehr SPP-GWG planparallel hinsichtlich der jeweiligen Grenzflächen ansonsten aber in verschiedenen Ebenen liegend beliebig zueinander geführt werden und zunächst soweit voneinander entfernt sind, dass kein Übersprechen der Signale der jeweiligen SPP-GWG erfolgen kann, dass dann diese zwei oder mehreren SPP-GWG in geschwungener, abgerundeter Art und Weise soweit zusammengeführt werden, dass sie sich über einen Bereich der Koppelung hinweg unmittelbar berühren und die Dielektrika der jeweiligen SPP-GWG im Bereich der Koppelung nur durch eine sehr dünne Metallschicht voneinander getrennt sind, danach dann diese SPP-GWG in geschwungener, abgerundeter Art und Weise wieder soweit separiert werden, das kein Übersprechen der Signale zwischen den jeweiligen SPP-GWG erfolgen kann, – wobei die Spaltdicke (G) der zum Aufbau des Kopplers verwendeten SPP-GWG so schmal gewählt wird, dass ein ausbreitungsfähiger überlagerter Wellentyp, der gleichzeitig beide inneren Grenzflächen der miteinander verkoppelten SPP-GWG involviert (ein sogenannter Surface Plasmon Polariton even mode oder SPP even mode) als Grundwellentyp (fundamental mode) angeregt werden kann, der dann das charakteristische elektromagnetische Verhalten der Kopplerstruktur im gesamten Kopplungsbereich bestimmt.Coupler structures according to Claim 1, characterized that over the total length of the coupler structure is two or more SPP-GWG plane-parallel with regard to the respective interfaces but otherwise lying in different levels arbitrarily led to each other and are so far apart from each other that no crosstalk of the signals of the respective SPP-GWG take place can then that these two or more SPP-GWG in curved, rounded way to be merged so far that they are immediately across an area of coupling touch and the dielectrics of the respective SPP-GWG in Area of coupling only by a very thin metal layer from each other are separated, then then this SPP-GWG in curved, rounded Way to be separated again so far that no crosstalk the signals between the respective SPP-GWG can take place, - in which the gap thickness (G) of the SPP-GWG used to construct the coupler is chosen so narrow that a spreadable superimposed Wave type, the same time both internal interfaces the interconnected SPP-GWG involved (a so-called Surface Plasmon Polariton even mode or SPP even mode) as the fundamental mode (fundamental mode) can be stimulated, then the characteristic electromagnetic behavior of the coupler structure in the entire coupling region certainly. Kopplerstrukturen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung eines geeigneten Wellentyps bei einer bestimmten Frequenz so betrieben wird, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeiste elektromagnetische Energie sich auf zwei dazu bestimmter Signaltore gleichförmig mit gleich großen Energieanteilen aufteilt, wobei die Kopplerstruktur bei dieser Frequenz dann wie ein Leistungsteiler (power splitter) wirkt.Coupler structures according to claim 2 to 4, characterized characterized in that by specific choice of geometrical dimensions and the materials used to construct the coupler structure so designed and by choice and stimulation of a suitable wave type operated at a certain frequency so that in one certain signal port of the coupler structure fed electromagnetic energy on two designated signal gates uniform with shares equally large proportions of energy, the Kopplerstruktur at that frequency then like a power splitter acts. Kopplerstrukturen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung geeigneter Wellentypen bei unterschiedlichen Frequenzen so betrieben wird, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeisten elektromagnetischen Energien unterschiedlicher Frequenzen sich auf zwei dazu bestimmter Signaltore jeweils gleichförmig mit gleich großen Energieanteilen aufteilen, wobei die Kopplerstruktur bei diesen Frequenzen dann wie ein Multi-Band Leistungsteiler (multi-band power splitter) wirkt.Coupler structures according to claim 2 to 4, characterized characterized in that in particular by selective choice of the geometric Dimensions and materials used to build the coupler structure designed and selected and stimulated by suitable wave types is operated at different frequencies so that the in a given signal gate of the coupler structure fed electromagnetic Energies of different frequencies are limited to two Signal gates each uniform with the same size Divide energy shares, the Kopplerstruktur in these Frequencies then like a multi-band power divider (multi-band power splitter) acts. Kopplerstrukturen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung eines geeigneten Wellentyps bei einer bestimmten Frequenz so betrieben wird, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeiste elektromagnetische Energie sich auf zwei dazu bestimmter Signaltore mit genau definiert großen Energieanteilen aufteilt, wobei die Kopplerstruktur bei dieser Frequenz dann wie ein Richtkoppler (directional coupler) wirkt.Coupler structures according to claim 2 to 4, characterized characterized in that by specific choice of geometrical dimensions and the materials used to construct the coupler structure so designed and by choice and stimulation of a suitable wave type operated at a certain frequency so that in one certain signal port of the coupler structure fed electromagnetic energy on two designated signal gates with exactly defined large Divide energy shares, the coupler structure at this frequency then acting as a directional coupler. Kopplerstrukturen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung geeigneter Wellentypen insbesondere bei unterschiedlichen Frequenzen so betrieben wird, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeiste elektromagnetische Energie für alle gewählten Frequenzen sich auf zwei dazu bestimmter Signaltore mit genau definiert großen Energieanteilen aufteilt, wobei die Kopplerstruktur bei diesen Frequenzen dann wie ein Multi-Band Richtkoppler (multi-band directional coupler) wirkt.Coupler structures according to claim 2 to 4, characterized characterized in that by specific choice of geometrical dimensions and the materials used to construct the coupler structure so designed and by choice and stimulation of suitable wave types in particular is operated at different frequencies so that the in a given signal gate of the coupler structure fed electromagnetic Energy for all selected frequencies arises two designated signal gates with precisely defined large Shares energy shares, the coupler structure at these frequencies then like a multi-band directional coupler acts. Kopplerstrukturen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung eines geeigneten Wellentyps so betrieben wird, dass bei diesem Betrieb die Frequenz der anregenden Welle so gewählt werden kann, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeiste elektromagnetische Energie sich auf zwei dazu bestimmter Signaltore mit über die Signalfrequenz einstellbar großen Energieanteilen aufteilt, wobei die Kopplerstruktur dann wie eine frequenzselektive Frequenzweiche (frequency-selective diplexer) oder variabler Richtkoppler (variable directional coupler) mit einstellbaren Werten der Koppeldämpfung wirkt.Coupler structures according to claim 2 to 4, characterized characterized in that by specific choice of geometrical dimensions and the materials used to construct the coupler structure so designed and by choice and stimulation of a suitable wave type is operated so that in this operation the frequency of the stimulating Wave can be chosen so that in a given Signaling gate of the coupler structure fed electromagnetic energy on two dedicated signal gates with over the signal frequency adjustable divides large amounts of energy, the Kopplerstruktur then as a frequency-selective crossover (frequency-selective diplexer) or variable directional coupler with adjustable values of the coupling damping acts. Kopplerstrukturen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung geeigneter Wellentypen insbesondere bei bestimmten Frequenzen so betrieben wird, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeiste elektromagnetische Energie für bestimmte Frequenzen sich auf zwei dazu bestimmter Signaltore so verteilt, dass nahezu der gesamte Energieanteile auf ein erstes Ausgangstor verteilt wird und das zweite Ausgangstor keinen Energieanteil des Eingangssignals erhält und dass für bestimmte andere Frequenzen sich die eingespeiste elektromagnetische Energie genau umgekehrt so verteilt, dass nahezu der gesamte Energieanteil nun auf das zweite Ausgangstor verteilt wird und das erste Ausgangstor nun keinen Energieanteil des Eingangssignal mehr erhält, wobei die Kopplerstruktur bei diesen Frequenzen dann jeweils wie eine Multi-Band Frequenzweiche (multi-band diplexer) wirkt.Kopplerstrukturen according to claim 2 to 4, characterized in that the coupler structure designed by selective selection of the geometrical dimensions and the materials used for construction and operated by selecting and exciting suitable modes, in particular at certain frequencies so that in a particular signal port of the coupler structure fed electromagnetic energy for certain frequencies distributed to two dedicated signal ports so that almost all the energy components is distributed to a first output port and the second output port receives no energy portion of the input signal and that for certain other frequencies, the fed electromagnetic energy to exactly swept distributed so that almost the entire energy content is now distributed to the second output port and the first output port no longer receives energy share of the input signal, the coupler structure at these frequencies then each acts as a multi-band crossover (multi-band diplexer). Kopplerstrukturen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung von mehr als zwei SPP-GWG, im allgemeinen Fall also durch die Verwendung von N (wobei N eine natürliche Zahl größer als 2 ist) SPP-GWG, durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung eines geeigneten Wellentyps bei einer bestimmten Frequenz so betrieben wird, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeiste elektromagnetische Energie sich auf die jeweils dazu bestimmten Signaltore mit genau definierten großen Energieanteilen aufteilt, wobei die Kopplerstruktur bei dieser Frequenz dann wie ein N-Tor-Richtkoppler (n-post-directional coupler) wirkt.Coupler structures according to Claim 4, characterized that by using more than two SPP-GWG, in general So by the use of N (where N is a natural Number greater than 2 is) SPP-GWG, by targeted choice the geometric dimensions and the materials used for construction the Kopplerstruktur so designed and by choice and suggestion of a suitable mode at a certain frequency so operated that is in a certain signal port of the coupler structure fed electromagnetic energy on each of them certain signal gates with well-defined large amounts of energy split, the coupler structure at this frequency then as an N-port directional coupler acts. Kopplerstrukturen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung von mehr als zwei SPP-GWG, im allgemeinen Fall also durch die Verwendung von N (wobei N eine natürliche Zahl größer als 2 ist) SPP-GWG, durch gezielte Wahl der geometrischen Abmessungen und der zum Aufbau verwendeten Materialien die Kopplerstruktur so gestaltet und durch Wahl und Anregung eines geeigneten Wellentyps insbesondere bei bestimmten Frequenzen so betrieben wird, dass die in einem bestimmten Signaltor der Kopplerstruktur eingespeiste elektromagnetische Energie für bestimmte Frequenzen sich auf dazu bestimmte Signaltore so verteilt, dass nahezu der gesamte Energieanteile auf ein erstes Ausgangstor verteilt wird und die weiteren Ausgangstore keinen Energieanteil des Eingangssignals erhalten und dass für bestimmte andere Frequenzen sich die eingespeiste elektromagnetische Energie so verteilt, dass nahezu der gesamte Energieanteil nun auf ein anderes Ausgangstor verteilt wird und sowohl das erste als auch die restlichen Ausgangstore nun keinen Energieanteil des Eingangssignal mehr erhält, und so weiter, wobei das jeweilige Ausgangstor, welches nahezu die gesamten Energieanteile des Eingangssignals erhalten soll mit Hilfe der Frequenz ausgewählt werden kann, wobei die Kopplerstruktur bei diesen Frequenzen dann jeweils wie ein N-Tor-Leistungsverteiler (n-gort-multiplexer) wirkt.Coupler structures according to Claim 4, characterized that by using more than two SPP-GWG, in general So by the use of N (where N is a natural Number greater than 2 is) SPP-GWG, by targeted choice the geometric dimensions and the materials used for construction the Kopplerstruktur so designed and by choice and suggestion of a suitable wave type in particular at certain frequencies so is operated, that in a certain signal gate of the Kopplerstruktur fed electromagnetic energy for certain frequencies distributed on certain signal gates so that almost the entire energy is distributed to a first exit gate and the other output ports receive no energy portion of the input signal and that for certain other frequencies the fed electromagnetic energy is distributed so that almost the entire Energy share is now distributed to another exit gate and both the first and the remaining exit gates now no Energy share of the input signal gets more, and so on, wherein the respective output gate, which almost the entire energy shares of the input signal should be selected using the frequency can be, with the coupler structure at these frequencies then each acts like an N-port power distributor (n-gort multiplexer).
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