DE102012016328A1

DE102012016328A1 - Wellenleiter-Bauelement für nichtlinear-optische Prozesse zweiter Ordnung

Info

Publication number: DE102012016328A1
Application number: DE201210016328
Authority: DE
Inventors: Luca Alloatti; Christian Koos; Dietmar Korn; Jürg Leuthold; Wolfgang Freude; Claudius Weimann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-02-20

Abstract

Es wird ein Wellenleiter-Bauelement für nichtlinear-optische Prozesse zweiter Ordnung vorgestellt, welches einen hohen Brechungsindexkontrast hat, und welches die Nichtlinearität von mindestens einem niedrigbrechenden Mantelmaterial benutzt. Der hohe Brechungsindexkontrast erlaubt kleine Wellenleiterquerschnitte für hohe Integrationsdichten, ermöglicht hohe optische Intensitäten mit niedrigen optischen Leistungen, ermöglicht eine Feldüberhöhung, was zu einer hohen normierten Konversioneffizienz führen kann. Die Wellenleitergeometrie ist so dimensioniert und die optischen Moden sind so gewählt, dass Phasenpassung erreicht wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integriert-optische Wellenleiterstruktur für nichtlinear-optische Prozesse zweiter Ordnung. Diese können verwendet werden zur Erzeugung von quantenmechanisch verschränkten Photonen, zur Erzeugung von Strahlung im mittleren Infrarot, für die parametrische Verstärkung optischer Signale oder die optische Signal Verarbeitung. Die Anwendungsbereiche liegen in der Tele- und Datenkommunikation, der Spektroskopie oder der Quantenkryptographie.
Allgemeiner Stand der Technik
Nichtlinear-optische Prozesse zweiter Ordnung beruhen heute oft auf nichtlinearen Kristallen ohne Wellenleiterstruktur (Freistrahloptik). Der Strahldurchmesser im nichtlinearen Material ist üblicherweise sehr groß (mehrere Wellenlängen oder mehr); hohe optische Intensitäten können daher nur mit sehr großen optischen Leistungen und nur über eine bestimmte Strecke (Schärfentiefe, Rayleigh-Länge) erreicht werden. Zudem ist für eine effiziente nichtlineare Wechselwirkung eine Phasenpassung der co-propagierenden Wellen notwendig.
Bauteile mit Wellenleiterstrukturen erlauben es im Prinzip, hohe Intensitäten über große Wechselwirkungstrecken aufrecht zu erhalten. Allerdings weisen Wellenleiter aus nichtlinear-optischen Materialien üblicherweise vergleichsweise geringe Brechungsindexkontraste und damit große Modenfelddurchmesser auf. Dies führt zu einer geringen Effizienz der nichtlinearen Wechselwirkung. Derartige Strukturen bestehen üblicherweise aus Polymeren, III–V-Halbleitern (GaAs, InP), dotierten LiNbO₃ und werden beispielweise beschrieben in (Rao, S. V., Moutzouris K., Ebrahimzadeh M., Nonlinear frequency conversion in semiconductor optical waveguides using birefringent, modal and quasi-phase-matching techniques, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 6, 569–584 (2004)). Darüber hinaus sind III-V-Halbleiter wie GaAs und InP in der Verarbeitung auch deutlich aufwendiger und teurer als beispielsweise Silizium, das keinen nichtlinearen Effekt zweiter Ordnung aufweist. Aus diesem Grund wurde in der Vergangenheit bereits die Kombination von Silizium-Wellenleitern mit nichtlinearen Polymeren vorgeschlagen; (Baehr-Johnes T. W., Hochberg M. J., Polymer Silicon Hybrid Systems: a Platform for Practical Nonlinear Optics, J. Phys. Chem. C 112, 8085–8090 (2008)); allerdings konnte bislang noch nicht gezeigt werden, wie man in einem solchen Materialsystem Phasenanpassung bekommen kann.
In DE102006045102B4 wurden Hochindexkontrast-Wellenleiter vorgeschlagen, die beispielsweise schnelle elektro-optische Modulatoren ermöglichen. Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung gibt es im Patent DE102006045102B4 mindestens eine elektromagnetische Welle im Radiofrequenzbereich und nicht im optischen Bereich.
Problemstellung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein kompaktes, wellenleiterbasiertes Bauteil für nichtlinear-optische Prozesse zweiter Ordnung und insbesondere die Differenzfrequenzerzeugung, das eine hohe Konversionseffizienz aufweist. Die Herstellung des Bauteils soll mit einfachen und kostengünstigen Verfahren möglich sein.
Erfindungsgemäße Lösung
Für eine starke nichtlineare Konversionseffizienz in einem Wellenleiter müssen drei Eigenschaften gleichzeitig erfüllt sein: 1) Der Wellenleiter muss mindestens ein Material umfassen, das eine hohe Nichtlinearität aufweist; 2) im nichtlinearen Material müssen hohe optische Intensitäten bei geringen optischen Leistungen erreichbar sein; 3) die Phasenbeziehung der interagierenden Wellen müssen entlang der Ausbreitungsrichtung konstant bleiben (Phasenanpassung). Dies wird erfindungsgemäß durch einen optischen Wellenleiter erreicht, der aus einem oder mehreren hochbrechenden Wellenleiterkernen und einem niedrigbrechenden Mantelmaterial mit hoher Nichtlinearität besteht. Der Wellenleiterkern ist dabei so dimensioniert, dass Phasenanpassung zwischen den verschiedenen Moden erreicht wird. Der hochbrechende Wellenleiterkern ermöglicht kleine Modenquerschnitte so dass hohe optische Intensitäten mit niedrigen optischen Leistungen erreichbar sind. Das niedrigbrechende nichtlineare Mantelmaterial ermöglicht die Feldüberhöhung der Normalkomponente des elektrischen Feldes an den Grenzflächen des Kerns, was wieder zu einer größeren optischen Intensität im nichtlinearen Material führt. Die Wellenleiterkerne selbst müssen keine optische Nichtlinearität aufweisen und können daher beispielsweise aus verschiedensten Materialien bestehen. Materialien für mögliche Wellenleiterkerne könnten sein: Amorphes, polykristallines oder kristallines Silizium, Germanium, Siliziumnitrid, III-V Materialien, Zinkoxid, Saphir, organische Materialien und vielen andere Materialien. Im Fall von Silizium können zur Herstellung etablierte CMOS-Fertigungsverfahren verwendet werden; Polymere als Mantelmaterialien lassen sich beispielsweise durch Spin-Coating aufbringen. Damit wird es möglich, die Problemstellung der Erfindung zu erfüllen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird unten ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das in den beiliegenden Zeichnungen näher definiert wird. Es zeigen:
1. Eine schematische Darstellung eines hochbrechenden Wellenleiters mit verschiedenen Kernen (11, 12, 13), die in verschiedene niedrigbrechende Mantelmaterialien (15, 16) eingebettet sind, wovon mindestens ein Material (16) eine hohe optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist.
2. Eine schematische Ansicht eines Silizium Wellenleiters bestehend aus drei Kernen (21, 22, 23), die zwei Schlitze (24) definieren. Die Wellenleiterkerne sind auf einem Siliziumdioxid-Substrat (25) aufgebracht und in ein nichtlinear-optisches Polymer (26) eingebettet. Durch eine entsprechende Polung weist das Polymer (26) im Bereich der beiden Schlitze eine starke optische Nichtlinearität zweiter Ordnung auf. Zur erfindungsgemäßen Verwendung des Bauteils wird die nichtlineare Wechselwirkung eines quasi-TE40-Modus bei der Pumpwellenlänge und der quasi-TE00-Grundmode bei der Signal- und Idlerwellenlänge ausgenutzt.
3a. Elektrische Feldkomponente parallel zum Substrat (25) (x-Komponente) des Pumpsignals (TE40) für den in 2 skizzierten Wellenleiter bei einer Wellenlänge von 1500 nm.
3b. Elektrische Feldkomponente parallel zum Substrat (25) (x-Komponente) des Signals und Idlers für den in 2 skizzierten Wellenleiter bei einer Wellenlänge von etwa 3100 nm.
4. Aus Messungen und Rechnungen hergeleiteter Brechungsindizes von Silizium und Siliziumdioxid, effektiver Brechungsindex des TE00 und TE40 Modes für die in 2 skizzierte Struktur.
5. Designkurven für die Phasenanpassung: Das Schaubild zeigt die Signal- und Idlerfrequenz als Funktion der Pumpfrequenz für drei verschiedene Geometrien des in 2 gezeigten Wellenleitertyps.
6. Ansicht eines Modenkonverters aus Silizium für die Anregung der Moden im Bauteil aus 2. Bei einer Wellenlänge von ca. 1500 nm wird der quasi-TE00 Mode bei Port 1 (61) in den quasi-TE40 Mode bei Port 2 (62) konvertiert. Die Leistungseffizienz S21 ist ca. 2 dB. Bei einer Wellenlänge von ca. 3100 nm wird der quasi-TE00 Mode bei Port 1 (61) in den quasi-TE00 Mode bei Port 2 (62) mit eine Leistungseffizienz von ca. S21 = 0.7 dB konvertiert.
7. Schematischer Querschnitt eines Wellenleiters aus hochbrechenden Kernen (71, 72) und niedrigbrechenden nichtlinearen Materialien (76, 77, 78), die in vertikaler Richtung auf einem niedrigbrechendern Substrat (75) übereinandergestapelt sind.
8. Schematische Ansicht eines Wellenleiters bestehend aus vier hochbrechenden Kernen (81, 82, 83, 84) zum Beispiel aus Silizium. Die Wellenleiterkerne haben unterschiedliche Formen, so z. B. verschiedene Höhen und Breiten. Der Schlitz zwischen (82) und (83) ist mit einem niedrigbrechenden Material (86) und (87) gefüllt. Die Polungsrichtung von (86) ist entgegengesetzt zur Polungsrichtung in (87). Dies ist durch die Pfeile angedeutet. Die Wellenleiterkerne sind auf einem niedrigbrechenden Substrat (85), zum Beispiel Siliziumdioxid oder Saphir. Zur erfindungsgemäßen Verwendung des Bauteils wird die nichtlineare Wechselwirkung eines quasi-TE01-Modus bei der Pumpwellenlänge (asymmetrischer Mode) und der quasi-TE00-Grundmode bei der Signal- und Idlerwellenlänge ausgenutzt. Die Asymmetrie des TE01 Mode kompensiert die Polungs-Asymmetrie, so dass das Produkt von Signal, Idler und Pump Feldern am Ort und der nichtlineare Suszeptibilitättensor am Ort das gleiche Vorzeichen haben. Damit kann ein großer nichtlinearer Konversioneffizienz erreicht werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Realisierung des Wellenleiters für nichtlinear-optische Prozesse zweiter Ordnung umfasst einen oder mehrere hochbrechende Wellenleiterkerne (11, 12, 13) und ein oder mehrere niedrigbrechende Mantelmaterialien (15, 16), von denen mindestens ein Material (16) eine technisch nutzbare optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist. Der Brechungsindexunterschied zwischen den Kern- und Mantelbereichen ist bevorzugt größer als 0.5, bevorzugt größer als 0.7, besonders bevorzugt größer als 1, und ganze besonders bevorzugt größer als 2. Beispiele für niedrigbrechende Materialien mit starken Nichtlinearitäten zweiter Ordnung sind organische Chromophore, die in Polymermatrizen dispergiert sind und organische Kristalle wie zum Beispiel DAST.
Bei nichtlinearen Prozessen zweiter Ordnung finden Wechselwirkungen zwischen bis zu drei optischen Signalen statt. Im Falle der Differenzfrequenzerzeugung (difference frequency generation, DFG) sind im nichtdegenerierten Fall drei optische Signale involviert, die als Pumpe (Frequenz f_p), Signal (Frequenz f_s) und Idler (Frequenz f_l) bezeichnet werden. Für die Frequenzen gilt aus Gründen der Energieerhaltung f_s + f_i = f_p (Gl. 1)
Pumpe, Signal und Idler propagieren im optischen Wellenleiter in drei optischen Moden; die zugehörigen effektiven Brechungsindices werden als n_p, n_s, n_i bezeichnet. Um Phasenanpassung zu erreichen, muss die Wellenleitergeometrie so gewählt werden dass die Beziehung n_sf_s + n_if_i = n_pf_p (Gl. 2) erfüllt ist. Die optischen Moden dürfen dabei im Prinzip beliebig sein; insbesondere kann im Prinzip jede Kombination von quasi-TE und quasi-TM Moden verschiedener Modenordnungen verwendet werden. Wichtig ist, dass ein möglichst großer Anteil des optischen Feldes im nichtlinearen Material konzentriert ist.
Die Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass die normalisierte Konversioneffizienz (Gl. 3) größer als 10 W^–1cm^–2 erreicht wird. Diese ist möglicherweise sogar größer als 50 W^–1cm^–2, möglicherweise auch größer als 100 W^–1cm^–2 und möglicherweise größer als 1000 W^–1cm^–2.
Ausführungsbeispiel
Im folgenden Text wird die Erfindung ohne Beschränkung der Allgemeinheit anhand von Beispielen beschrieben. Es werden Ausführungen im Text beschrieben und mit Hilfe von Figuren beschrieben, welche weitere Merkmale enthalten können. Merkmale und Eigenschaften von den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen können auch in den andern Ausführungsbeispielen wieder auftreten, ohne dass das erwähnt wird.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Silicon-on-Insulator-(SOI)Wellenleiters. Der Wellenleiterkern besteht aus kristallinem Silizium (21, 22, 23), das auf einer 2000 nm dicken Pufferschicht aus Siliziumdioxid aufgebracht ist und von einem nichtlinearen Polymer (26) umgeben ist. In einer besonderen Ausführungsform beträgt der Brechungsindex des umgebenden Polymers beispielsweise 1.68 bei einer optischen Wellenlänge von 1500 nm und 1.58 bei einer Wellenlänge von 3100 nm. Der Siliziumwellenleiter hat beispielsweise eine Höhe von h = 220 nm – ein in der Siliziumphotonik gängiges Maß. Die Breite der äußeren Wellenleiterstreifen (21) und (23) beträgt w_a = 580 nm, die Breite des mittleren Streifens (22) ist w_i = 800 nm, der Abstand (Schlitzbreite) zwischen (21) und (22) sowie zwischen (22) und (23) ist w_slot = 200 nm. Siliziumstrukturen mit solchen Abmessungen können mit heute gängigen CMOS-Verfahren in industriellem Maßstab hergestellt werden. Dieser Wellenleiter ist für die Differenzfrequenzerzeugung ausgelegt, wobei Pumpe, Signal, und Idler Wellenlängen im Bereich von 1500 nm, 2900 nm und 3100 nm aufweisen. Das Pump-Signal propagiert im quasi-TE Modus TE40 (vier Knoten in paralleler Richtung zum Substrat (x-Richtung) und keine Knoten in senkrechter Richtung zum Substrat, siehe 3a), während sich Idler- und Signal-Welle im quasi-TE Modus TE00 ausbreiten. Die Hauptkomponente (E_x) des elektrischen TE40-Modenfeldes TE40 ist in 3(a) zu sehen; die Hauptkomponente TE00-Modenfeldes ist in 3(b) zu sehen. Bei beiden Moden wird ein großer Anteil des elektrischen Feldes im Schlitz (24) zwischen den Wellenleiterkernen geführt, wo eine starke Überhöhung des elektrischen Feldes auftritt, die zu einer starken nichtlinear-optischen Interaktion führt.
Die quasi-TE00 und quasi-TE40 Moden bei den verschiedenen Wellenlängen können effektiv angeregt werden durch ein Modenkonverter wie in 6, oder von Multimode-Interferenz (MMI) Kopplern wie z. B. in (J. Leuthold, J. Eckner, E. Gamper, P. A. Besse, and H. Melchior, "Multimode interference couplers for the conversion and combining of zero- and first-order modes," J. Lightwave Technol. 16, 1228–1239 (1998)) beschrieben.
Die wellenlängenabhängigen effektiven Brechungsindices von Signal-, Idler- und Pump-Welle sind in 4 zu sehen. Für eine gegebene Pumpwellenlänge existiert jeweils ein Paar von Signal und Idler-Wellenlängen, das sowohl Energieerhaltung als auch Phasenanpassung gemäß den Gleichungen (Gl. 1, Gl. 2) erfüllt. Für die SOI-Wellenleiter Geometrien aus dem Beispiel können diese Paare in 5 abgelesen werden. Bei diesen Kurven wurde die Breite des seitlichen Wellenleiterstreifens variiert; alle anderen Maße entsprechen denen des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels. Für eine Breite von 580 nm und eine Pumpwellenlänge von etwa 1500 nm entsteht beispielsweise ein Signal bei einer Wellenlänge von ca. 2600 nm und eine Idler-Welle bei ca. 3500 nm (quadratische Symbole in 5).
Wird ein optisches nichtlineares Polymer im Mantelbereich des Wellenleiters verwendet, so muss eine Polung des Materials vorgenommen werden. Dazu wird eine Gleichspannung angelegt, während das Material auf seine Glasübergangstemperatur erhitzt wird.
Die Konversionseffizienz der Differenzfrequenzerzeugung lässt sich durch numerische Simulationen abschätzen. Nimmt man eine nichtlineare Suszeptibilität von χ⁽²⁾ = 230 pm/V an (ein eher konservativer Wert für nichtlinear-optische Polymere) und vernachlässigt alle optischen Verlustmechanismen, so zeigen die Wellenleiter eine normierte Konversioneffizienz von ca. η = lim z→0P_i(z)/(P_s(0)P_p(0)z²) = 29 W^–1cm^–2 = 2900% W^–1cm^–2. (Gl. 3)
5 zeigt ferner, dass allein durch die Variation der Breite des seitlichen Wellenleiterstreifens die Phasenanpassung über einen großen Bereich von Wellenlängen variiert werden kann.
8 Zeigt eine andere Ausführungsform, wo die nichtlineare Suszeptibilität χ⁽ ² ⁾(x, y) des nichlinearen Materials (86) und (87) stark abhängig von der Position (x, y) ist, und eventuell antisymmetrisch ist. D. h. es ist χ⁽ ² ⁾(x, y) = –χ⁽²⁾(–x, y). Um Phasenanpassung zu erreichen werden Kerne (81) und (84) eingefügt, so wie die Form (Höhen und Breiten) des Wellenleiterkerns (82) und (83) variiert. Um das Ueberlappintegral zwischen Signal-, Idler- und Pump Mode und der Suszeptibilität hoch zu halten, und damit eine hohe nichtlineare Konversioneffizienz von Moden verschiedener Symmetrie zu erreichen, wird zum Beispiel der quasi-TE01-Mode für das Pumpsignal, und die quasi TE00-Moden für Signal und Idler angeregt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006045102 B4 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rao, S. V., Moutzouris K., Ebrahimzadeh M., Nonlinear frequency conversion in semiconductor optical waveguides using birefringent, modal and quasi-phase-matching techniques, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 6, 569–584 (2004) [0003]
Baehr-Johnes T. W., Hochberg M. J., Polymer Silicon Hybrid Systems: a Platform for Practical Nonlinear Optics, J. Phys. Chem. C 112, 8085–8090 (2008) [0003]
J. Leuthold, J. Eckner, E. Gamper, P. A. Besse, and H. Melchior, ”Multimode interference couplers for the conversion and combining of zero- and first-order modes,” J. Lightwave Technol. 16, 1228–1239 (1998) [0023]

Claims

Ein optisches Wellenleiter-Bauelement für nichtlinear-optische Prozesse zweiter Ordnung, bestehend aus einem ein- oder mehrteiligen hochbrechenden Wellenleiterkern (11, 12, 13) und einem oder mehreren den Wellenleiterkern umgebenden niedrigbrechenden Materialien, die zu einem hohen Indexkontrast führen, und von denen mindestens eines eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, wobei mindestens ein Teil der optischen Leistung aller Moden im nichtlinearen Material konzentriert ist, und wobei Phasenanpassung der interagierenden Wellen erreicht werden kann durch Variation der Geometrie der Wellenleiter und/oder der Dimensionierung der Wellenleiterkerne.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass das Substrat (15), bzw. (25), aus Saphir besteht, b. dass die hochbrechenden Kerne aus Silizium bestehen, und c. dass die Mantelbereiche nichtlinear-optische organische Materialien enthalten.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter eine Geometrie wie in 2 hat, mit einer Breite w_a der äußeren Wellenleiterstreifen (21) und (23) die zwischen 100 nm und 1000 nm liegt, die Breite w_i des mittleren Streifens (22) zwischen 100 nm und 2000 nm liegt, der Abstand w_slot (Schlitzbreite) zwischen (21) und (22) sowie zwischen (22) und (23) ist zwischen 10 nm und 1000 nm. Der Wellenleiter hat eine Höhe h zwischen 10 nm und 1000 nm.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polungsrichtung von einem Teil des nichtlinearen Materials (86) entgegengesetzt zur Polungsrichtung gegenüber dem nichtlinearen Material (87) ist. Zur erfindungsgemäßen Verwendung des Bauteils wird die nichtlineare Wechselwirkung eines quasi-TE01-Modus bei der Pumpwellenlänge (asymmetrischer Mode) und des quasi-TE00-Grundmode bei der Signal- und Idlerwellenlänge ausgenutzt.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur optischen parametrischen Verstärkung geeignet ist.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur optischen Signalverarbeitung geeignet ist.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Teil des optischen Wellenleiters innerhalb eines optischen Resonators befindet bzw. Teil eines optischen Resonators ist.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator zur Erzeugung von neuen Wellenlängen verwendet wird, wobei eine optische parametrische Verstärkung von Idler-Photonen auftritt, die die Resonanzbedingung erfüllen und wegen der thermischen Hohlraumstrahlung in der Kavität existieren.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die verschiedenen Moden angeregt sind durch einen MMI-basierten Modenkonverter oder ein Modenkonverter wie in 6.
Ein optisches Bauteil nach Anspruch 1 gefolgt von einem Fotodetektor, welcher empfindlich ist auf die Summenfrequenz (SFG) Wellenlänge, so dass durch die Frequenzkonversion längere Wellenlängen (Signal oder Idler) detektiert werden können.