DE102015218172A1

DE102015218172A1 - Optical arrangement, optical filter and use of an optical filter

Info

Publication number: DE102015218172A1
Application number: DE102015218172.3A
Authority: DE
Inventors: Moritz Kleinert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-03-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung, mit mindestens einem optischen Wellenleiter (11, 110, 120) und mindestens einem Element (2) mit mindestens einer aus einem zweidimensionalen Material gebildeten Lage (21, 21a, 21b). Erfindungsgemäß ist das Element (2) so relativ zu dem Wellenleiter (11, 110, 120) angeordnet, dass aus dem Wellenleiter (11, 110, 120) austretendes Licht in die Lage (21, 21a, 21b) eintritt und/oder an der Lage (21, 21a, 21b) reflektiert wird; und/oder aus der Lage (21, 21a, 21b) austretendes und/oder an der Lage (21, 21a, 21b) reflektiertes Licht in den Wellenleiter (11, 110, 120) einkoppelt. Die Erfindung betrifft auch einen optischen Filter und eine Verwendung eines optischen Filters.The invention relates to an optical arrangement comprising at least one optical waveguide (11, 110, 120) and at least one element (2) with at least one layer (21, 21a, 21b) formed from a two-dimensional material. According to the invention, the element (2) is arranged relative to the waveguide (11, 110, 120) so that light emerging from the waveguide (11, 110, 120) enters the layer (21, 21a, 21b) and / or at the Position (21, 21a, 21b) is reflected; and / or light emerging from the layer (21, 21a, 21b) and / or reflected at the layer (21, 21a, 21b) is coupled into the waveguide (11, 110, 120). The invention also relates to an optical filter and a use of an optical filter.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen optischen Filter gemäß Anspruch 16 sowie die Verwendung eines optischen Filters gemäß Anspruch 18. The invention relates to an optical arrangement according to the preamble of claim 1, an optical filter according to claim 16 and the use of an optical filter according to claim 18.

Zweidimensionale Materialien, d.h. Materialien, die lediglich eine oder wenige Atomlagen aufweisen, haben in der Materialwissenschaft in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erfahren. Aufgrund ihrer Struktur besitzen zweidimensionale Materialien (z.B. Graphen) einzigartige mechanische, optische und elektrische Eigenschaften. Insbesondere zeichnen sie sich durch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aus, wobei die Herstellungsprozesse in jüngster Zeit soweit optimiert wurden, dass diese Materialien großflächig in guter Qualität hergestellt und anschließend auf ein gewünschtes Substrat transferiert werden können. Two-dimensional materials, i. Materials that have only one or a few atomic layers have received much attention in materials science in recent years. Due to their structure, two-dimensional materials (e.g., graphene) possess unique mechanical, optical, and electrical properties. In particular, they are characterized by a high charge carrier mobility, wherein the manufacturing processes have recently been optimized to the extent that these materials can be produced over a large area in good quality and then transferred to a desired substrate.

Somit ist es möglich, die elektrischen und optischen Eigenschaften der zweidimensionalen Materialien auch in optischen oder opto-elektronischen Bauelementen oder in Kombination mit derartigen Bauelementen, einzusetzen. Eine derartige Anwendung ist z.B. in dem Artikel Ye, Shengwei, et al., "Electro-absorption optical modulator using dualgraphene-on-graphene configuration", Optics express 22.21 (2014): 26173–26180 beschrieben. Thus, it is possible to use the electrical and optical properties of the two-dimensional materials also in optical or opto-electronic components or in combination with such components. Such an application is for example in the Article Ye, Shengwei, et al., "Electro-absorption optical modulator using dual graphene-on-graphene configuration", Optics express 22.21 (2014): 26173-26180 described.

Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, den Einsatz von zweidimensionalen Materialien zur Lichtmanipulation effizienter zu gestalten. The problem to be solved by the invention is to make the use of two-dimensional light manipulation materials more efficient.

Dieses Problem wird durch die Bereitstellung der optischen Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch den optischen Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie durch die Verwendung des optischen Filters nach Anspruch 18 gelöst. This problem is solved by the provision of the optical arrangement having the features of claim 1, by the optical filter having the features of claim 16 and by the use of the optical filter according to claim 18.

Danach wird eine optische Anordnung bereitgestellt, mit

– mindestens einem optischen Wellenleiter; und
– mindestens einem Element mit mindestens einer aus einem zweidimensionalen Material gebildeten Lage, wobei
– das Element so relativ zu dem Wellenleiter angeordnet ist, dass
– aus dem Wellenleiter austretendes Licht in die Lage eintritt (insbesondere transmittiert wird) und/oder an der Lage reflektiert wird; und/oder
– aus der Lage austretendes und/oder an der Lage reflektiertes Licht in den Wellenleiter einkoppelt.

Thereafter, an optical arrangement is provided, with

- At least one optical waveguide; and
- At least one element having at least one layer formed from a two-dimensional material, wherein
- The element is arranged relative to the waveguide, that
- Light emerging from the waveguide enters the position (in particular is transmitted) and / or is reflected at the position; and or
- In the waveguide emits light emerging from the situation and / or reflected at the position.

Bei dem „zweidimensionalen Material“ handelt es sich beispielsweise um eine Materiallage, die aus einer Atomlage oder aus maximal 10 Atomlagen eines Materials besteht. Beispielsweise ist die Lage aus Graphen, triazinbasiertem graphitischem Kohlenstoffnitrid, Germanen, Molybdändisulfid, Molybdändiselenid und/oder Silicen gebildet oder weist zumindest eines dieser Materialien auf, und zwar jeweils ein- und mehratomlagig. Denkbar ist natürlich auch, dass das zweidimensionale Material (z.B. das erwähnte Graphen) einen Dotierstoff aufweist. Die Erfindung ist jedoch natürlich nicht auf die Verwendung eines dieser zweidimensionalen Materialien beschränkt. Die erfindungsgemäße optische Anordnung bildet insbesondere zumindest einen Teil eines optischen oder opto-elektronischen Bauelementes aus oder kann mit einem derartigen Bauelement kombiniert werden. The "two-dimensional material" is, for example, a material layer which consists of an atomic layer or of at most 10 atomic layers of a material. For example, the layer is formed of graphene, triazine-based graphitic carbon nitride, germanic acid, molybdenum disulfide, molybdenum diselenide and / or silicene, or comprises at least one of these materials, one and more atomic layers, respectively. Of course, it is also conceivable that the two-dimensional material (for example, the mentioned graphene) has a dopant. Of course, the invention is not limited to the use of any of these two-dimensional materials. In particular, the optical arrangement according to the invention forms at least one part of an optical or opto-electronic component or can be combined with such a component.

Das Element mit der mindestens einer aus dem zweidimensionalen Material gebildeten Lage wird insbesondere verwendet, um Licht zu beeinflussen (z.B. die Amplitude und/oder die Phase des Lichtes zu verändern, insbesondere zu modulieren). Denkbar ist auch, dass das (insbesondere in Form eines Dünnschichtelementes ausgebildete) Element zur Detektion von Licht dient. The element with the at least one layer formed from the two-dimensional material is used in particular to influence light (for example, to change, in particular to modulate, the amplitude and / or the phase of the light). It is also conceivable that the (in particular in the form of a thin-film element formed) element for detecting light is used.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Element so angeordnet, dass die Lage aus dem zweidimensionalen Material schräg oder senkrecht zu dem optischen Wellenleiter orientiert ist. Die Lage aus dem zweidimensionalen Material verläuft somit insbesondere nicht parallel zu dem Wellenleiter. Möglich ist, dass der optische Wellenleiter eine (z.B. längliche) Aussparung (insbesondere in Form einer Unterbrechung) aufweist, wobei das Element zumindest teilweise in der Aussparung angeordnet ist. Insbesondere verläuft die Aussparung so (z.B. quer oder schräg zu dem Wellenleiter), dass sich die Lage des in der Aussparung angeordneten Elementes wie erwähnt schräg oder senkrecht zu dem optischen Wellenleiter erstreckt. Beispielsweise verläuft die Aussparung selber schräg oder senkrecht zu dem optischen Wellenleiter. In a further embodiment of the invention, the element is arranged so that the layer of the two-dimensional material is oriented obliquely or perpendicular to the optical waveguide. The layer of the two-dimensional material thus in particular does not run parallel to the waveguide. It is possible that the optical waveguide has a recess (in particular in the form of an interruption) (for example elongate), the element being arranged at least partially in the recess. In particular, the recess extends (e.g., transversely or obliquely to the waveguide) such that the location of the element located in the recess extends obliquely or perpendicular to the optical waveguide, as mentioned. For example, the recess itself runs obliquely or perpendicular to the optical waveguide.

Denkbar ist darüber hinaus, dass der optische Wellenleiter (in an sich bekannter Weise) durch Materialschichten (insbesondere Halbleiterschichten, Polymerschichten oder dielektrischen Schichten) ausgebildet ist, die auf einem Substrat angeordnet sind, wobei das Element insbesondere zumindest teilweise in einer Aussparung des Substrats angeordnet ist. Beispielsweise ist das Element in einer Aussparung angeordnet, die durch zumindest einen Teil des Wellenleiters (zumindest durch einen Teil des Wellenleiterkerns) hindurch in das Substrat hinein verläuft, d.h. es eine durchgehende Aussparung bildet sowohl die oben erwähnte Aussparung in dem Wellenleiter und die Aussparung in dem Substrat. Die Aussparung wird insbesondere durch Materialabtrag, etwa per Sägen oder Ätzen erzeugt. It is also conceivable that the optical waveguide (in a conventional manner) by material layers (in particular semiconductor layers, polymer layers or dielectric layers) is formed, which are arranged on a substrate, wherein the element is in particular at least partially disposed in a recess of the substrate , For example, the element is disposed in a recess which extends through at least a portion of the waveguide (at least through a portion of the waveguide core) into the substrate, i. a continuous recess forms both the above-mentioned recess in the waveguide and the recess in the substrate. The recess is produced in particular by material removal, for example by sawing or etching.

Das Element ist somit insbesondere schräg oder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in dem Wellenleiter geführten Lichts angeordnet, so dass die Fläche (die optisch wirksame Fläche) des Elementes nicht größer als der Wellenleiterquerschnitt (zumindest nicht größer als der Querschnitt des Wellenleiterkerns) sein muss. Denkbar ist, dass die Fläche des Elementes in der Größenordnung von lediglich einigen Quadratmikrometern liegt und das Element z.B. eine Kantenlänge in der Größenordnung von einigen 10 µm oder einigen 100 µm aufweist. Eine kompakte Ausgestaltung des Elementes kann den Vorteil haben, dass z.B. unerwünschte Kapazitäten, die die Bandbreite der optischen Anordnung limitieren, reduziert werden. Entsprechend kann zum Beispiel eine höhere Detektions- und/oder Modulationsgeschwindigkeit erreicht werden. Des Weiteren kann mit einem derartig angeordneten Element eine einfache, kompakte und möglichst kostengünstige Integration von aktiven Funktionen (wie z.B. die Erzeugung von Licht oder die bereits erwähnte Lichtdetektion) in Wellenleiternetzwerke und insbesondere mit (z.B. in der optischen Nachrichtentechnik eingesetzten) Dünnfilmbauelementen ermöglicht werden. Des Weiteren lässt sich eine größere Anzahl von Elementen gleichzeitig herstellen. The element is thus arranged in particular obliquely or perpendicularly to the propagation direction of the light guided in the waveguide, so that the area (the optically effective area) of the element does not have to be larger than the waveguide cross section (at least not greater than the cross section of the waveguide core). It is conceivable that the surface of the element is of the order of only a few square microns and the element has, for example, an edge length of the order of a few 10 .mu.m or a few 100 .mu.m. A compact embodiment of the element can have the advantage that, for example, unwanted capacitances which limit the bandwidth of the optical arrangement are reduced. Accordingly, for example, a higher detection and / or modulation speed can be achieved. Furthermore, with an element arranged in this way, a simple, compact and cost-effective integration of active functions (such as the generation of light or the aforementioned light detection) in waveguide networks and in particular with (for example in optical communications) used thin-film devices. Furthermore, a larger number of elements can be produced simultaneously.

Die Lage aus dem zweidimensionalen Material ist insbesondere auf einem Substrat (Trägerschicht) des Elementes angeordnet. Beispielsweise weist das Element eine (im Wesentlichen von der Substratdicke bestimmte) Dicke von 1 bis 200 µm auf. Denkbar ist, dass das Substrat weitere Dünnfilmstrukturen enthält oder zumindest mit einem anderen (insbesondere opto-elektronischen) Dünnfilmbauelement kompatibel ist. Beispielsweise wird als Substratmaterial ein dielektrisches Material verwendet. Als Substratmaterialien kommen z.B. Polymer, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Titandioxid, Silizium, Hafniumdioxid, Hafniumsilicat, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumdioxid, Aluminiumdioxid, Magnesiumflourid, Zirkoniumdioxid, Zinksulfid, Praseodym-Titan-Oxid, Galliumarsenid und/oder Indiumphosphid in Frage. The layer of the two-dimensional material is arranged in particular on a substrate (carrier layer) of the element. For example, the element has a thickness (determined essentially by the substrate thickness) of 1 to 200 μm. It is conceivable that the substrate contains further thin-film structures or is at least compatible with another (in particular opto-electronic) thin-film component. For example, a dielectric material is used as the substrate material. As substrate materials, e.g. Polymer, silica, silicon nitride, titanium dioxide, silicon, hafnium dioxide, hafnium silicate, zirconium silicate, zirconium dioxide, alumina, magnesium fluoride, zirconium dioxide, zinc sulfide, praseodymium titanium oxide, gallium arsenide and / or indium phosphide.

Das Element muss jedoch nicht zwingend in einer Aussparung des Wellenleiters und/oder des Substrats angeordnet sein. Denkbar ist z.B. auch, dass es angrenzend oder sogar anliegend an eine Facette des optischen Wellenleiters angeordnet ist. Beispielsweise ist das Element unmittelbar mit der Facette des optischen Wellenleiters in Kontakt und z.B. auch mit der Facette verbunden. However, the element need not necessarily be arranged in a recess of the waveguide and / or the substrate. It is conceivable, e.g. also that it is arranged adjacent or even adjacent to a facet of the optical waveguide. For example, the element is in direct contact with the facet of the optical waveguide and e.g. also connected with the facet.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Element mindestens einen, mit der Lage aus dem zweidimensionalen Material verbundenen elektrischen Kontakt (etwa aus einem Metall oder einer leitfähigen Legierung) auf. Über diesen elektrischen Kontakt kann eine Spannung an das Element angelegt werden, um die Lichtbeeinflussung durch das Element zu steuern. Denkbar ist, dass das Element mehrere Lagen eines zweidimensionalen Materials aufweist, wobei die Lagen zum Beispiel jeweils mindestens einen Bereich umfassen, der nicht mit der jeweils anderen Lage überlappt. Beispielsweise sind die Lagen in den nicht überlappenden Bereichen mit elektrischen Kontakten versehen, wobei über die elektrischen Kontakte eine Spannung insbesondere über den Bereich des Elementes angelegt werden kann, indem die Lagen des zweidimensionalen Materials einander überlappen. Möglich ist natürlich auch, dass die Lagen einander zumindest näherungsweise vollständig überlappen. According to another embodiment of the invention, the element has at least one electrical contact (such as a metal or a conductive alloy) connected to the layer of the two-dimensional material. Through this electrical contact, a voltage can be applied to the element to control the influence of light by the element. It is conceivable that the element has a plurality of layers of a two-dimensional material, wherein the layers, for example, each comprise at least one region which does not overlap with the respective other layer. For example, the layers in the non-overlapping regions are provided with electrical contacts, it being possible for a voltage to be applied in particular over the region of the element via the electrical contacts, in that the layers of the two-dimensional material overlap one another. It is of course also possible that the layers overlap each other at least approximately completely.

In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Element eine erste und eine zweite Lage eines zweidimensionalen Materials, wobei die Lagen nach Art eines Kondensators durch einen Materialbereich voneinander getrennt sind. Der Materialbereich besteht zum Beispiel aus einem elektrisch isolierenden (insbesondere dielektrischen) Material. In one embodiment, the element comprises a first and a second layer of a two-dimensional material, wherein the layers are separated from one another by a material region in the manner of a capacitor. The material region consists for example of an electrically insulating (in particular dielectric) material.

Des Weiteren kann ein erster elektrischer Kontakt vorhanden sein, der mindestens mit der ersten Lage verbunden ist, sowie ein zweiter elektrischer Kontakt, der mindestens mit der zweiten Lage verbunden ist. Über die elektrischen Kontakte kann eine Spannung über die erste oder die zweite Lage und/oder den Materialbereich zwischen der ersten und zweiten Lage angelegt werden; insbesondere, um optische Eigenschaften des Elementes zu verändern. Furthermore, there may be a first electrical contact, which is connected at least to the first layer, and a second electrical contact, which is connected at least to the second layer. Via the electrical contacts, a voltage can be applied across the first or the second layer and / or the material region between the first and second layer; in particular, to change optical properties of the element.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst das Element einen elektrischen Kontakt zum Anlegen einer Spannung an die Lage aus dem zweidimensionalen Material, wobei der optische Wellenleiter so relativ zu der Lage orientiert ist, dass bei einer vorgebbaren, über den elektrischen Kontakt an die Lage anlegbaren Spannung aus dem Wellenleiter austretendes Licht an der Lage totalreflektiert und bei einer anderen Spannung zumindest teilweise durch die Lage transmittiert wird. In dieser Variante realisiert das Element einen optischen Schalter. Mit Hilfe des Elementes (d.h. mit Hilfe der Lage aus dem zweidimensionalen Material) kann also nicht nur die Intensität oder Phase von Licht verändert (insbesondere moduliert) werden, sondern es kann auch der Lichtweg geschaltet werden. According to another embodiment of the invention, the element comprises an electrical contact for applying a voltage to the layer of the two-dimensional material, wherein the optical waveguide is oriented relative to the position that at a predeterminable, can be applied via the electrical contact to the position voltage from the waveguide emerging light is totally reflected at the position and at least partially transmitted through the layer at a different voltage. In this variant, the element realizes an optical switch. Thus, not only the intensity or phase of light can be changed (in particular modulated) with the aid of the element (i.e., with the aid of the two-dimensional material), but the light path can also be switched.

Beispielsweise umfasst die optische Anordnung einen ersten Ausgangswellenleiter, in den das totalreflektierte Licht einkoppelt, und/oder einen zweiten Ausgangswellenleiter, in den das transmittierte Licht einkoppelt. By way of example, the optical arrangement comprises a first output waveguide, into which the totally reflected light couples, and / or a second output waveguide, into which the transmitted light couples.

Wie oben bereits erwähnt, kann das Element mit der mindestens einen Lage aus dem zweidimensionalen Material insbesondere zur Lichterzeugung, Lichtdetektion und/oder Lichtmodulation ausgebildet und angeordnet sein. Insbesondere kann das Element zur Lichtmodulation unter Ausnutzung elektrooptischer Effekte und/oder Elektroabsorptionseffekte verwendet werden. As already mentioned above, the element with the at least one layer of the two-dimensional material can be designed in particular for light generation, light detection and / or light modulation and be arranged. In particular, the element may be used for light modulation utilizing electro-optic effects and / or electroabsorption effects.

In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen optischen Filter, mit

– mindestens einer ersten und einer zweiten Lage eines zweidimensionalen Materials;
– einem zwischen der ersten und der zweiten Lage angeordneten Materialbereich;
– einem ersten, mit der ersten Lage verbundenen elektrischen Kontakt; und
– einem zweiten, mit der zweiten Lage verbundenen elektrischen Kontakt, wobei
– über den ersten und den zweiten elektrischen Kontakt eine Spannung über den Materialbereich anlegbar ist, um dessen Brechungsindex und damit das Transmissionsverhalten des optischen Filters zu verändern.

In a second aspect, the invention relates to an optical filter, with

At least a first and a second layer of a two-dimensional material;
A material region arranged between the first and the second layer;
A first electrical contact connected to the first layer; and
- A second, connected to the second layer electrical contact, wherein
- Via the first and the second electrical contact, a voltage across the material region can be applied to change its refractive index and thus the transmission behavior of the optical filter.

Über den ersten und den zweiten elektrischen Kontakt kann eine Spannung über die erste und die zweite Lage sowie über zumindest den zwischen diesen Lagen befindlichen Materialbereich angelegt werden, wobei sich der effektive Brechungsindex der aus den Lagen und der Materialschicht gebildeten Schichtstruktur durch Anlegen der Spannung einstellen lässt. Somit ist der optische Filter abstimmbar; beispielsweise lässt sich durch Anlegen einer Spannung die Frequenzlage des Transmission- bzw. Absorptionsbereichs des Filters verschieben. Denkbar ist auch, dass zwischen einem reflektierenden und einem transmittierendem Zustand des optischen Filters geschaltet werden kann. Der Materialbereich umfasst z.B. ein dielektrisches Material. Via the first and the second electrical contact, a voltage can be applied across the first and the second layer and over at least the material region located between these layers, wherein the effective refractive index of the layer structure formed from the layers and the material layer can be adjusted by applying the voltage , Thus, the optical filter is tunable; For example, by applying a voltage, the frequency position of the transmission or absorption range of the filter can be shifted. It is also conceivable that it is possible to switch between a reflective and a transmissive state of the optical filter. The material area comprises e.g. a dielectric material.

Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung des optischen Filters, wobei der optische Filter so orientiert wird, dass Licht einer Lichtquelle schräg oder senkrecht zu der ersten und der zweiten Lage auf den optischen Filter auftrifft. Das Licht der Lichtquelle kann zum Beispiel per Freistrahl zu dem optischen Filter gelangen. Denkbar ist allerdings auch, dass das Licht über mindestens einen optischen Wellenleiter an den optischen Filter herangeführt wird. The invention also relates to a use of the optical filter, wherein the optical filter is oriented so that light from a light source impinges obliquely or perpendicular to the first and the second layer on the optical filter. The light from the light source can reach the optical filter, for example, by free jet. However, it is also conceivable that the light is guided to the optical filter via at least one optical waveguide.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to embodiments with reference to the figures. Show it:

1 eine Simulation des Brechungsindex und des Absorptionskoeffizienten von Graphen in Abhängigkeit vom chemischen Potential bei einer Lichtwellenlänge von 1550 nm; 1 a simulation of the refractive index and the absorption coefficient of graphene as a function of the chemical potential at a light wavelength of 1550 nm;

2 eine schematische Draufsicht auf eine optische Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 2 a schematic plan view of an optical arrangement according to a first embodiment of the invention;

3 eine schematische Draufsicht auf eine optische Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 3 a schematic plan view of an optical arrangement according to a second embodiment of the invention;

4 eine Draufsicht auf ein Dünnfilmelement für eine erfindungsgemäße optische Anordnung; 4 a plan view of a thin film element for an optical arrangement according to the invention;

5 eine Schnittansicht einer anderen Ausgestaltung des Dünnfilmelements; 5 a sectional view of another embodiment of the thin film element;

6 eine Abwandlung des Dünnfilmelements aus 5; 6 a modification of the thin film element 5 ;

7 eine weitere Abwandlung des Dünnfilmelements aus 5; 7 another variation of the thin film element 5 ;

8 eine schematische Draufsicht auf eine optische Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 8th a schematic plan view of an optical arrangement according to another embodiment of the invention; and

9 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen optischen Filters. 9 a sectional view of an optical filter according to the invention.

In 1 ist die Abhängigkeit einerseits des Brechungsindex (linke y-Achse) und andererseits des Absorptionskoeffizienten (rechte y-Achse) von Graphen in Abhängigkeit von dem chemischen Potential für eine Wellenlänge von 1550 nm dargestellt. Die den in 1 dargestellten Verläufen des Brechungsindex bzw. des Absorptionskoeffizienten zugrunde liegende Simulation geht von einer Struktur aus, die zwei elektrisch voneinander isolierte Graphenlagen umfasst. Das elektrische Feld zum Verschieben des chemischen Potentials wird durch eine Spannung zwischen den beiden Graphenlagen, d.h. durch Erzeugen eines elektrischen Feldes senkrecht zu der Graphenebene, erzeugt. In 1 shows the dependence of the refractive index (left y-axis) on the one hand, and the absorption coefficient (right y-axis) of graphene on the other hand, as a function of the chemical potential for a wavelength of 1550 nm. The in 1 The simulation on which the refractive index or the absorption coefficient are based is based on a structure which comprises two graphene layers which are electrically insulated from one another. The electric field for shifting the chemical potential is generated by a voltage between the two graphene layers, ie by generating an electric field perpendicular to the plane of the graphene.

Wie in 1 zu erkennen, liegt der Absorptionskoeffizient von Graphen bei chemischen Potentialen bis 0.35 eV bei über 200.000 1/cm und fällt bei 0.4 eV auf ca. 10.000 1/cm ab. Durch Schalten zwischen Punkten hoher und niedriger Absorption lässt sich mit Graphen z.B. ein Elektroabsorptionsmodulator realisieren. Gleichzeitig weist der Brechungsindex der Graphenlagen bei chemischen Potentialen um 0.4 eV eine Variation von mehr als 5 (bis hinunter zu 0.2) auf. Über das Schalten zwischen diesen beiden Punkten lässt sich insbesondere die Phase des mit der Graphenlage wechselwirkenden (insbesondere durch die Graphenlage hindurchtretenden) Lichtes modulieren. As in 1 can be seen, the absorption coefficient of graphene at chemical potentials to 0.35 eV at over 200,000 1 / cm and falls at 0.4 eV to about 10,000 1 / cm from. By switching between points of high and low absorption can be realized with graphene, for example, an electroabsorption modulator. At the same time, the refractive index of the graphene layers at chemical potentials around 0.4 eV has a variation of more than 5 (down to 0.2). In particular, the phase of the light interacting with the graphene layer (in particular passing through the graphene layer) can be modulated by switching between these two points.

2 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße optische Anordnung in Form einer Wellenleiteranordnung 1 (z.B. eines optischen Schaltkreises). Danach weist die Wellenleiteranordnung 1 einen integriert-optischen Wellenleiter 11 auf, der in an sich bekannter Weise durch auf einem Substrat 12 angeordnete Materialschichten ausgebildet ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wellenleiter 11 um einen Rippen-Wellenleiter, der ein von dem Substrat abstehende Rippe aufweist. Denkbar ist natürlich auch, dass es sich bei dem Wellenleiter um einen vergrabenen Wellenleiter handelt, dessen Wellenleiterkern von Materialschichten umgeben ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht zwingend einen integriert-optischen Wellenleiter voraussetzt. Vielmehr könnte als Wellenleiter z.B. auch eine optische Faser verwendet werden. 2 shows a plan view of an optical arrangement according to the invention in the form of a waveguide arrangement 1 (eg an optical circuit). Thereafter, the waveguide arrangement 1 an integrated optical waveguide 11 auf, in a known manner by on a substratum 12 arranged material layers is formed. For example, it is the waveguide 11 a rib waveguide having a rib projecting from the substrate. Of course, it is also conceivable that the waveguide is a buried waveguide whose waveguide core is surrounded by layers of material. It should be noted, however, that the invention does not necessarily imply an integrated optical waveguide. Rather, could be used as a waveguide, for example, an optical fiber.

Neben dem Wellenleiter 11 umfasst die Wellenleiteranordnung 1 ein Element in Form eines Dünnfilmelementes 2, das in einer schlitzartigen Aussparung 13 des Wellenleiters 11 und des Substrat 12, angeordnet ist. Die Aussparung 13 erstreckt sich durch den Wellenleiter 11 hindurch in das Substrat 12 hinein, so dass der Wellenleiter in einen ersten (in 2 linken) Abschnitt 111 und einen zweiten (rechten) Abschnitt 112 geteilt ist. Das Dünnfilmelement 2 umfasst mindestens eine Lage 21, die aus einem zweidimensionalen Material wie zum Beispiel Graphen besteht. Die Lage 21 ist auf einem Substrat in Form einer Trägerschicht 22 (Trägersubstrat) angeordnet. Next to the waveguide 11 includes the waveguide assembly 1 an element in the form of a thin-film element 2 in a slot-like recess 13 of the waveguide 11 and the substrate 12 , is arranged. The recess 13 extends through the waveguide 11 through into the substrate 12 into it, so that the waveguide into a first (in 2 left) section 111 and a second (right) section 112 shared. The thin film element 2 includes at least one layer 21 which consists of a two-dimensional material such as graphene. The location 21 is on a substrate in the form of a carrier layer 22 (Support substrate) arranged.

Die Aussparung 13 und damit das Dünnfilmelement 2 („2d-Material-Dünnfilmelement“) ist quer zum optischen Wellenleiter 11 orientiert. Entsprechend wird über den ersten Abschnitt 111 des optischen Wellenleiters 11 Licht zum Dünnfilmelement 2 (d.h. zur Lage 21) herangeführt, wobei das Licht zumindest teilweise durch die Lage 21 und auch durch die Trägerschicht 22 hindurchtritt und in den zweiten Abschnitt 112 des Wellenleiters 11 einkoppelt. Mit Hilfe der Lage 21 ist es möglich, das in dem ersten Abschnitt 111 des Wellenleiters 11 geführte Licht zu beeinflussen, zum Beispiel durch zumindest teilweise Absorption abzuschwächen. Beispielsweise kann eine solche Abschwächung periodisch erfolgen, so dass eine Modulation des Lichtes entsteht. Denkbar ist jedoch auch, dass mittels der Lage 21 Licht detektiert und Informationen über das an der Lage 21 eintreffende Licht gewonnen werden. The recess 13 and thus the thin film element 2 ("2d thin film material element") is transverse to the optical waveguide 11 oriented. According to the first section 111 of the optical waveguide 11 Light to the thin film element 2 (ie to the location 21 ), wherein the light is at least partially due to the position 21 and also through the carrier layer 22 passes through and into the second section 112 of the waveguide 11 couples. With the help of the location 21 is it possible that in the first section 111 of the waveguide 11 to influence guided light, for example by at least partially attenuating absorption. For example, such an attenuation may occur periodically, so that a modulation of the light is produced. It is also conceivable that by means of the location 21 Light detected and information about the location 21 incoming light will be won.

Der erste und/oder der zweite Wellenleiterabschnitt 111, 112 kann unmittelbar an das Dünnfilmelement 2 angrenzen (z.B. an dem Dünnfilmelement 2 anliegen). Möglich ist allerdings auch, dass zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Wellenleiterabschnitt 111, 112 und dem Dünnfilmelement 2 ein Abstand besteht. The first and / or the second waveguide section 111 . 112 can be applied directly to the thin-film element 2 adjacent (eg on the thin film element 2 issue). However, it is also possible that between the first and / or the second waveguide section 111 . 112 and the thin film element 2 there is a gap.

Selbstverständlich kann das Dünnfilmelement 2 mehr als eine Lage aus dem zweidimensionalen Material aufweisen. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass das Dünnfilmelement 2 (in 2 nach oben und nach unten) über den Wellenleiter 11 (zumindest über dessen Welleneiterkern) hinausragt. Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr könnte die Ausdehnung des Dünnfilmelementes 2 senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Wellenleiters 11 nur wenig größer als die Breite des Wellenleiters (zumindest des Welleneiterkerns) oder identisch der Breite des Wellenleiters sein. Denkbar ist auch, dass die Ausdehnung des Dünnfilmelementes 2 sogar kleiner als die Breite des Wellenleiters ist. Möglich ist grundsätzlich auch, dass eine sich nicht quer zum Wellenleiter 11 erstreckende Aussparung, sondern eine längs zum Wellenleiter 11 orientierte Aussparung vorhanden ist, in der das Dünnfilmelement 2 angeordnet ist. Die Lage 21 oder die mehreren Lagen des Dünnfilmelementes 2 sind jedoch auch in dieser Ausgestaltung schräg oder senkrecht zum Wellenleiter 11 orientiert. Of course, the thin film element 2 have more than one layer of the two-dimensional material. It should also be noted that the thin film element 2 (in 2 up and down) over the waveguide 11 protrudes (at least over the waveguide core). However, this is not mandatory. Rather, the expansion of the thin-film element could 2 perpendicular to the direction of extension of the waveguide 11 only slightly larger than the width of the waveguide (at least the waveguide core) or be identical to the width of the waveguide. It is also conceivable that the expansion of the thin-film element 2 even smaller than the width of the waveguide. It is also possible in principle that one is not transverse to the waveguide 11 extending recess, but one longitudinal to the waveguide 11 oriented recess is present, in which the thin-film element 2 is arranged. The location 21 or the multiple layers of the thin film element 2 However, in this embodiment, too, are oblique or perpendicular to the waveguide 11 oriented.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Anordnung, die auch hier in Form einer Wellenleiteranordnung 1 ausgebildet ist. Demnach ist das Dünnfilmelement 2 nicht in einer Aussparung des Wellenleiters 11 und/oder des Substrats 12 angeordnet, sondern befindet sich an einer Facette 113 des Wellenleiters 11. Insbesondere ist die Facette 113 Teil einer Stirnseite eines Bauelementes (z.B. eines Optochips), das das Substrat 12 und den Wellenleiter 11 umfasst. Denkbar ist, dass das Dünnfilmelement 2 dieser Ausgestaltung der Erfindung zur Detektion von Licht dient, das in dem Wellenleiter 11 zu dem Dünnfilmelement 2 geführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann über das Dünnfilmelement 2 Licht (zum Beispiel per Freistrahl) in den Wellenleiter 11 eingekoppelt werden. Möglich ist auch, dass das Dünnfilmelement 2 mit der Facette 113 verbunden ist. 3 shows a further embodiment of the optical arrangement according to the invention, which also here in the form of a waveguide arrangement 1 is trained. Accordingly, the thin film element is 2 not in a recess of the waveguide 11 and / or the substrate 12 arranged but is located on a facet 113 of the waveguide 11 , In particular, the facet is 113 Part of a front side of a component (eg an optochip), which is the substrate 12 and the waveguide 11 includes. It is conceivable that the thin-film element 2 this embodiment of the invention is used to detect light in the waveguide 11 to the thin film element 2 to be led. Alternatively or additionally, via the thin-film element 2 Light (for example by free jet) in the waveguide 11 be coupled. It is also possible that the thin-film element 2 with the facet 113 connected is.

4 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines Dünnfilmelementes 2, das zum Beispiel in den Ausführungsbeispielen der 2 oder 3 verwendet werden kann. Danach umfasst das Dünnfilmelement 2 mindestens zwei zueinander parallele, jedoch voneinander beabstandete Lagen 21a, 21b aus einem zweidimensionalen Material, wobei sich zwischen diesen Lagen eine (insbesondere elektrisch isolierende) Materialschicht befindet. 4 shows a possible embodiment of a thin-film element 2 which, for example, in the embodiments of the 2 or 3 can be used. Thereafter, the thin film element comprises 2 at least two mutually parallel but spaced apart layers 21a . 21b from a two-dimensional material, wherein a (in particular electrically insulating) material layer is located between these layers.

Die Lagen 21a, 21b sind strukturiert, d.h. sie sind nicht als bloße, die Trägerschicht 22 bedeckende Fläche ausgebildet, sondern weisen eine vorgegebene Kontur auf. Vorliegend besitzen die Lagen 21a, 21b jeweils einen (rechteckigen) ersten Abschnitt 211a, 211b, der einen Interaktionsbereich des Dünnfilmelementes 2 definiert. Dem ersten Abschnitt 211a, 211b schließt sich jeweils ein Zuleitungsabschnitt 212a, 212b an, wobei die Zuleitungsabschnitte 212a, 212b wiederum jeweils mit einer (z.B. metallischen) Kontaktfläche 3a, 3b verbunden sind, so dass eine kondensatorartige Struktur entsteht. Über die Kontaktflächen 3a, 3b lässt sich eine Spannung an die Lagen 21a, 21b anlegen. The layers 21a . 21b are structured, ie they are not as mere, the carrier layer 22 Covering surface formed, but have a predetermined contour. In the present case, the layers have 21a . 21b each one (rectangular) first section 211 . 211b , which is an interaction region of the thin-film element 2 Are defined. The first section 211 . 211b closes in each case a supply section 212a . 212b on, wherein the supply line sections 212a . 212b again in each case with a (eg metallic) contact surface 3a . 3b are connected, so that a capacitor-like structure is formed. About the contact surfaces 3a . 3b a tension can be applied to the layers 21a . 21b invest.

Das mit Hilfe des Dünnfilmelementes 2 zu manipulierende oder zu detektierende Licht wird insbesondere dem Bereich des Dünnfilmelementes 2 zugeleitet, in dem die ersten Abschnitte 211a, 211b der Lagen 21a, 21b einander überlappen. Beispielsweise ist dieser Bereich mit einem (nicht dargestellten) Wellenleiter gekoppelt. Denkbar ist insbesondere, dass der Wellenleiter wie in den 2 und 3 gezeigt senkrecht (oder zumindest schräg) zur Ebene, entlang der sich die Lagen 21a, 21b jeweils erstrecken, verläuft. This with the help of the thin-film element 2 The light to be manipulated or detected is in particular the region of the thin-film element 2 in which the first sections 211 . 211b the layers 21a . 21b overlap each other. For example, this area is coupled to a waveguide (not shown). It is conceivable in particular that the waveguide as in the 2 and 3 shown perpendicular (or at least oblique) to the plane along which the layers 21a . 21b each extend, runs.

Das Dünnfilmelement 2 kann natürlich weitere Lagen aus einem zweidimensionalen Material und entsprechend weitere Materiallagen zwischen diesen Lagen umfassen, wobei zumindest einige der weiteren Lagen ebenfalls mit einer Kontaktfläche versehen sein können. Die weiteren Lagen können strukturiert sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. The thin film element 2 may of course comprise further layers of a two-dimensional material and correspondingly more layers of material between these layers, wherein at least some of the further layers may also be provided with a contact surface. The other layers can be structured. However, this is not mandatory.

Denkbar ist auch, dass nur eine (z.B. analog zu den Lagen 21a, 21b der 4 strukturierten) Lage 21 aus einem zweidimensionalen Material vorhanden ist, die sowohl mit der ersten Kontaktfläche 3a, als auch mit der zweiten Kontaktfläche 3b verbunden ist (5). Ein solches Dünnfilmelement 2 kann z.B. zur Lichterzeugung und/oder Lichtdetektion verwendet werden. Selbstverständlich können jedoch mehrere, z.B. (insbesondere gemäß 4) strukturierte Lagen 21a, 21b vorhanden sein, wobei die Lagen 21a, 21b z.B. jeweils sowohl mit der einen Kontaktfläche 3a, als auch mit der anderen Kontaktfläche 3b verbunden sind, d.h. parallel geschaltet sind. Die Lagen 21a, 21b sind an Trägerschichten 22a–22c angeordnet, wobei sich eine der Trägerschichten 22a–22c (die Trägerschicht 22b) zwischen den Lagen 21a, 21b befindet (6). It is also conceivable that only one (eg analogous to the layers 21a . 21b of the 4 structured) location 21 made of a two-dimensional material is present, both with the first contact surface 3a , as well as with the second contact surface 3b connected is ( 5 ). Such a thin film element 2 can be used eg for light generation and / or light detection. Of course, however, several, for example (in particular according to 4 ) structured layers 21a . 21b be present, with the layers 21a . 21b eg, each with one contact surface 3a , as well as with the other contact surface 3b are connected, that are connected in parallel. The layers 21a . 21b are on carrier layers 22a - 22c arranged, wherein one of the carrier layers 22a - 22c (the carrier layer 22b ) between the layers 21a . 21b located ( 6 ).

Eine Anordnung analog zur 4 zeigt die 7 in Schnittansicht. Danach sind die Lagen 21a, 21b aus dem zweidimensionalen Material jeweils nur mit einer der Kontaktflächen 3a, 3b verbunden, so dass sich beim Anlegen einer Spannung an die Kontaktflächen 3a, 3b eine Spannung über die Lagen 21a, 21b und der zwischen ihnen befindlichen Trägerschicht 22b aufbaut (d.h. es wird nach Art eines Kondensators ein senkrecht zu den Lagen 21a, 21b gerichtetes elektrisches Feld generiert). Ein derartiges Dünnfilmelement kann zur Modulation der Amplitude und/oder Phase von Licht eingesetzt werden. An arrangement analogous to 4 show the 7 in sectional view. After that are the layers 21a . 21b from the two-dimensional material in each case only with one of the contact surfaces 3a . 3b connected so that when applying a voltage to the contact surfaces 3a . 3b a tension over the layers 21a . 21b and the carrier layer located between them 22b builds up (ie it is in the manner of a capacitor perpendicular to the layers 21a . 21b directed electric field generated). Such a thin film element can be used to modulate the amplitude and / or phase of light.

8 bezieht sich auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Danach wird eine erfindungsgemäße optische Anordnung in Form einer Wellenleiteranordnung 1, die in 8 in Draufsicht gezeigt ist, dadurch ausgebildet, dass ein optischer Wellenleiter 11 (Eingangswellenleiter) vorhanden ist, über den Licht einem Dünnfilmelement 2 zugeleitet wird, das wie in den vorhergehenden Figuren gezeigt, aus einem Substrat 22 mit mindestens einer auf dem Substrat 22 angeordneten Lage 21 aus einem zweidimensionalen Material besteht. 8th refers to a further embodiment of the invention. Thereafter, an optical arrangement according to the invention in the form of a waveguide arrangement 1 , in the 8th is shown in plan view, formed by an optical waveguide 11 (Input waveguide) is present across the light of a thin film element 2 is fed, as shown in the preceding figures, from a substrate 22 with at least one on the substrate 22 arranged location 21 consists of a two-dimensional material.

Das Dünnfilmelement 2 ist wiederum in einer Aussparung 13 insbesondere eines Substrates 12 angeordnet und so orientiert, dass der Wellenleiter 11 unter einem Winkel zu der Lage 21 verläuft. Genauer verläuft der Wellenleiter 11 unter einem derartigen Winkel, dass das aus ihm austretende Licht unter einem Winkel auf die Lage 21 trifft, unter dem es von der Lage 21 totalreflektiert und entsprechend kein Licht durch das Dünnfilmelement 2 transmittiert wird. The thin film element 2 is in turn in a recess 13 in particular a substrate 12 arranged and oriented so that the waveguide 11 at an angle to the location 21 runs. The waveguide runs more exactly 11 at such an angle that the light emerging from it at an angle to the position 21 under which it comes from the situation 21 totally reflected and accordingly no light through the thin film element 2 is transmitted.

Das totalreflektierte Licht kann durch einen weiteren Wellenleiter (erster Ausgangswellenleiter 110) aufgenommen werden, wobei der Ausgangswellenleiter 110 mit der Normalen der Lage 21 einen Winkel einschließt, der demjenigen entspricht, den der Wellenleiters 11 mit dieser Normalen bildet. The totally reflected light may be transmitted through another waveguide (first output waveguide 110 ), the output waveguide 110 with the normal of the situation 21 includes an angle corresponding to that of the waveguide 11 forms with this normal.

Durch Anlegen einer Spannung an das Dünnfilmelement 2, insbesondere an die Lage 21, kann der effektive Brechungsindex des Dünnfilmelementes 2 und damit der Winkel der Totalreflexion verändert werden. Insbesondere kann eine Spannung angelegt werden, die den effektiven Brechungsindex derart verändert, dass das über den Wellenleiter 11 an das Dünnfilmelement 2 herangeführte Licht nicht mehr totalreflektiert, sondern zumindest teilweise durch das Dünnfilmelement 2 transmittiert wird. By applying a voltage to the thin film element 2 , especially the location 21 , the effective refractive index of the thin film element 2 and thus changing the angle of total reflection. In particular, it is possible to apply a voltage which changes the effective refractive index in such a way that that via the waveguide 11 to the thin film element 2 introduced light no longer totally reflected, but at least partially through the thin film element 2 is transmitted.

Das transmittierte Licht kann von einem zweiten Ausgangswellenleiter 120, der sich auf der anderen Seite des Dünnfilmelementes 2 befindet, aufgenommen werden. Insbesondere ist der zweite Ausgangswellenleiter 120 zumindest näherungsweise parallel zum Eingangswellenleiter 11 ausgerichtet (z.B. jedoch entlang des Dünnfilmelementes 2 versetzt angeordnet). Das Dünnfilmelement 2 der 8 wirkt somit als optischer Schalter, mit dem das über den Wellenleiter 11 geführte Eingangslicht auf entweder den ersten oder den zweiten Ausgangswellenleiter 110, 120 umschaltbar ist. The transmitted light may be from a second output waveguide 120 that is on the other side of the thin-film element 2 is to be recorded. In particular, the second output waveguide 120 at least approximately parallel to the input waveguide 11 aligned (but eg along the thin film element 2 staggered). The thin film element 2 of the 8th thus acts as an optical switch with which via the waveguide 11 guided input light on either the first or the second output waveguide 110 . 120 is switchable.

9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Filters 4 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der optische Filter 4 weist ein ähnlich der 7 ausgeführtes Dünnfilmelement 2 mit zumindest zwei Lagen 21a, 21b aus einem zweidimensionalen Material auf. Die Lagen 21a, 21b sind an Trägerschichten 22a–22c angeordnet, wobei sich die Trägerschicht 22b zwischen den Lagen 21a, 21b erstreckt und die Lagen 21a, 21b elektrisch voneinander isoliert. Beispielsweise besteht zumindest die mittlere Trägerschicht 22b aus einem dielektrischen Material. Denkbar ist darüber hinaus, dass zumindest zwei der Trägerschichten 22a–22c aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. So sind z.B. die äußeren Trägerschichten 22a, 22c aus demselben Material (z.B. einem Polymer) gebildet, während die mittlere Trägerschicht 22b aus einem anderen Material besteht. Selbstverständlich können auch in diesem Ausführungsbeispiel mehr als die gezeigten zwei Lagen und entsprechend mehr als drei Trägerschichten vorhanden sein. 9 shows an embodiment of an optical filter 4 according to the present invention. The optical filter 4 has a similar to the 7 executed thin-film element 2 with at least two layers 21a . 21b from a two-dimensional material. The layers 21a . 21b are on carrier layers 22a - 22c arranged, wherein the carrier layer 22b between the layers 21a . 21b extends and the layers 21a . 21b electrically isolated from each other. For example, at least the middle carrier layer exists 22b made of a dielectric material. It is also conceivable that at least two of the carrier layers 22a - 22c made of different materials. For example, the outer carrier layers 22a . 22c from the same material (eg a polymer), while the middle support layer 22b made of a different material. Of course, more than the two layers shown and correspondingly more than three carrier layers may also be present in this exemplary embodiment.

Bei dem erfindungsgemäßen Filter handelt es sich also um einen Multischichtfilter, dessen optische Eigenschaften insbesondere durch Interferenzen des an den einzelnen Schichten reflektierten und/oder transmittierten Lichts bestimmt werden. Analog zur 7 können die Lagen 21a, 21b und die Trägerschicht 22b über Kontaktflächen 3a, 3b mit einer Spannung beaufschlagt werden. Durch Anlegen einer Spannung kann der effektive Brechungsindex des aus den Lagen 21a, 21b und den Trägerschichten 22a–22c gebildeten Schichtpaketes verändert werden. Somit lassen sich durch Anlegen einer Spannung optische Eigenschaften des Filters 4 und damit sein Absorption- bzw. Transmissionsverhalten steuern. Beispielsweise könnte zwischen einem reflektierenden und einem transmittierenden Zustand des Filters 4 geschaltet werden. The filter according to the invention is therefore a multilayer filter whose optical properties are determined in particular by interferences of the light reflected and / or transmitted at the individual layers. Analogous to 7 can the layers 21a . 21b and the carrier layer 22b over contact surfaces 3a . 3b be subjected to a voltage. By applying a voltage, the effective refractive index of the layer can be determined 21a . 21b and the carrier layers 22a - 22c be changed layer package formed. Thus, by applying a voltage optical properties of the filter can be 4 and thus control its absorption or transmission behavior. For example, could be between a reflective and a transmissive state of the filter 4 be switched.

Denkbar ist, dass der optische Filter 4 mit dem in 9 gezeigten Dünnfilmelement 2 in einer Freistrahl-Anordnung eingesetzt wird, d.h. Licht fällt auf das Dünnfilmelement 2 des Filters 4 schräg oder senkrecht zu den Lagen 21a, 21b ein. Möglich ist jedoch auch, dass Licht über einen Wellenleiter an das Dünnfilmelement 2 herangeführt wird. Beispielsweise kann bildet der Filter 4 eine steuerbare Antireflexbeschichtung oder eine hochreflektierende Beschichtung einer (insbesondere optischen) Oberfläche aus. It is conceivable that the optical filter 4 with the in 9 shown thin film element 2 is used in a free jet arrangement, ie light is incident on the thin film element 2 of the filter 4 obliquely or perpendicular to the layers 21a . 21b one. However, it is also possible that light via a waveguide to the thin film element 2 is introduced. For example, forms the filter 4 a controllable antireflection coating or a highly reflective coating of a (in particular optical) surface.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

. Article Ye Shengwei, et al, "Electro-absorption optical modulator using dual graphene-on-graphene configuration", Optics Express 22:21 (2014): 26173-26180 [0003]

Claims

Optical arrangement, comprising - at least one optical waveguide ( 11 . 110 . 120 ); and at least one element ( 2 ) with at least one layer formed from a two-dimensional material ( 21 . 21a . 21b ), characterized in that the element ( 2 ) relative to the waveguide ( 11 . 110 . 120 ) is arranged that - from the waveguide ( 11 . 110 . 120 ) leaking light ( 21 . 21a . 21b ) and / or the location ( 21 . 21a . 21b ) is reflected; and / or - out of the situation ( 21 . 21a . 21b ) leaving and / or at the location ( 21 . 21a . 21b ) reflected light into the waveguide ( 11 . 110 . 120 ).

Optical arrangement according to claim 1, characterized in that the position ( 21 . 21a . 21b ) consists of an atomic layer or a maximum of ten atomic layers of a material.

An optical arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the two-dimensional material of graphene, triazine-based graphitic carbon nitride, germanic, molybdenum disulfide, molybdenum diselenide and / or silicene is formed or at least one of these materials.

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 2 ) is arranged so that the position ( 21 . 21a . 21b ) of the two-dimensional material obliquely or perpendicular to the optical waveguide ( 11 . 110 . 120 ) is oriented.

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical waveguide ( 11 . 110 . 120 ) a recess ( 13 ), wherein the element ( 2 ) at least partially in the recess ( 13 ) is arranged.

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical waveguide ( 11 . 110 . 120 ) by on a substrate ( 12 ) arranged material layers, wherein the element ( 2 ) at least partially in a recess ( 13 ) of the substrate ( 12 ) is arranged.

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 2 ) adjacent to a facet ( 113 ) of the optical waveguide ( 11 . 110 . 120 ) is arranged.

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 2 ) at least one with the location ( 21 . 21a . 21b ) electrical contact connected to the two-dimensional material ( 3a . 3b ).

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 2 ) several layers ( 21a . 21b ) of a two-dimensional material.

Optical arrangement according to claim 9, characterized in that the layers ( 21a . 21b ) each have at least one area which does not coincide with the other position ( 21a . 21b ) overlaps.

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 2 ) a first and a second layer ( 21a . 21b ) of a two-dimensional material, wherein the layers ( 21a . 21b ) through a material area ( 22b ) are separated from each other.

Optical arrangement according to claim 11, characterized by a first, at least with the first layer ( 21a ) connected electrical contact ( 3a ) and a second, at least with the second layer ( 21b ) connected electrical contact ( 3b ).

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 2 ) an electrical contact ( 3a . 3b ) for applying a voltage to the layer ( 21 ) of the two-dimensional material, wherein the optical waveguide ( 11 ) relative to the situation ( 21 ), that at a predefinable, via the electrical contact ( 3a . 3b ) to the situation ( 21 ) applicable voltage from the waveguide ( 11 ) leaking light at the location ( 21 ) totally reflected and at a different voltage at least partially by the position ( 21 ) is transmitted.

Optical arrangement according to Claim 13, characterized by a first output waveguide ( 110 ) into which the totally reflected light couples, and / or a second output waveguide ( 120 ) into which the transmitted light couples.

Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 2 ) is designed and arranged for light generation, light detection and / or light modulation.

Optical filter, comprising - at least a first and a second layer ( 21a . 21b ) of a two-dimensional material; - one between the first and the second ( 21a . 21b ) arranged material area ( 22b ); - a first, with the first situation ( 21a ) connected electrical contact ( 3a ); and - a second, with the second layer ( 21b ) connected electrical contact ( 3b ), wherein - via the first and the second electrical contact ( 3a . 3b ) a tension at least over the material area ( 22b ) can be applied to change its refractive index and thus the transmission behavior of the optical filter.

Optical filter according to claim 16, characterized in that the material region ( 22b ) comprises a dielectric material.

Use of an optical filter according to claim 16 or 17, characterized in that the optical filter ( 4 ) is oriented so that light from a light source is inclined or perpendicular to the first and the second layer ( 21a . 21b ) impinges on the optical filter.