DE102022203109A1

DE102022203109A1 - Photonischer Schaltkreis

Info

Publication number: DE102022203109A1
Application number: DE102022203109.1A
Authority: DE
Inventors: Robert Rölver; Michael Förtsch; Franz Leibl
Original assignee: QAnt GmbH
Current assignee: QAnt GmbH
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-05
Also published as: WO2023186477A1; TW202340775A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen photonischen Schaltkreis (1), umfassend: ein Substrat (3), eine Mehrzahl von an dem Substrat (3) angebrachten Wellenleitern (2.1, ...), sowie eine Mehrzahl von Modulatoren, insbesondere von Phasenmodulatoren (6a, ...), zur Modulation von in den Wellenleitern (2.1, ...) geführtem Licht. Die Wellenleiter (2.1, ...) sind aus einem elekto-optisch aktiven Material gebildet, die Modulatoren sind als elektro-optische Modulatoren (6a, ...) ausgebildet, die jeweils eine Elektrode (8) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes (E) in einem Abschnitt eines jeweiligen Wellenleiters (2.1, ...) und jeweils eine Leiterbahn (12) zur Zuführung eines elektrischen Modulationssignals (10) zu der Elektrode (8) aufweisen. Der photonische Schaltkreis (1) ist ausgebildet, durch die Zuführung der elektrischen Modulationssignale (10) zu den Elektroden (8) in den Wellenleitern (2.1, ...) hervorgerufene elektrische Streufelder zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen (integrierten) photonischen Schaltkreis, umfassend: ein Substrat, eine Mehrzahl von an dem Substrat angebrachten Wellenleitern, sowie eine Mehrzahl von Modulatoren, insbesondere von Phasenmodulatoren, zur Modulation von in den Wellenleitern geführtem Licht, typischerweise in Form von einzelnen Photonen bzw. von Photonenpulsen mit einer abzählbaren Anzahl an Photonen.
Integrierte photonische Schaltkreise ermöglichen die Realisierung neuartiger Computing-Hardwarearchitekturen wie das neuromorphe Computing oder das photonische Quantencomputing. In integrierten photonischen Schaltkreisen wird das Licht, das über geeignete Maßnahmen in den photonischen Schaltkreis (in einen Chip) eingekoppelt wird, typischerweise in monolithisch integrierten Wellenleitern auf großflächigen Substraten geführt und mit Hilfe von (einstellbaren) Strahlteilern mit dem Licht, das in anderen Wellenleitern geführt wird, zur Interferenz gebracht. Bei den (einstellbaren) Strahlteilern kann es sich beispielsweise um Mach-Zehnder-Interferometer handeln. Der Grad der Interferenz an einem jeweiligen Kreuzungspunkt, an dem ein (einstellbarer) Strahlteiler angeordnet ist, kann durch die Beeinflussung der Phasenlage der beiden in den Wellenleitern geführten Photonen eingestellt werden. Photonische Schaltkreise benötigen daher in der Regel eine Vielzahl von Modulatoren, insbesondere in Form von Phasenmodulatoren.
In dem Artikel „Silica-on-Silicon Waveguide Quantum Circuits“, Alberto Polini et al., Science, Vol. 320, p. 646, sind integrierte photonische Schaltkreise auf Grundlage von „Silica-on-Silicon“-Wellenleitern beschrieben, d.h. Wellenleitern aus SiO₂, die auf ein Substrat aus Silizium aufgebracht sind. Ein solcher photonischer Schaltkreis kann z.B. zur Realisierung von Zwei-Photonen Quanten-Interferenz verwendet werden.
Ein Beispiel für einen integrierten photonischen Schaltkreis, bei dem Siliziumnitrid als Material für die Wellenleiter verwendet wird, ist in dem Artikel „8×8 reconfigurable quantum photonic processor based on silicon nitride waveguides“, C. Taballione et al., Optics Express, Vol. 27, 26843 (2019), beschrieben. Dort wird für die Einstellung der Phasenlage eines jeweiligen einstellbaren Strahlteilers in Form eines Mach-Zehnder Interferometers ein thermo-optischer Phasenmodulator verwendet.
In dem Artikel „Quantum circuits with many photons on a programmable nanophotonic chip“, J.M. Arrazola et al., Nature 591, 54-60 (2021) ist ein Quanten-Schaltkreis in Form eines programmierbaren Chips beschrieben, der u.a. zur Realisierung eines sogenannten Gaussian Bosonic Samplers (GBS) verwendet werden kann. Der integrierte optische Schaltkreis verwendet Siliziumnitrid-Wellenleiter und thermo-optische Phasenmodulatoren bzw. Phasenschieber.
In dem Artikel „An Integrated Low-voltage Broadband Lithium Niobate Phase Modulator“ von Tianhao Ren et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol. 31, no. 11, pp. 889-892, wird ein elektro-optischer Phasenmodulator beschrieben, bei dem eine dünne Schicht aus Lithiumniobat für die Phasenmodulation verwendet wird. An die Schicht wird für die Phasenmodulation ein hochfrequentes Wechselfeld angelegt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen photonischen Schaltkreis bereitzustellen, der schnelle Schaltzeiten und eine möglichst störungsfreie Modulation des in den Wellenleitern geführten Lichts ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch einen photonischen Schaltkreis der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Wellenleiter aus einem elekto-optisch aktiven Material gebildet sind, bei dem die Modulatoren als elektro-optische Modulatoren ausgebildet sind, die jeweils eine Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in einem Abschnitt eines jeweiligen Wellenleiters und jeweils eine Leiterbahn zur Zuführung eines elektrischen Modulationssignals zu der Elektrode aufweisen, und bei dem der photonische Schaltkreis ausgebildet ist, durch die Zuführung der elektrischen Modulationssignale in den Wellenleitern hervorgerufene elektrische Streufelder zu reduzieren, bevorzugt zu vermeiden.
Bei dem hier beschriebenen photonischen Schaltkreis sind die Wellenleiter aus einem elektro-optisch aktiven Wellenleitermaterial hergestellt, bei dem es sich beispielsweise um LiNbO₃, KTP handeln kann. Im Vergleich zu den typischerweise für die Herstellung von Wellenleitern verwendeten Materialien wie Si, SiO₂ oder SiN (s.o.) bieten elektro-optisch aktive Wellenleitermaterialien die Möglichkeit der Modulation durch elektro-optische Modulatoren, beispielsweise durch elektro-optische Phasenmodulatoren. Die führt zu deutlich schnelleren Schaltzeiten und zur Möglichkeit, photonische Quantencomputer mit deutlich höherer Skalierung zu realisieren.
Die Modulation des in einem jeweiligen Wellenleiter geführten Lichts erfolgt durch das Anlegen eines elektrischen Feldes in einem definierten Bereich bzw. Abschnitt des Wellenleiters. Dieses elektrische Feld führt aufgrund des elektro-optischen Effekts in dem elektro-optisch aktiven Material des Wellenleiters zu einer Veränderung des Brechungsindexes des elektro-optisch aktiven Materials. Die Stärke dieser Brechungsindex-Modulation ist proportional zur Stärke des angelegten elektrischen Feldes. Die Brechungsindex-Modulation führt zu einer Modulation der Phase des in dem Wellenleiter geführten Lichts und daher zu einer Phasenverschiebung gegenüber Licht, das in einem Wellenleiter ohne eine solche Modulation geführt wird.
Bei der Zuführung von elektrischen Modulationssignalen zu den elektro-optischen Modulatoren, genauer gesagt zu Elektroden, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in einem jeweiligen Abschnitt eines Wellenleiters dienen, werden elektrische bzw. elektromagnetische Streu- bzw. Störfelder entlang der spannungsführenden metallischen Leiterbahnen erzeugt. Diese ungewollten Streufelder können sich bis zu den Wellenleitern erstrecken und in dem elektro-optisch aktiven zu ungewollten Brechungsindex-Veränderungen führen. Ein photonischer Schaltkreis weist der Regel eine sehr große Anzahl von elektro-optischen Modulatoren auf, die beispielsweise in der Größenordnung von mehreren 100.000 liegen kann. Aufgrund der Komplexität der metallischen Kontaktierung über eine entsprechende Anzahl von Leiterbahnen ist es daher entscheidend, ungewollte elektrische Streufelder im Bereich der Wellenleiter durch geeignete Maßnahmen zu verhindern bzw. möglichst zu minimieren.
Bei einer Ausführungsform weist der photonische Schaltkreis eine elektrisch leitende Abschirmung zur Abschirmung der Wellenleiter vor den elektrischen Streufeldern auf, wobei die Abschirmung bevorzugt zwischen einem Verdrahtungsabschnitt einer jeweiligen Leiterbahn und den Wellenleitern angeordnet ist. Bei dem elektrischen Modulationssignal, das zur Ansteuerung eines jeweiligen elektro-optischen Modulators verwendet wird, handelt es sich typischerweise um eine Gleichspannung mit einem zeitlich variierenden Spannungswert oder ggf. um eine niederfrequente Wechselspannung. Die elektrisch leitfähige Abschirmung ist typischerweise geerdet und schirmt die Wellenleiter von einer jeweiligen Leiterbahn, genauer gesagt vor Streufeldern, ab, die von der Leiterbahn, beispielsweise von einem Verdrahtungsanschnitt der Leiterbahn, erzeugt werden. Unter einem Verdrahtungsabschnitt wird ein Abschnitt der Leiterbahn verstanden, der von dem Abschnitt des Wellenleiters, an dem ein jeweiliger elektro-optischer Modulator auf dem Substrat angeordnet ist, typischerweise entlang einer Ebene parallel zur Vorderseite Substrats, wegführt und sich zu einem zentralen Verdrahtungspunkt erstreckt, der mit einer Signalquelle zur Erzeugung der elektrischen Modulationssignale, typischerweise mit einer geeignet ausgelegten Spannungsquelle, in Verbindung steht.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die Wellenleiter von einer elektrisch isolierenden Schicht überdeckt und die Abschirmung ist in die elektrisch isolierende Schicht eingebettet und bevorzugt als Metallisierungsschicht ausgebildet. In diesem Fall ist zwischen der Ebene an der Vorderseite des Substrats, an der die Wellenleiter angeordnet sind, und einer typischerweise ebenen Fläche an der Oberseite der elektrisch isolierenden Schicht, an der die Verdrahtungsabschnitte der Leiterbahnen verlaufen, die Abschirmung angeordnet. Die Abschirmung verläuft in der Regel plan und ist als Metallisierungsschicht, d.h. als dünne Metallschicht, ausgebildet. Auf diese Weise wird zwischen der Ebene, an der die Wellenleiter angeordnet sind, und der Ebene, in der die Verdrahtung der Leiterbahnen erfolgt, eine - in der Regel geerdete - Metallisierungsebene angeordnet. Die elektrisch leitende Abschirmung ist aufgrund der Einbettung in die elektrisch isolierende Schicht von den Elektroden und von den Verdrahtungsabschnitten der Leiterbahnen elektrisch isoliert. Die geerdete Metallisierungsschicht verhindert, dass die elektrischen Streufelder die Wellenleiter erreichen können. Die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht ausgehend von der Oberseite des Substrats ist typischerweise mindestens 2 Mal so groß wir die Höhe eines jeweiligen Wellenleiters, die ebenfalls ausgehend von der Oberseite des Substrats gemessen wird.
Bei einer Weiterbildung weist die Abschirmung im Bereich der Elektrode eines jeweiligen elektro-optischen Modulators einen Durchbruch auf, durch den die jeweilige Leiterbahn, genauer gesagt ein Kontaktabschnitt der Leiterbahn, hindurch verläuft. Die elektrisch leitende Abschirmung ist nur direkt über bzw. benachbart zu dem jeweiligen Wellenleiter bzw. Modulator-Kontakt geöffnet, um eine elektrisch isolierte Durchführung der Leiterbahn von der Elektrode zu dem Verdrahtungsabschnitt zu ermöglichen. Der Kontaktabschnitt der Leiterbahn erstreckt sich typischerweise von dem Verdrahtungsabschnitt an der Oberseite der elektrisch isolierenden Schicht bis zur Ebene mit den Wellenleitern an der Vorderseite des Substrats.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat elektrisch leitfähig. Das elektrisch leitfähige Substrat kann in diesem Fall als Gegenelektrode des elektro-optischen Modulators dienen. Das Substrat befindet sich in diesem Fall auf einem anderen elektrischen Potential als die Elektrode des elektro-optischen Modulators, um in dem zwischen der Elektrode und dem Substrat angeordneten Abschnitt des Wellenleiters ein elektrisches Feld zur Modulation des durch den Wellenleiter propagierenden Lichts zu erzeugen. Das Substrat kann insbesondere geerdet sein, d.h. sich auf Massepotential befinden. Gleiches gilt für die Abschirmung, d.h. die Abschirmung und das Substrat können miteinander elektrisch leitend verbunden sein und sich gemeinsam auf Massepotential befinden. Bei dem elektrisch leitfähigen Substrat kann es sich beispielsweise um ein dotiertes Halbleitermaterial handeln, z.B. um dotiertes Silizium, aber auch um dotiertes SiC, GaAs, GaN, ....
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist an einer den Wellenleitern zugewandten Seite des Substrats eine Isolatorschicht aufgebracht, die sich zwischen den Wellenleitern und dem Substrat erstreckt und die bevorzugt die Wellenleiter umgibt. Die Isolatorschicht, die z.B. aus SiO₂ bestehen kann, weist typischerweise einen Brechungsindex auf, der niedriger ist als der Brechungsindex des elektro-optisch aktiven Materials des Wellenleiters, um die Führung des Lichts in dem Wellenleiter zu verbessern. Die Isolatorschicht weist typischerweise eine deutlich geringere Dicke bzw. Höhe auf als die jeweiligen Wellenleiter. Entsprechend füllt die Isolatorschicht die Zwischenräume zwischen den auf das Substrat aufgebrachten Wellenleitern nicht vollständig aus, d.h. die Wellenleiter sind nicht in die Isolatorschicht eingebettet. Zusätzlich zu der Isolatorschicht kann die weiter oben beschriebene elektrisch isolierende Schicht auf das Substrat aufgebracht sein, deren Dicke größer ist als die Höhe der Wellenleiter (s.o.). Es ist aber auch möglich, dass es sich bei der hier beschriebenen Isolatorschicht und bei der elektrisch isolierenden Schicht um eine einzige (dicke) Schicht aus einem isolierenden Material handelt, in welche die Wellenleiter eingebettet sind.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Isolatorschicht oder eine zwischen dem Substrat und der Isolatorschicht aufgebrachte weitere Isolatorschicht einen elektrisch leitfähigen Bereich auf, der sich zwischen einem jeweiligen Abschnitt des Wellenleiters, an dem die Elektrode angeordnet ist, und dem Substrat erstreckt. Wie weiter oben beschrieben wurde, dient die Isolatorschicht, welche den jeweiligen Wellenleiter umgibt, zur verbesserten Führung des Lichts in dem Wellenleiter und benötigt zu diesem Zweck einen geeigneten Brechungsindex. Um den elektrisch leitfähigen Bereich zu erzeugen, kann es günstig sein, eine weitere Isolatorschicht zu verwenden, die nicht unmittelbar an den Wellenleiter angrenzt und an deren Brechungsindex daher keine Anforderungen gestellt werden. Es ist aber auch möglich, dass keine weitere Isolatorschicht vorhanden ist und die Isolatorschicht, welche an den Wellenleiter angrenzt, den bzw. die elektrisch leitfähigen Bereiche aufweist.
Bei der weiteren Isolatorschicht kann es sich beispielsweise um eine undotierte Halbleiterschicht z.B. aus Silizium handeln, die in dem elektrisch leitfähigen Bereich dotiert ist. Der elektrisch leitfähige Bereich bzw. das elektrisch leitfähige Volumen der Isolatorschicht ist typischerweise im Wesentlichen auf einen Bereich der Isolatorschicht beschränkt, der sich in einem Zwischenraum zwischen dem Abschnitt des Wellenleiters, in dem das elektrische Feld erzeugt wird, und dem Substrat befindet. Außerhalb dieses Bereichs ist die Isolatorschicht typischerweise nicht elektrisch leitfähig.
Durch die Erdung des Substrats, z.B. in Form eines (dotierten) Siliziumwafers, mit Hilfe einer elektrischen Kontaktierung z.B. auf dessen Rückseite werden auch die elektrisch leitenden Bereiche der Isolatorschicht bzw. der weiteren Isolatorschicht geerdet, während in allen anderen Bereichen aufgrund der Isolatorschicht bzw. der weiteren Isolatorschicht das Erdungspotential weiter entfernt von den spannungsführenden Elektroden der jeweiligen elektro-optischen Modulatoren bzw. der Leiterbahnen liegt, weshalb ein ggf. vorhandenes elektrisches Streufeld in den elektrisch isolierenden Bereichen der Isolatorschicht bzw. der weiteren Isolatorschicht wesentlich geringer ausfällt und den Effekt ungewollter Modulation des in den Wellenleitern geführten Lichts deutlich vermindert.
Eine solche Isolatorschicht kann beispielsweise hergestellt werden, indem zunächst eine undotierte Halbleiterschicht epitaktisch auf das Substrat aufgetragen wird. Durch eine geeignete Maskierung (z.B. Schattenmasken oder lithographisch definierte Photolackstrukturen) während einer Ionenimplantation geeigneter Dotierstoffe werden gezielt nur diejenigen Bereiche der Isolatorschicht elektrisch leitfähig gemacht, an denen sich die Abschnitte der Wellenleiter mit den Elektroden befinden.
Alternativ ist es möglich, den lokalen elektrisch leitfähigen Volumenbereich in der Isolatorschicht durch eine lokal begrenzte Metallisierung zu erzeugen. In diesem Fall kann die Isolatorschicht in dem lokal begrenzten Bereich abgetragen werden, um die Metallisierung einzubringen. Es ist auch möglich, die lokal begrenzten Bereiche beim Abscheiden der Isolatorschicht auszusparen, um anschließend die Metallisierung in die Isolatorschicht einzubringen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Isolatorschicht oder die weitere Isolatorschicht zwischen dem Wellenleiter und dem Substrat eine Dicke zwischen 1 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 20 µm, beispielsweise um ca. 10 µm, auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es günstig, wenn das elektrisch leitfähige Substrat einen vergleichsweise großen Abstand von dem jeweiligen Wellenleiter aufweist, da auf diese Weise die elektrischen Streufelder, die in dem jeweiligen Wellenleiter erzeugt werden, sehr gering ausfallen.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist mindestens eine Leiterbahn - typischerweise in einem Abschnitt, in dem keine Elektrode angeordnet ist - über mindestens einen der Wellenleiter geführt. Bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform weist das elektrisch leitende Substrat einen ausreichenden Abstand zur einer jeweiligen Leiterbahn auf, so dass Leiterbahnen über die Wellenleiter geführt werden können, ohne dass hierbei nennenswerte elektrische Streufelder in dem jeweiligen Wellenleiter auftreten.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Substrat im Bereich einer jeweiligen Elektrode eine Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung mit einem Kontaktabschnitt einer jeweiligen Leiterbahn auf, wobei der Kontaktabschnitt sich ausgehend von einer von dem Substrat beabstandeten Verdrahtungskomponente, insbesondere von einer Leiterplatte bzw. Platine, zu der Kontaktfläche erstreckt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Verdrahtung des photonischen Schaltkreises an einer von dem Substrat beabstandeten (externen) Verdrahtungskomponente, die beispielsweise in Form einer Leiterplatte bzw. Platine ausgebildet sein kann. Für den Fall, dass die Verdrahtungskomponente einen ausreichenden Abstand vom Substrat bzw. von den Wellenleitern aufweist, sind die in den Wellenleitern hervorgerufenen Störfelder, die von den Verdrahtungsabschnitten erzeugt werden, gering. Die Kontaktabschnitte können in Form von Kontaktstiften ausgebildet sein, welche die Kontaktflächen kontaktieren, aber nicht fest mit den Kontaktflächen verbunden sind. Alternativ können die Kontaktabschnitte fest mit den Kontaktflächen verbunden sein, beispielsweise über Lötpunkte oder dergleichen.
Bei einer Weiterbildung verlaufen Verdrahtungsabschnitte der Leiterbahnen an einer dem Substrat abgewandten Seite der Verdrahtungskomponente. Die Kontaktabschnitte der Leiterbahnen sind in diesem Fall durch die Verdrahtungskomponente, typischerweise in Form der Leiterplatte/Platine, hindurchgeführt, um die Kontaktabschnitte an dem Substrat zu kontaktieren. Es ist günstig, wenn die Verdrahtungsabschnitte der Leiterbahnen an der dem Substrat abgewandten Seite der Leiterplatte verlaufen, da die elektrisch isolierende Leiterplatte in diesem Fall als Abschirmung dienen kann. Die Verdrahtungsabschnitte der Leiterbahnen können an der Leiterplatte beispielsweise zu einem gemeinsamen, zentralen Anschlusspunkt geführt werden.
Bei einer Weiterbildung sind die Kontaktflächen an einer den Wellenleitern zugewandten Seite des Substrats angebracht. In diesem Fall sind die Kontaktflächen typischerweise benachbart zu einer jeweiligen Elektrode an dem Substrat angeordnet. Die Elektroden und die Kontaktflächen sind hierbei typsicherweise in Form einer gemeinsamen Metallisierung ausgebildet.
Bei einer alternativen Weiterbildung der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Kontaktflächen an einer den Wellenleitern abgewandten Seite des Substrats gebildet. In diesem Fall erfolgt die externe Verdrahtung an der Rückseite des Substrats bzw. des Wafers, wie weiter unten näher beschrieben wird:

Bei einer Weiterbildung ist das Substrat elektrisch isolierend und weist (lokal begrenzte) elektrisch leitfähige Volumenbereiche auf, die mit einer jeweiligen Kontaktfläche an der den Wellenleitern abgewandten Seite des Substrats verbunden sind. Die elektrisch leitfähigen Volumenbereiche des Substrats befinden sich an den Positionen des Substrats, an denen die elektro-optische Modulation erfolgen soll. Die elektrisch leitfähigen Volumenbereiche können erzeugt werden, indem diese in einem ansonsten undotierten Halbleitersubstrat dotiert und damit leitfähig gemacht werden. Alternativ können die elektrisch leitfähigen Volumenbereiche ggf. auch durch eine Metallisierung des elektrisch isolierenden Substrats gebildet werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform grenzen die elektrisch leitenden Volumenbereiche an Aussparungen an, die sich ausgehend von der den Wellenleitern abgewandten Seite in das Substrat erstrecken, wobei die Elektroden bevorzugt durch eine sich von einer jeweiligen Kontaktfläche bis zu einem jeweiligen elektrisch leitenden Volumenbereich erstreckende Metallisierungsschicht gebildet sind. Die Aussparungen können durch geeignete Ätzverfahren (z.B. Deep Reactive Ion Etching, DRIE) lithographisch definiert in das Substrat eingebracht werden. Das Ätzen erfolgt bis zur Tiefe der dotierten Volumenbereiche. Durch eine anschließende Metallisierung der Aussparungen können die lokal begrenzen Elektroden definiert werden, die mit Hilfe der Kontaktflächen mit einer jeweiligen Leiterbahn der Verdrahtungskomponente kontaktiert werden.
Um eine (gemeinsame) Gegenelektrode für die elektro-optischen Modulatoren zu bilden, können die Wellenleiter bzw. kann die den Wellenleitern zugewandte Seite des Substrats zunächst ganzflächig mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet werden, z.B. mit SiO₂ oder mit SiN, und nachfolgend ganzflächig metallisiert werden. Die ganzflächige Metallisierungsschicht wird in diesem Fall typischerweise geerdet und bildet die Gegenelektrode für die auf die weiter oben beschriebene Weise ausgeführten Elektroden der jeweiligen elektro-optischen Modulatoren.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines photonischen Schaltkreises in Form eines photonischen Quantencomputers mit einem Netzwerk von Wellenleitern,
2 eine schematische Darstellung der Ausgestaltung eines Kreuzungspunkts des Netzwerks von 1 mit einem Mach-Zehnder-Interferometer und mit mehreren Phasenmodulatoren,
3a,b Darstellungen eines der Phasenmodulatoren von 2, der als elektro-optischer (Phasen-)Modulator ausgebildet ist und eine Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in einem lokal begrenzten Abschnitt eines Wellenleiters sowie eine Leiterbahn zur Zuführung eines elektrischen Modulationssignals zu der Elektrode aufweist,
4 eine Darstellung eines Querschnitts des photonischen Schaltkreises, bei dem eine als Abschirmung dienende Metallisierungsschicht in eine elektrisch isolierende Schicht eingebettet ist, um die Wellenleiter vor elektrischen Streufeldern zu schützen,
5a,b Darstellungen eines photonischen Schaltkreises, bei dem im Bereich einer jeweiligen Elektrode zwischen einem der Wellenleiter und dem Substrat ein lokal begrenzter elektrisch leitfähiger Volumenbereich gebildet ist,
6a,b Darstellungen eines photonischen Schaltkreises, bei dem eine von dem Substrat beabstandete Vedrahtungskomponente in Form einer Platine mit einer Kontaktfläche zur Kontaktierung einer Elektrode eines jeweiligen elektro-optischen Modulators in Verbindung steht, und
7a,b eine Darstellung eines photonischen Schaltkreises, bei dem die Verdrahtungskomponente in Form der Platine zur Kontaktierung einer an der Rückseite des Substrats gebildeten Kontaktfläche dient, die Teil einer Elektrode in Form einer Metallisierungsschicht ist, die sich in eine Aussparung in dem Substrat bis zu einem elektrisch leitfähigen Volumenbereich des Substrats erstreckt.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt stark schematisch ein Beispiel für einen photonischen Schaltkreis 1, der ein Substrat 2 aufweist, an dessen Oberseite eine Mehrzahl von Wellenleitern 2.1, ..., 2.N angeordnet ist. Wie in 1 stark schematisch angedeutet ist, wird Licht in Form von N einzelnen Photonen P1, ..., PN, genauer gesagt in Form von Photonenpulsen mit abzählbar wenigen Photonen gleicher Wellenlänge, zeitgleich in einen jeweiligen Wellenleiter 2.1, ..., 2.N des photonischen Schaltkreises 1 eingekoppelt. Die Wellenleiter 2.1, ..., 2.N bilden ein Netzwerk, bei dem jeweils zwei benachbarte Wellenleiter 2.1, ..., 2.N an mehreren Kreuzungspunkten 4 miteinander gekoppelt sind, wobei die Kreuzungspunkte 4 ein regelmäßiges Raster bilden. Die Anzahl der Photonen, die einen jeweiligen Wellenleiter 2.1, ..., 2.N bei der Transmission durch das Netzwerk durchlaufen haben, werden an einem jeweiligen Ausgang des photonischen Schaltkreises 1 mit Hilfe einer Mehrzahl n von Detektoren D1, ..., DN gezählt. Die Anzahl N der Eingänge in den photonischen Schaltkreis 1 kann mit der Anzahl N der Ausgänge übereinstimmen, dies ist aber nicht zwingend der Fall.
Bei dem in 1 dargestellten photonischen Schaltkreis 1 handelt es sich um einen sogenannten Gaussian Boson Sampler, der eine spezielle Form eines photonischen Quantencomputers darstellt, anhand dessen sich die Komplexität eines photonischen Schaltkreises 1 gut erklären lässt. Der Gaussian Boson Sampler ist in der Lage, die Hafnian von quadratischen Matrizen mit N x N Einträgen zu berechnen. Hierzu wird die Photonenverteilung der an Ausgängen bzw. an den Detektoren D1, ..., DN ankommenden Photonen P1, ..., PN gezählt, die der Permanente der so genannten Kopplungsmatrix entspricht. Die Berechnung der Hafnian komplexer Matrizen ist mit Hilfe klassischer Rechner nicht möglich, man spricht hier von einem sogenannten #P-Hard Problem.
Die Programmierung der Matrix, deren Hafnian berechnet werden soll, erfolgt über die Einstellung einer Phasenverschiebung ΔΦ an einem jeweiligen Kreuzungspunkt 4, an dem das in zwei benachbarten Wellenleitern 2.1, 2.2 geführte Licht P1, P2 miteinander interferiert, wie dies in 2 beispielhaft für einen Kreuzungspunkt 4 des in 1 dargestellten photonischen Schaltkreises 1 gezeigt ist. An dem Kreuzungspunkt 4 wird bei dem in 2 gezeigten Beispiel die Kopplungswahrscheinlichkeit c₁₂ (vgl. 1) zwischen den beiden Eingängen und den beiden Ausgängen eines Mach-Zehnder-Interferometers 5 mit Hilfe eines Phasenmodulators 6a eingestellt, der zu diesem Zweck eine einstellbare Phasenverschiebung ΔΦ₁₂ vorgibt. Die vier Einträge a₁₁, a₁₂, a₂₁ und a₂₂ einer 2x2-Matrix, deren Permanente mit dem photonischen Schaltkreis 1 berechnet werden soll, können in analytischer Form in einfacher Weise durch die Kopplungswahrscheinlichkeit c₁₂ an dem Kreuzungspunkt 4 ausgedrückt werden. Bei einer 3x3-Materix sind die analytische mathematische Problembeschreibung und der analytische Zusammenhang zwischen den in diesem Fall drei Kopplungswahrscheinlichkeiten an drei Kreuzungspunkten und den neun Einträgen der 3x3-Matrix bereits wesentlich komplexer. Die Komplexität der Berechnung der Permanente nimmt mit zunehmendem N stark zu und ist mit Hilfe klassischer Rechner nicht möglich, weshalb der photonische Schaltkreis 1 für die Bestimmung der Permanente verwendet wird.
Wie in 2 zu erkennen ist, werden für Kopplung an dem Kreuzungspunkt 4 die beiden Photonen P1, P2, die in dem jeweiligen ersten bzw. zweiten Wellenleiter 2.1, 2.2 propagieren, zunächst mit Hilfe von zwei weiteren Phasenmodulatoren 6b, 6c in Phase gebracht, indem die jeweilige Phase Φ₁, Φ₂ der Photonen P1, P2 derart eingestellt wird, dass diese gleichzeitig am Mach-Zehnder-Interferometer 5 ankommen. Es versteht sich, dass zu diesem Zweck ggf. ein einziger weiterer Phasenmodulator ausreichend sein kann. Wie allgemein üblich, weist der Mach-Zehnder-Modulator 5 zwei Strahlteiler 7a, 7b auf, zwischen denen der Phasenmodulator 6a angeordnet ist. Die Phasenmodulator 6a bzw. die Phasenverschiebung ΔΦ bestimmt, welcher Anteil des Lichts bzw. der Photonen P1, P2 vom ersten Eingang E1 des Mach-Zehnder-Interferometers 5 in den ersten Ausgang A1, vom ersten Eingang E1 in den zweiten Ausgang A2, vom zweiten Eingang E2 in den ersten Ausgang A1 und vom zweiten Eingang E2 in den zweiten Ausgang E2 des Phasenmodulators 6a übergeführt wird. Da für jeden Kreuzungspunkt 4 drei Phasenmodulatoren 6a-c benötigt werden, wird für einen Gaussian Boson Sampler zur Berechnung der Permanente einer N x N-Matrix eine Anzahl von 3 x N x N Phasenmodulatoren benötigt. Geht man davon aus, dass ein echter Vorteil des Gaussian Boson Samplers gegenüber klassischen Rechnern in bestimmten Optimierungsproblemen erst ab einer Größe von N = 500 erzielt werden kann, ergibt sich daraus eine Anzahl von 750.000 Phasenmodulatoren, die mit entsprechenden Modulationssignalen versorgt werden müssen, um die jeweils gewünschte Phasenverschiebung einzustellen.
Bei dem hier beschriebenen photonischen Schaltkreis 1 sind die Phasenmodulatoren 6a-c als elektro-optische Phasenmodulatoren ausgebildet. 3a,b zeigen beispielhaft einen solchen Phasenmodulator 6a, der zur Einstellung der Phasendifferenz bei dem in 2 gezeigten Mach-Zehnder-Interferometer 5 dient. Der Phasenmodulator 6a weist eine flächige Elektrode 8 auf, die an der Oberseite des Wellenleiters 2.1 angebracht ist und sich in Längsrichtung des Wellenleiters 2.1 entlang eines lokal begrenzten Abschnitts 9 erstreckt, in dem mit Hilfe der Elektrode 8 ein elektrisches Feld E in dem Material des Wellenleiters 2.1 erzeugt wird. Die Länge des Abschnitts 9 liegt in der Größenordnung von 50 µm bis 500 µm. Bei dem Material des Wellenleiters 2.1 handelt es sich um ein elektro-optisch aktives Material, beispielsweise um Lithiumniobat (LiNbO₃) oder Kaliumtitanylphosphat (KTP). Bei einem solchen Material führt das angelegte elektrische Feld E aufgrund des elektro-optischen Effekts zu einer Veränderung des Brechungsindexes in dem Wellenleiter 2.1, was eine Phasenverschiebung ΔΦ bewirkt. Die Stärke der Brechungsindexmodulation ist proportional zur Stärke des in dem Wellenleiter 2.1 erzeugten elektrischen Feldes E. Die Stärke des elektrischen Feldes E in dem Wellenleiter 2.1 wird mit Hilfe eines elektrischen Modulationssignals 10 eingestellt, das in Form einer Gleichspannung bzw. eines elektrischen Potentials V von einem Signalgenerator 11 bereitgestellt wird. Der elektro-optische Phasenmodulator 6a weist für die Zuführung des elektrischen Modulationssignals 10 zu der Elektrode 8 eine elektrische Leiterbahn 12 auf, die von der Elektrode 8 ausgeht und an einer Seite 3a (Vorderseite) des Substrats 3 verläuft, an der auch die Wellenleiter 2.1, ..., 2.N verlaufen.
Das Substrat 3 besteht bei dem in 3a,b gezeigten Beispiel aus einem elektrisch leitfähigen Halbleitersubstrat in Form von dotiertem Silizium, das bei der Erzeugung des elektrischen Feldes E als Gegenelektrode dient und an seiner den Wellenleitern 2.1, ..., 2.N abgewandten Rückseite mit Massepotenzial verbunden ist. Das Substrat 3 kann alternativ z.B. aus SiC, GaAs, GaN, ... gebildet sein. Bei dem in 3a,b gezeigten Beispiel ist auf die Vorderseite 3a des Substrats 3 eine Isolatorschicht 13 aufgebracht, welche sich flächig an der Vorderseite 3a des Substrats 3 erstreckt und welche auch einen jeweiligen Wellenleiter 2.1, ..., 2.N umgibt. Die Isolatorschicht 13 weist einen niedrigeren Brechungsindex auf als das Wellenleitermaterial, was die Führung der Photonen P1, ..., PN in dem jeweiligen Wellenleiter 2.1, ..., 2.N ermöglicht. Bei dem Material der Isolatorschicht 13 kann es sich beispielsweise um SiO₂, um SiN oder um Al₂O₃ handeln. Die Isolatorschicht 13 kann auf dem Substrat 3 beispielsweise durch Chemical Vapour Deposition (CVD), durch Sputterdeposition, oder durch Atomic Layer Deposition (ALD) aufgebracht werden.
Bei dem in 3a,b gezeigten elektro-optischen Modulator 6a besteht das Problem, dass die Zuführung des elektrischen Modulationssignals 10 zu der Elektrode 8 über die elektrische Leiterbahn 12 sowie über eine Vielzahl von entsprechenden elektrischen bzw. metallischen Leiterbahnen zu den anderen elektro-optischen Modulatoren des photonischen Schaltkreises 1 zu ungewollten elektrischen Streu- bzw. Störfeldern in den Wellenleitern 2.1, ..., 2.N führen können, die zu ungewollten Brechungsindexverschiebungen in den in der Nähe befindlichen Wellenleiterabschnitten führen. Aufgrund der Komplexität der metallischen Kontaktierung von ca. 750.000 elektro-optischen Modulatoren auf dem gesamten Substrat 3 ist es erforderlich, diese ungewollten elektrischen Störfelder durch geeignete Maßnahmen zu unterdrücken.
4 zeigt eine erste Möglichkeit zur Unterdrückung bzw. zur Reduzierung von elektrischen Streufeldern am Beispiel eines elektro-optischen Modulators 6a, der grundsätzlich wie der in 3a,b gezeigte elektro-optische Modulator 6a aufgebaut ist. Der elektro-optische Modulator 6a von 4 weist zusätzlich eine elektrisch isolierende Schicht 14 mit einer vergleichsweise großen Dicke auf, die mindestens dem Doppelten, im gezeigten Beispiel ungefähr dem Dreifachen der Höhe H des Wellenleiters 2.1 entspricht. Die Höhe H eines jeweiligen Wellenleiters 2.1 liegt typischerweise im Bereich zwischen ca. 300 nm und ca. 10 µm, im gezeigten Beispiel bei ca. 650 nm. Die Breite B des Wellenleiters 2.1 entspricht im gezeigten Beispiel ungefähr der Höhe H des Wellenleiters 2.1 und liegt im selben Wertebereich, d.h. ebenfalls zwischen ca. 300 nm und ca. 10 µm, beispielsweise bei ca. 650 nm. Bei dem Material der elektrisch isolierenden Schicht 14 kann es sich beispielsweise um SiO₂, um SiN oder um Al₂O₃ handeln. Für den Fall, dass - anders als in 4 dargestellt - das Material der Isolatorschicht 13 und das Material der elektrisch isolierenden Schicht 14 übereinstimmen, bilden beide zusammen eine elektrisch isolierende Schicht 13, 14, in welche die Wellenleiter 2.1, ..., 2.N eingebettet sind.
Wie in der in 4 gezeigten Schnittdarstellung eines Teilbereichs des Substrats 3 ebenfalls zu erkennen ist, ist in die elektrisch leitende Schicht 14 eine elektrisch leitende Abschirmung in Form einer flächigen Metallisierungsschicht 15 eingebettet, die oberhalb der Wellenleiter 2.1, ..., 2.N verläuft und von diesen beabstandet ist. Die Metallisierungsschicht 15 bildet im gezeigten Beispiel eine Ebene, welche die Ebene an der Vorderseite 3a des Substrats 3, an der die Wellenleiter 2.1, ..., 2.N angebracht sind, von einer Verdrahtungsebene trennt, die sich an einer Oberseite 14a der elektrisch isolierenden Schicht 14 befindet und entlang derer ein jeweiliger Verdrahtungsabschnitt 12a der jeweiligen Leiterbahn 12 verläuft. Wie in 4 ebenfalls zu erkennen ist, ist die Metallisierungsschicht 15 ebenso wie das Substrat 3 geerdet, d.h. beide befinden sich auf demselben elektrischen (Masse-)Potenzial. Die Anordnung der geerdeten Metallisierungsschicht 15 zwischen dem jeweiligen Verdrahtungsabschnitt 12a der Leiterbahn 12 bzw. zwischen der Verdrahtungsebene und der Ebene mit den Wellenleitern 2.1, ..., 2.N an der Vorderseite 3a des Substrats 3 verhindert, dass elektrische Störfelder, die von den Verdrahtungsabschnitten 12a der Leiterbahnen 12 ausgehen, die Ebene mit den Wellenleitern 2.1, ..., 2.N erreichen. Dies ist günstig, da in der (Um-)Verdrahtungsebene die Verdrahtungsabschnitte 12a der Leiterbahnen 12 typischerweise zu einem zentralen Kontaktbereich geführt werden, an denen die Verbindung mit einem Signalgenerator erfolgt, sodass die Länge der Verdrahtungsabschnitte 12 in der Verdrahtungsebene, an der die elektrischen Störfelder erzeugt werden können, vergleichsweise groß ist.
Wie in 4 ebenfalls zu erkennen ist, ist die Metallisierungsschicht 15 im Bereich bzw. in der Nähe einer jeweiligen Elektrode 8 des elektro-optischen Modulators 6a durchbrochen, d.h. diese weist einen Durchbruch 16 in Form einer Öffnung auf, durch die ein Verbindungsabschnitt 12b der Leiterbahn 12 hindurch verläuft, um die Elektrode 8 mit dem Verdrahtungsabschnitt 12a der Leiterbahn 12 an der Oberseite 14a der elektrisch isolierenden Schicht 14 zu verbinden. Da ein jeweiliger Durchbruch 16 in der Metallisierungsschicht auf einen kleinen Flächenbereich in der Nähe der jeweiligen Elektrode 8 begrenzt ist, können elektrische Störfelder mit Hilfe der Metallisierungsschicht 15 effektiv unterdrückt werden. Sowohl bei der Metallisierungsschicht 15 als auch bei der Elektrode 8 und der jeweiligen Leiterbahn 12 handelt es sich um Metallisierungen in Form von dünnen Schichten aus Metall, beispielsweise aus Au, Al, Ti, Ag, Cr, ..., die z.B. mittels Sputterdeposition, Elektronenstrahlverdampfen, Atomlagenabscheidung, durch eine lithographische Strukturierung mittels Lift-Off-Technik, durch Ionenstrahlätzen, nasschemisches Ätzen, strukturiert mittels Laserablation, ... erzeugt werden können. Insbesondere für das Erzeugen des Kontaktabschnitts 12b der jeweiligen Leiterbahn 12 ist ein teilweises Abtragen bzw. Abätzen der elektrisch isolierenden Schicht 14 erforderlich.
5a,b zeigen eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von elektrischen Streufeldern, bei der eine jeweilige elektrische Leiterbahn 12 von einer Elektrode 8 an der Oberseite 3a des Substrats 3, genauer gesagt an der Oberseite der Isolatorschicht 13 entlang geführt wird, ohne dass es hierbei zu Streufeldern E* nennenswerter Größe in anderen Wellenleitern 2.2, ... kommt. Bei dem in 5a,b gezeigten photonischen Schaltkreis 1 ist zwischen der Isolatorschicht 13 und dem Substrat 3 eine weitere Isolatorschicht 17 aufgebracht, die aus einem undotierten Halbleitermaterial gebildet ist, bei dem es sich im gezeigten Beispiel um Silizium handelt, aber auch z.B. um GaAs oder um GaN handeln kann. Die weitere Isolatorschicht 17 kann auf dem Substrat 3 beispielsweise epitaktisch mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), Niederdruck-CVD (LPCVD) oder metallorganischer CVD (MOCVD) abgeschieden werden. Anders als dies in 5a,b dargestellt ist, können die Isolatorschicht 13 und die weitere Isolatorschicht 17 aus demselben Material hergestellt sein und eine gemeinsame Isolatorschicht 13, 17 bilden.
Wie in 5a zu erkennen ist, weist die Isolatorschicht 13 einen lokal begrenzten elektrisch leitfähigen Volumenbereich 18 auf, der entlang der Vorderseite 3a des Substrats 3 im Wesentlichen auf den Abschnitt 9 des Wellenleiters 2.1 begrenzt ist, an dem die Elektrode 8 angebracht ist, um das elektrische Feld E in dem Wellenleiter 2.1 zu erzeugen. Der elektrisch leitfähige Volumenbereich 18 erstreckt sich in Dickenrichtung (Z-Richtung) des Substrats 3 über die gesamte Dicke D der weiteren Isolatorschicht 17. Durch die Erdung des elektrisch leitfähigen Substrats 3 werden auch die elektrisch leitfähigen Volumenbereiche 18 der weiteren Isolatorschicht 17 bis zur Oberseite der weiteren Isolatorschicht 17 geerdet, sodass sich das Erdungspotenzial in unmittelbarer Nähe zur Unterseite des Abschnitts 9 des Wellenleiters 2.1 befindet, in dem das elektrische Feld E erzeugt wird.
Im Gegensatz dazu ist bei dem in 5a,b gezeigten benachbarten Wellenleiter 2.2 in einem Abschnitt, über den die Leiterbahn 12 verläuft und in dem keine Elektrode 8 angeordnet ist, der Abstand zu dem als Gegenelektrode dienenden Substrat 3 um die Dicke D der weiteren Isolatorschicht 17 vergrößert. Für den Fall, dass die Dicke D der weiteren Isolatorschicht 17 ausreichend groß ist, ist das Streufeld E*, das von der Leiterbahn 12, die über den benachbarten Wellenleiter 2.2 geführt wird, entsprechend gering und hat praktisch keine Auswirkung auf den Brechungsindex des elektro-optisch aktiven Materials des benachbarten Wellenleiters 2.2, sodass der Effekt ungewollter Phasenmodulation durch das Streufeld E* deutlich reduziert werden kann.
Die weitere Isolatorschicht 17 wird im gezeigten Beispiel zunächst undotiert epitaktisch auf das Substrat 3 aufgetragen (s.o.). Die Schichtdicke D der weiteren Isolatorschicht 17 liegt typischerweise in der Größenordnung zwischen 1 µm und 50 µm, idealerweise zwischen 5 µm und 20 µm, beispielsweise bei ca. 10 µm. Der elektrisch leitfähige Volumenbereich 18 wird erzeugt, indem durch eine geeignete Maskierung der restlichen weiteren Isolatorschicht 17, z.B. durch Schattenmasken (in der Regel aus Metall) oder durch lithographisch definierte Photolackstrukturen (Lackmasken) bei der Ionenimplantation geeignete Dotierstoffe gezielt nur in die Volumenbereiche der weiteren Isolatorschicht 17 eingebracht werden, in denen sich der Abschnitt 9 mit der jeweiligen Elektrode 8 zur Erzeugung des elektrischen Feldes E befindet. Für die Ionenimplantation zur Bildung der elektrisch leitfähigen Volumenbereiche 18 könne Dotierstoffe beispielsweise mit einer Dotierkonzentration zwischen 1 × 10¹⁹ / cm³ und 5 × 10¹⁹ / cm³ beispielsweise von ca. 1 × 10¹⁹ / cm³ in die weitere Isolatorschicht 17 eingebracht werden. Alternativ können die elektrisch leitfähigen Volumenbereiche 18 durch eine lokale begrenzte Metallisierung der weiteren Isolatorschicht 17 erfolgen, die sich über die gesamte Dicke D der weiteren Isolatorschicht 17 erstreckt, wie dies bei der Dotierung der Fall ist.
6a,b zeigen eine weitere Möglichkeit zur Verminderung von elektrischen Streufeldern E* an einem photonischen Schaltkreis 1. Bei dem in 6a,b gezeigten Beispiel schließt sich an die Metallisierung, welche die Elektrode 8 bildet, seitlich neben dem jeweiligen Wellenleiter 2.1, 2.2 an der Vorderseite 3a des Substrats 3, genauer gesagt an Oberseite der Isolatorschicht 13, eine jeweilige Kontaktfläche 19, 19' an. Die Kontaktfläche 19, 19' dient zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zu einem Kontaktabschnitt 12b einer elektrischen Leiterbahn 12, der sich von einer von der Vorderseite 3a des Substrats 3 beabstandeten Verdrahtungskomponente in Form einer Platine 20 (Leiterplatte) zu der jeweiligen Kontaktfläche 19 erstreckt, wie in 6a zu erkennen ist. Wie in 6a ebenfalls zu erkennen ist, verläuft ein jeweiliger horizontaler Verdrahtungsabschnitt 12a einer elektrischen Leiterbahn 12 an einer dem Substrat 3 abgewandten Seite 20a der Platine 20, sodass die Platine 20 als Abschirmung für den jeweiligen Verdrahtungsabschnitt 12a dient. Die Verdrahtungsabschnitte 12a führen zu einem in 6a,b nicht bildlich dargestellten zentralen Anschlusspunkt. Die Anordnung der Verdrahtungsabschnitte 12a an der dem Substrat 3 abgewandten Seite 20a der Platine 20 ist nicht zwingend erforderlich, wenn der Abstand zwischen der Platine 20 und dem Substrat 3 ausreichend groß ist. Bei dem in 6a gezeigten Beispiel ist der Kontaktabschnitt 12a der elektrischen Leiterbahn 12 als Kontaktstift ausgebildet und die elektrische Leiterbahn 12 ist nicht dauerhaft (d.h. lösbar) mit dem Substrat 3 bzw. mit der jeweiligen Kontaktfläche 19, 19' verbunden. Alternativ kann der jeweilige Kontaktabschnitt 12a einer Leiterbahn 12 mechanisch fest über einen Lötpunkt oder dergleichen mit einer jeweiligen Kontaktfläche 19 des Substrats 3 verbunden werden, wodurch auch die Platine 20 fest mit dem Substrat 3 verbunden wird. Zu diesem Zweck kann auf die jeweilige Kontaktfläche 19 ein Lötpunkt aufgebracht und der photonische Schaltkreis 1 in einen Lötofen eingebracht werden.
7a,b zeigen einen photonischen Schaltkreis 1, bei dem ebenfalls eine Platine 20 zur elektrischen Kontaktierung von Leiterbahnen 12 mit Kontaktflächen 19, 19`, ... des Substrats 3 verwendet wird. Im Gegensatz zu dem in 6a,b beschriebenen Beispiel sind die Kontaktflächen 19, 19' an der den Wellenleitern 2.1, 2.2, ... abgewandten Seite 3b des Substrats 3 angebracht. Die Kontaktierung der Kontaktflächen 19, 19' erfolgt analog zu dem in 6a,b beschriebenen Beispiel mit Hilfe von Kontaktabschnitten 12b von elektrischen Leiterbahnen 12, deren Verdrahtungsabschnitte 12a sich an einer dem Substrat 3 abgewandten Seite 20a der Platine 20 erstrecken.
In diesem Fall ist das Substrat 3 aus einem undotierten Halbleitermaterial gebildet, z.B. aus Silizium, und weist lokal begrenzte elektrisch leitfähige Volumenbereiche 21 auf, deren Breite ungefähr mit der Breite der Wellenleiter 2.1, 2.2, ... übereinstimmt und die auf in Längsrichtung der Wellenleiter 2.1, 2.2, ... auf den Abschnitt 9, 9`, ... beschränkt sind, in dem ein elektrisches Feld erzeugt werden soll. Das Halbleitermaterial ist nur in den elektrisch leitfähigen Volumenbereichen 21 dotiert und nur in diesen elektrisch leitfähig. Die elektrisch leitfähigen Volumenbereiche 21 sind mit der jeweiligen Kontaktfläche 9, 9`, ... an der Rückseite 3b des Substrat 3 elektrisch leitend verbunden. Um die elektrisch leitende Verbindung herzustellen, sind in das Substrat 3 Aussparungen 22 in Form von Sack-Löchern eingebracht, die sich ausgehend von der Rückseite 3b des Substrats 3 bis zu einem jeweiligen elektrisch leitenden Volumenbereich 21 erstrecken. Bei dem in 7a,b gezeigten Beispiel werden die Elektroden 8 daher durch eine jeweilige Metallisierungsschicht gebildet, die sich ausgehend von einer jeweiligen Kontaktfläche 19, 19' bis zu dem jeweiligen elektrisch leitenden Volumenbereich 21 erstreckt. Die Dicke eines jeweiligen elektrisch leitenden Volumenbereichs 21 liegt in der Größenordnung der Dicke D der weiteren Isolatorschicht 17 von 5a. Die Metallisierungsschicht erstreckt sich im gezeigten Beispiel über die gesamte Oberfläche einer jeweiligen Aussparung 22, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Aussparungen 22 können mit Hilfe von geeigneten Ätzverfahren, z.B. durch DRIE, in das Substrat 3 geätzt werden, wobei der Bereich, in dem die Aussparungen 22 erzeugt werden, z.B. lithographisch definiert werden kann.
Bei dem in 7a,b gezeigten Beispiel wird auf der den Wellenleitern 2.1, ..., 2.N zugewandten Seite 3a des Substrats 3 flächig die weiter oben beschriebene Isolatorschicht 13, z.B. aus SiO₂ oder SiN, aufgebracht und auf der Isolatorschicht 13 wird nachfolgend ganzflächig eine Metallisierungsschicht 23 abgeschieden. Wie dies in 7a angedeutet ist, ist die Metallisierungsschicht 23 geerdet und bildet die Gegenelektrode für die auf die weiter oben beschriebene Weise hergestellten Elektroden 8.
Zusammenfassend kann auf die weiter oben beschriebene Weise ein photonischer Schaltkreis hergestellt werden, der eine umfangreiche Verdrahtung einer Vielzahl von Phasenmodulatoren 6a-c oder von anderen elektro-optischen Modulatoren ermöglicht, die an einem gemeinsamen Substrat 3 angebracht sind, ohne dass die hierbei zwangsläufig auftretenden elektrischen Streufelder E* ungewollte Modulationen des in den Wellenleitern 2.1, 2.2, ... 2.N geführten Photonen P1, P2, ..., PN bewirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J.M. Arrazola et al., Nature 591, 54-60 [0005]

Claims

Photonischer Schaltkreis (1), umfassend: ein Substrat (3), eine Mehrzahl von an dem Substrat (3) angebrachten Wellenleitern (2.1, ..., 2.N), sowie eine Mehrzahl von Modulatoren, insbesondere von Phasenmodulatoren (6a-c, ...), zur Modulation von in den Wellenleitern (2.1, ..., 2.N) geführtem Licht (P1, ..., PN), dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter (2.1, ..., 2.N) aus einem elekto-optisch aktiven Material gebildet sind, dass die Modulatoren als elektro-optische Modulatoren (6a-c, ...) ausgebildet sind, die jeweils eine Elektrode (8) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes (E) in einem Abschnitt (9) eines jeweiligen Wellenleiters (2.1, ..., 2.N) und jeweils eine Leiterbahn (12) zur Zuführung eines elektrischen Modulationssignals (10) zu der Elektrode (8) aufweisen, und dass der photonische Schaltkreis (1) ausgebildet ist, durch die Zuführung der elektrischen Modulationssignale (10) zu den Elektroden (8) in den Wellenleitern (2.1, ..., 2.N) hervorgerufene elektrische Streufelder (E*) zu reduzieren.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 1, der eine elektrisch leitende Abschirmung (15) zur Abschirmung der Wellenleiter (2.1, ..., 2.N) vor den elektrischen Streufeldern (E*) aufweist, wobei die Abschirmung (15) bevorzugt zwischen einem Verdrahtungsabschnitt (12a) einer jeweiligen Leiterbahn (12) und den Wellenleitern (2.1, ..., 2.N) angeordnet ist.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 2, bei dem die Wellenleiter (2.1, ..., 2.N) in eine elektrisch isolierende Schicht (14) eingebettet sind, an deren einem jeweiligen Wellenleiter (2.1, ..., 2.N) abgewandter Seite (14a) sich die Verdrahtungsabschnitte (12a) der elektrischen Leiterbahnen (12) erstrecken, wobei die Abschirmung in die elektrisch isolierende Schicht (14) eingebettet und bevorzugt als Metallisierungsschicht (15) ausgebildet ist.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Abschirmung (15) im Bereich der Elektrode (8) eines jeweiligen elektro-optischen Modulators (6a) einen Durchbruch (16) aufweist, durch den ein Verbindungsabschnitt (12b) der jeweiligen Leiterbahn (12) hindurch verläuft.
Photonischer Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (3) elektrisch leitfähig ist.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 5, bei dem an einer den Wellenleitern (2.1,..., 2.N) zugewandten Seite (3a) des Substrats (3) eine Isolatorschicht (13) aufgebracht ist, die sich zwischen den Wellenleitern (2.1, ..., 2.N) und dem Substrat (3) erstreckt und die bevorzugt die Wellenleiter (2.1, ..., 2.N) umgibt.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Isolatorschicht (13) oder eine zwischen dem Substrat (3) und der Isolatorschicht (13) aufgebrachte weitere Isolatorschicht (17) elektrisch leitfähige Bereiche (18) aufweist, der sich zwischen einem jeweiligen Abschnitt (9) eines der Wellenleiter (2.1, 2.2, ..., 2.N), an dem die Elektrode (8) angeordnet ist, und dem Substrat (3) erstrecken.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 7, bei dem die Isolatorschicht (13) oder die weitere Isolatorschicht (17) zwischen dem Wellenleiter (2.1, 2.2., ..., 2.N) und dem Substrat (3) eine Dicke (D) zwischen 1 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 20 µm, aufweist.
Photonischer Schaltkreis nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem mindestens eine Leiterbahn (12) auf dem Substrat (3) über mindestens einen der Wellenleiter (2.2) geführt ist.
Photonischer Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (3) im Bereich einer jeweiligen Elektrode (8) eine Kontaktfläche (19) zur elektrischen Kontaktierung mit einem Kontaktabschnitt (12b) einer jeweiligen Leiterbahn (12) aufweist, wobei der Kontaktabschnitt (12b) sich ausgehend von einer von dem Substrat (3) beabstandeten Verdrahtungskomponente, insbesondere von einer Platine (20), zu der Kontaktfläche (19, 19`) erstreckt.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 10, bei dem Verdrahtungsabschnitte (12a) der Leiterbahnen (12) an einer dem Substrat (3) abgewandten Seite (20a) der Verdrahtungskomponente (20) verlaufen.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Kontaktflächen (19, 19`) an einer den Wellenleitern (2.1, ..., 2.N) zugewandten Seite (3a) des Substrats (3) angebracht sind.
Photonischer Schaltkreis nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Kontaktflächen (19, 19`) an einer den Wellenleitern (2.1, ..., 2.N) abgewandten Seite (3b) des Substrats (3) angebracht sind.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 13, bei dem das Substrat (3) elektrisch isolierend ist und elektrisch leitfähige Volumenbereiche (21) aufweist, die mit einer jeweiligen Kontaktfläche (19, 19`) an der den Wellenleitern (2.1, 2.2, ..., 2.N) abgewandten Seite (3b) des Substrats (3) elektrisch leitend verbunden sind.
Photonischer Schaltkreis nach Anspruch 14, bei dem die elektrisch leitenden Volumenbereiche (21) an Aussparungen (22) angrenzen, die sich ausgehend von der den Wellenleitern (2.1, 2.2, ..., 2.N) abgewandten Seite (3a) des Substrats (3) in das Substrat (3) erstrecken, wobei die Elektroden (8) bevorzugt durch eine sich von einer jeweiligen Kontaktfläche (19, 19`) bis zu einem jeweiligen elektrisch leitenden Volumenbereich (21) erstreckende Metallisierungsschicht gebildet sind.