DE112010001867T5

DE112010001867T5 - Optischer Schalter mit Polaritions-Modus

Info

Publication number: DE112010001867T5
Application number: DE112010001867T
Authority: DE
Inventors: Doyeol Ahn
Original assignee: Industry Cooperation Foundation of University of Seoul
Current assignee: Industry Cooperation Foundation of University of Seoul
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2012-11-29
Also published as: CN102460279B; JP2012525603A; CN102460279A; US20100276661A1; US8063396B2; WO2010126286A1; JP5744845B2

Abstract

Es werden Vorrichtungen, Verfahren und Methoden für frequenzabhängiges optisches Schalten geschaffen. In einer Ausführungsform enthält eine Vorrichtung ein Substrat, eine erste und zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes, die sich auf dem Substrat befinden, sowie eine Quantenstruktur, die zwischen der ersten und der zweiten Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes angeordnet sind. Die erste Struktur zum Einschließen des optischen Feldes kann eine Fläche zum Empfangen von Photonen enthalten. Die zweite Struktur zum Einschließen des optischen Feldes kann von der ersten Struktur zum Einschließen des optischen Feldes beabstandet sein. Die erste und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes können so eingerichtet sein, dass im Wesentlichen ein optisches Feld der Photonen zwischen ihnen eingeschlossen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die beschriebene Technologie bezieht sich auf optische Schalter und insbesondere auf optische Schalter mit Polaritions-Modus.
Technischer Hintergrund
Optische Schalter sind wirtschaftlich bedeutsam für den Einsatz auf einem breiten Spektrum von Anwendungsgebieten. Beispielsweise können zahlreiche optische Schalter bei optischer Informationsverarbeitung und optischer Kommunikation eingesetzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Losung des Problems
Zusammenfassung
Es werden Vorrichtungen, Verfahren und Methoden für frequenzabhängiges optisches Schalten geschaffen. In einer Ausführungsform enthält eine Vorrichtung ein Substrat, eine erste und zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes, die sich auf dem Substrat befinden, sowie eine Quantenstruktur, die zwischen der ersten und der zweiten Struktur zum Einschließen des optischen Feldes angeordnet sind. Die erste Struktur zum Einschließen des optischen Feldes, die eine Fläche zum Empfangen von Photonen enthalten kann, und die zweite Struktur zum Einschließen des optischen Feldes, die von der ersten Struktur zum Einschließen des optischen Feldes beabstandet sein kann, können so eingerichtet sein, dass zwischen ihnen ein optisches Feld der Photonen im Wesentlichen eingeschlossen wird.
Die oben stehende Zusammenfassung dient lediglich der Veranschaulichung und in keiner Weise der Beschränkung. Zusätzlich zu den veranschaulichenden Aspekten, Ausführungsformen und Merkmalen, wie sie oben beschrieben wird, werden weitere Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung.
2 stellt ein elektrisches Feld zwischen zwei länglichen Metallstrukturen der in 1 gezeigten optischen Schaltvorrichtung dar.
3 ist eine Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung mit länglichen, keilförmigen Metallstrukturen.
4 ist eine Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung mit Photonen in Kristallen.
5 ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Photodioden-Vorrichtung.
6 ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Schalteinheit mit rechteckigen Metallstrukturen.
7A–7C sind eine Reihe schematischer Darstellungen, die das in 6 gezeigte Verfahren veranschaulichen.
8 ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Schaltvorrichtung mit länglichen, keilförmigen Metallstrukturen.
9A–9C sind eine Reihe schematischer Darstellungen, die das in 8 gezeigte Verfahren veranschaulichen.
10 ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Schalteinheit mit Photonenkristallen.
11Aund 11B sind eine Reihe schematischer Darstellungen, die das in 10 gezeigte Verfahren veranschaulichen.
Ausführungsweise der Erfindung
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil derselben bilden. In den Zeichnungen kennzeichnen gleichartige Symbole normalerweise gleichartige Komponenten, wenn dies der Kontext nicht anderweitig vorgibt. Die veranschaulichenden Ausführungsformen, die in der ausführlichen Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen beschrieben werden, sind nicht als einschränkend zu verstehen. Es können andere Ausführungsformen eingesetzt werden, und andere Veränderungen können vorgenommen werden, ohne vom Geist oder vom Schutzumfang des hier dargelegten Gegenstandes abzuweichen. Es versteht sich, dass die Aspekte der vorliegenden Offenbarung, wie sie hier allgemein beschrieben werden und in den Figuren dargestellt sind, in einer Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet, ausgetauscht, kombiniert, getrennt und gestaltet werden können, wobei all diese ausdrücklich hierin vorgesehen sind.
1 ist eine Darstellung einer Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung 100. Die optische Schaltvorrichtung 100 kann ein Substrat 110, eine Pufferschicht 120, die sich auf Substrat 110 befindet, und eine optische Schalteinheit 130 enthalten, die sich auf Pufferschicht 120 befindet.
In einer Ausführungsform kann Substrat 110 aus Saphir bestehen. In anderen Ausführungsformen kann Substrat 110 aus geeigneten Halbleitermaterialien bestehen. Zu Beispielen für derartige Halbleitermaterialien gehören, ohne dass dies eine Einschränkung darstellt, Silizium (Si), Germanium (Ge) und Galliumarsenid (GaAs). Pufferschicht 120 kann aus einem Material bestehen, das im Wesentlichen Gitteranpassung an das darunter liegende Substrat 110 und/oder die darüber liegende optische Schalteinheit 130 aufweist. In einer Ausführungsform kann Pufferschicht 120 aus GaAs, InGaAs, AlGaAs und/oder jedem beliebigen anderen geeigneten Material bestehen, das in der Technik bekannt ist.
Die optische Schalteinheit 130 ist so konfiguriert, dass sie Photonen 10 über einen Abschnitt derselben empfängt, die Wellenlänge der empfangenen Photonen 10 bestimmt, und, warm die empfangenen Photonen 10 eine vorgeschriebene Wellenlänge haben, die empfangenen Photonen 10 der vorgegebenen Wellenlänge beispielsweise über einen anderen Abschnitt derselben ausgibt. In einer Ausführungsform kann die optische Schalteinheit 130 eine Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes, so beispielsweise die Strukturen 131a–131e zum Einschließen eines optischen Feldes (im Folgenden zusammengefasst als Strukturen 131 zum Einschließen eines optischen Feldes bezeichnet), die um eine vorgegebene Distanz voneinander beabstandet sind, sowie eine Vielzahl von Quantenstrukturen enthalten, wie beispielsweise Quantenstrukturen 132a-132d (im Folgenden zusammen als Quantenstrukturen 132 bezeichnet), die zwischen den Strukturen 131 zum Einschließen eines optischen Feldes angeordnet sind. Zu Beispielen für Quantenstrukturen 132 gehören, ohne dass dies eine Einschränkung darstellt, ein Quantendraht und ein Quantenpunkt. Beispielsweise kann die optische Schalteinheit 130 Photonen 10 über eine Oberfläche einer Struktur 131a zum Einschließen des optischen Feldes (im Folgenden als ”Photoneneingangsfläche” bezeichnet) empfangen, und wenn die Photonen 10 eine vorgeschriebene Wellenlänge haben, diese (d. h. Photonen 10 der vorgeschriebenen Wellenlänge) über eine andere Fläche der Struktur 131 zum Einschließen eines optischen Feldes (im Folgenden als ”Photonenausgangsfläche” bezeichnet) ausgeben. Wenn Photonen 10 nicht die vorgeschriebene Wellenlänge haben, lässt die optische Schalteinheit 130 die empfangenen Photonen 10 nicht durch.
Die physikalische Funktion der optischen Schalteinheit 130 kann qualitativ wie folgt beschrieben werden. Wenn Photonen 10 über die Photoneneingangsfläche empfangen werden und sich entlang der in 1 gezeigten x-Achse durch die optische Schalteinheit 130 bewegen, können jeweils optische Felder in den Quantenstrukturen 132 erzeugt werden. Diese optischen Felder können zur Kopplung von Elektronen in Quantenstrukturen 132 mit Photonen 10 führen, die sich durch sie hindurch bewegen, so dass Polaritionen in Quantenstrukturen 132 erzeugt werden. Um die Erläuterung zu vereinfachen, wird der Funktionsmodus der optischen Schalteinheit 130, in dem die Polaritionen in Quantenstrukturen 132 induziert werden, als ”Polaritions-Modus” bezeichnet.
Eine der Quantenstrukturen 132a–132b der optischen Schalteinheit 130 kann, um den Polaritions-Modus detaillierter zu beschreiben, einen stark interagierenden Bose-Hubbard Hamiltonian der folgenden Form haben. [Gleichung 1]
wobei i und j ganze Zahlen sind, H_i ^JC ein Jaynes-Cummings Hamiltonion für die Photonen und die Elektronen an der i-ten Quantenstruktur ist, K_ij die Kopplungskonstante zwischen der i-ten und der j-ten Quantenstruktur ist, μ_i das chemische Potential der i-ten Quantenstruktur ist, N_i die Gesamtzahl von Atom- und Photonen-Anregungen in der i-ten Quantenstruktur ist und a_i ^† der Erzeugungsoperator des Photons an der i-ten Quantenstruktur ist.
Der Jaynes-Cumming-Hamiltonian in Gleichung 1 kann wie folgt ausgedrückt werden (der Index ”i” von H_i ^JC ist der Einfachheit halber weggelassen.
[Gleichung 2]

H^JC = εσ₊σ_– + ωa^†a + β(σ₊a + σ_–a^†) wobei ε die Energieniveaudifferenz zwischen dem Elektronen-Grundzustand |g> und dem angeregten Zustand der i-ten Quantenstruktur ist, ω die Photonenenergie ist, β die Elektronen-Photonen-Kopplungskonstante ist und σ+ und σ– der Atom-Raising-Operator |e> <g| bzw. der Atom-Lowering-Operator |g> <e| sind.

Quantenstrukturen 132 können wenigstens zwei diskrete Elektronen-Energieniveauzustände (beispielsweise einen Grundzustand und einen angeregten Zustand) haben. Die Energie, die erforderlich ist, um das Elektron in dem unteren Elektronen-Energieniveauzustand auf den höheren Elektronenenergieniveau-Zustand anzuregen, kann als ”Übergangsenergie” einer Quantenstruktur bezeichnet werden. Die Differenz zwischen der Übergangsenergie und der Energie von Photonen 10 einer bestimmten Wellenlänge kann als ”Verstimmungs-Δ” (detuning Δ) bezeichnet werden. Das Verstimmungs-Δ kann mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden.
[Gleichung 3]

Δ = ω – ε wobei ε die Energieniveaudifferenz zwischen dem Elektronen-Grundzustand |g> und dem angeregten Zustand |e> einer Quantenstruktur ist, ω die Energie des in die Quantenstruktur eingeleiteten Photons ist und Δ die Verstimmungs-Variable ist.

Starke optische Felder in Quantenstrukturen 132 können zur Kopplung eines Elektrons bzw. mehrerer Elektronen in Quantenstrukturen 132 mit dem/den hindurchtretenden Photon/en führen. Dadurch entsteht ein gekoppelter Zustand, ein sogenannter ”dressed state” (d. h. ein kombinierter Zustand von n Photonen mit einem/mehreren angeregten Elektron/en oder n Polaritionen, wobei n eine natürlich Zahl ist) in jeder der Quantenstrukturen 132, bei dem es sich um einen Eigenzustand des Jaynes-Cummings Hamiltonian handelt. Die n Polaritionen können mit den folgenden Gleichungen beschrieben werden. [Gleichung 4]
wobei E_n ^± die Polaritions-Energie der n Polaritionen ist, n die Anzahl von Photonen ist, ω die Photonenenergie ist, β die Elektronen-Photonen-Kopplungskonstante ist, Δ die Verstimmungs-Variable ist, für die n-Polarisationen bzw. den Polarisationszustand steht |n±>, |g, n> der Zustand ist, in dem sich das/die Elektron/en in dem Grundzustand mit n Photonen befindet/befinden, und |e, n–) der Zustand ist, in dem sich die Elektronen in dem angeregten Zustand mit n-1 Photonen befinden.
Wenn sie sich im Polaritions-Modul befindet, kann die optische Schalteinheit 130 in Abhängigkeit von der Wellenlänge von Photonen 10 selektiv entweder in einem Superfluid-Modus oder einem Matt-Isolator-Modus arbeiten. Der Superfluid-Modus ist ein Modus, in dem Photonen 10 in einer der Quantenstrukturen 132 in eine angrenzende Quantenstruktur 132 springen können. Der Mott-Isolator-Modus ist ein Modus, in dem Photonen 10 in einer der Quantenstrukturen 132 nicht in eine angrenzende Quantenstruktur 132 springen können. In dem Superfluid-Modus kann die optische Schalteinheit 130, da Photonen 10 durch Quantenstrukturen 132 springen können, die empfangenen Photonen 10 durchlassen. Im Unterschied dazu lässt die optische Schalteinheit 130 in dem Mott-Isolator-Modus empfangene Photonen 10 nicht durch, da die Photonen 10 nicht durch Quantenstrukturen 132 springen können.
Der Übergang zwischen dem Photonen-Sperrmodus und dem Superfluid-Modus wird durch den Ordnungsparameter ψ = <a_i> = <n± |a_i| n±> bestimmt. Wenn die Winkelfrequenz von Photonen 10 mit der der Übergangsenergie oder dem Elektronen-Energieniveauabstand von Quantenstrukturen 132 übereinstimmt (d. h. wenn Δ Null ist), ist ψ gleich oder nahe Null. In diesem Fall kann das Tunneln von Photonen 10 durch angrenzende Quantenstrukturen 132 die abstoßenden Wechselwirkungen zwischen Photonen 10 in Quantenstrukturen 132 überwiegen, und die optische Schalteinheit 130 kann in dem Superfluid-Modus arbeiten. Wenn Δ nicht Null ist, ist ψ nicht gleich oder nahe Null, in diesem Fall können die abstoßenden Wechselwirkungen zwischen Photonen 10 das Tunneln in Quantenstrukturen 132 überwiegen, und die optische Schalteinheit 130 kann im Mott-lsolator-Modus arbeiten.
In einer Ausführungsform können die Quantenstrukturen 132 aus einem oder mehreren Materialien bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die im Wesentlichen aus Halbleiterverbindungen der Gruppe II-VI und Halbleiterverbindungen der Gruppe III-V bestehen. In einer anderen Ausführungsform können Quantenstrukturen 132 aus Cd_xZn_1-xS bestehen, wobei der Wert von x zwischen 0,5 und 1,0 liegt. In anderen Ausführungsformen können Quantenstrukturen 132 aus CdSe_xS_1-x bestehen, wobei der Wert x zwischen 0 und 1 liegt.
Die optische Schalteinheit 130 kann unter Verwendung eines Steuer-Lichtsignals gesteuert werden. Beispielsweise kann ein Steuer-Lichtsignal einer vorgeschriebenen Wellenlänge in Kombination mit einem Daten-Lichtsignal einer anderen vorgeschriebenen Wellenlänge zugeführt werden. Wenn die kombinierte Energie des Steuer-Lichtsignals und des Daten-Lichtsignals im Wesentlichen der Übergangsenergie von Quantenstrukturen 132 gleich ist (d. h. Δ Null beträgt), können das Steuer-Lichtsignal und das Daten-Lichtsignal durch die optische Schalteinheit 130 hindurchtreten. Wenn die kombinierte Energie des Steuer-Lichtsignals und des Daten-Lichtsignals der Übergangsenergie nicht im Wesentlichen gleich ist, können das Steuer-Lichtsignal und das Daten-Lichtsignal durch die optische Schalteinheit 130 blockiert werden. Die Wellenlänge des Steuer-Lichtsignals kann variiert werden, um selektiv An-/Ausschalten des Daten-Lichtsignals einer vorgeschriebenen Wellenlänge durchzuführen.
Die optische Schalteinheit 130 kann als ein optischer Schalter wirken, wenn das optische Feld von Photonen 10, die sich durch sie hindurch bewegen, in Quantenstrukturen 132 eingeschlossen ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass stärkere optische Felder in Quantenstrukturen 132 die optische Schalteinheit 130 bei der Funktion im Polaritions-Modus unterstützen können, und sie so als wellenlängenselektiver optischer Schalter arbeiten kann. Die Strukturen 131 zum Einschließen eines optischen Feldes, die zwischen den Quantenstrukturen 132 angeordnet sind, können dazu beitragen, die optischen Felder besser auf die Quantenstrukturen 132 zu begrenzen.
In einer Ausführungsform können die Strukturen 131 zum Einschließen eines optischen Feldes, wie in 1 gezeigt, mehrere längliche Metallstrukturen 131e–131e enthalten, die um eine vorgegebene Distanz voneinander beabstandet sind. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand gleichmäßig sein. Beispielsweise kann bei den länglichen Metallstrukturen der Abstand zwischen zwei beliebigen benachbarten länglichen Metallstrukturen (z. B. Strukturen 131a und 131b zum Einschließen eines optischen Feldes) der gleiche sein wie der Abstand zwischen zwei beliebigen anderen benachbarten länglichen Metallstrukturen (z. B. den Strukturen 131c und 131d zum Einschließen eines optischen Feldes). In anderen Ausführungsformen kann sich der Abstand zwischen zwei beliebigen benachbarten länglichen Metallstrukturen im Wesentlichen von dem Abstand zwischen zwei beliebigen anderen benachbarten länglichen Metallstrukturen unterscheiden.
Im Folgenden werden die Strukturen 131 zum Einschließen eines optischen Feldes auch als längliche Metallstrukturen 131 bezeichnet. Zwei längliche Metallstrukturen 131 können als ein Flächen-Plasmon-Wellenleiter wirken. 2 stellt ein elektrisches Feld zwischen zwei länglichen Metallstrukturen 131 (beispielsweise den Strukturen 131a und 131b zum Einschließen eines optischen Feldes) der in 1 gezeigten optischen Schaltvorrichtung 100 dar. Die zwischen den in 1 gezeigten länglichen Metallstrukturen 131a und 131b eingeschlossenen elektrischen Felder können anhand der untenstehenden Gleichung 5 erläutert werden. [Gleichung 5]
wobei D_{x Metall} ein elektrisches Verschiebungsfeld in der länglichen Metallstruktur 131a oder 131b entlang der x-Achse ist, D_x-Quantum ein elektrisches Verschiebungsfeld in Quantenstruktur 132 entlang der x-Achse ist, E_{x_Metall} ein elektrisches Feld in der länglichen Metallstruktur 131a oder 131b entlang der x-Achse ist, E_{x_Quantum} ein elektrisches Feld in Quantenstruktur 132 entlang der x-Achse ist, und ε_Metall die Dielektrizitätskonstante der länglichen Metallstruktur 131a oder 131b ist, und ε_dielectric die Dielektrizitätskonstante von Quantenstruktur 132 ist.
Wie aus 2 und Gleichung 5 zu ersehen ist, ist das elektrische Feld von Photonen 10, das zwischen den länglichen Metallstrukturen 131a und 131b (d. h. in Quantenstruktur 132a) eingeschlossen wird proportional zu dem Verhältnis zwischen der Dielektrizitätskonstante der länglichen Metallstruktur 131a oder 131b und der Dielektrizitätskonstante der Quantenstruktur 132a.
So kann das gewünschte Einschließen des elektrischen Feldes erzielt werden, indem das/die Material/Materialien mit geeigneter Dielektrizitätskonstante für die Metallstrukturen 131a und 131b und/oder die Quantenstruktur 132a ausgewählt wird/werden. Es sollte klar sein, dass die länglichen Metallstrukturen 131a und 131b zur Vereinfachung der Erläuterung ausgewählt wurden, und dass die Beschreibung des elektrischen Feldes zwischen zwei länglichen Metallstrukturen 131 für zwei beliebige benachbarte längliche Metallstrukturen 131 der optischen Schalteinheit 130 gilt, wenn angenommen wird, dass die Strukturen 131 zum Einschließen eines optischen Feldes längliche Metallstrukturen sind, die um die gleiche vorgegebene Distanz beabstandet sind.
In einer Ausführungsform können die länglichen Metallstrukturen 131 einen oder mehrere verschiedene Typen von Metallen enthalten. Die Dielektrizitätskonstante eines Metalls ist eine Funktion der Frequenz, und so kann der eingesetzte Metalltyp von der Frequenz bzw. Wellenlänge von Photonen 10 abhängen, die durch die optische Schalteinheit 130 hindurchgelassen werden sollen. in einer Ausführungsform können die länglichen Metallstrukturen 131 ein Metall mit einer geeigneten Dielektrizitätskonstante für ein bestimmtes Spektrum (z. B. das Blau-Spektrum) enthalten. Beispielsweise können die länglichen Metallstrukturen 131 eines der Elemente Ag, Al, Au, Ni, Ti oder Verbindungen derselben oder jedes beliebige andere geeignete Metall enthalten.
Berücksichtigt man die Tatsache, dass die Dielektrizitätskonstante eines Metalls im Allgemeinen weitaus höher ist als die eines dielektrischen Materials (beispielsweise des Materials der Quantenstrukturen 132), so kann die Anordnung aus länglichen Metallstrukturen 131 im Allgemeinen einen starker Einschluß des elektrischen Feldes der Protonen 10 ermöglichen, Dies gilt auch für den Fall, in dem zwei benachbarte längliche Metallstrukturen 131 um eine Distanz beabstandet sind, die kürzer ist als die Wellenlänge von Photonen 10. In einer Ausführungsform können zwei benachbarte längliche Metallstrukturen 131 um eine Distanz beabstandet sein, die genauso lang ist wie oder kürzer als die Wellenlänge der Photonen, die durch die optische Schalteinheit 130 durchgelassen werden sollen. In einer anderen Ausführungsform können zwei benachbarte längliche Metallstrukturen 131 um eine Distanz beabstandet sein, die genauso lang ist wie oder kürzer als ein Viertel der Wellenlänge der auftreffenden Photonen, die durch die optische Schalteinheit 130 durchgelassen werden sollen. Beispielsweise kann in Fällen, in denen die Frequenz der durch die optische Schalteinheit 130 durchzulassenden Photonen ungefähr 1 m beträgt, die optische Schalteinheit 130 so hergestellt werden, dass benachbarte längliche Metallstrukturen 131 um eine Distanz beabstandet sind, die kürzer ist als ungefähr 250 nm. In einigen Ausführungsformen können benachbarte längliche Metallstrukturen 131 um eine Distanz beabstandet sein, die im Bereich von ungefähr wenigen Nanometern bis zu wenigen hundert Nanometern reicht. Die in 1 dargestellten länglichen Metallstrukturen 131 sind mit Quantenstrukturen 132 in Kontakt. In anderen Ausführungsformen können jedoch längliche Metallstrukturen 131 von Quantenstrukturen 132 so beabstandet sein, dass der Abstand zwischen benachbarten länglichen Metallstrukturen 131 größer ist als die Breite von Quantenstrukturen 132. In einigen Ausführungsformen kann die Breite der Quantenstrukturen 132 im Bereich von wenigen Nanometer liegen.
Bei der oben in Verbindung mit 1 beschriebenen optischen Schaltvorrichtung 100 werden längliche Metallstrukturen 131 einer rechteckigen Form als ihre Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes eingesetzt. Es sollte jedoch klar sein, dass eine optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung Metallstrukturen einer anderen Form enthalten kann. Beispielsweise können die Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes wenigstens zwei längliche keilförmige Metallstrukturen enthalten. Diesbezüglich zeigt 3 eine Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung 300 mit länglichen, keilförmigen Metallstrukturen 331a–331e. Ähnlich wie die optische Schaltvorrichtung 100, die in 1 dargestellt ist, kann die optische Schaltvorrichtung 300 ein Substrat 310, eine Pufferschicht 320, die sich auf Substrat 310 befindet, sowie eine optische Schalteinheit 330 enthalten, die sich auf Pufferschicht 320 befindet. Die optische Schalteinhalt 330 kann mehrere längliche keilförmige Metallstrukturen 331a–331e sowie mehrere Quantenstrukturen 332a–332d mit rechteckigem Querschnitt enthalten, die zwischen den länglichen, keilförmigen Metallstrukturen 331a–331e angeordnet sind.
Des Weiteren sind die Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes der vorliegenden Offenbarung nicht auf die wenigstens zwei Metallstrukturen beschränkt, die als ein/mehrere Oberflächen-Plasmon-Wellenleiter wirken. In einigen Ausführungsformen können Photonenkristalle als die Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes eingesetzt werden. Diesbezüglich zeigt 4 eine Perspektivansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung 400 mit derartigen Photonenkristallen 431a–431e. Ähnlich wie die in 1 dargestellte optische Schaltvorrichtung 100 kann die optische Schaltvorrichtung 400 ein Substrat 410, eine Pufferschicht 420, die sich auf Substrat 410 befindet, und eine optische Schalteinheit 430 enthalten, die sich auf Pufferschicht 420 befindet. Die optische Schalteinheit 430 kann mehrere Photonenkristalle 431–431e und mehrere Quantenstrukturen 432a–432d enthalten, die zwischen den Photonenkristallen 431a–431e angeordnet sind.
Die Photonenkristalle 431a–431e können mehrere dielektrische oder metalldielektrische Nanostrukturen enthalten. In einer Ausführungsform kann es sich, wie in 4 dargestellt, bei den Photonenkristallen 431a–431e um eine dielektrische Struktur mit mehreren Löchern 440 handeln, die darin ausgebildet sind. In einer Ausführungsform können die Löcher 440 um die gleiche vorgegebene Distanz beabstandet sein. Der Durchmesser der Löcher 440 kann im Nanometerbereich liegen. In anderen Ausführungsformen können jedoch andere Typen von Photonenkristallen eingesetzt werden. Beispielsweise können Photonenkristalle mit mehreren Nanostäbchen eingesetzt werden, die um die gleiche Distanz beabstandet sind. Mit der oben beschriebenen Anordnung von Photonenkristallen 431a–431e kann das optische Feld der Photonen dazwischen effektiv eingegrenzt werden.
Die oben beschriebenen optischen Schaltvorrichtungen können mit verschiedenen Methoden hergestellt werden, von denen einige im Folgenden erläutert werden. 5 ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Schaltvorrichtung. Wie unter Bezugnahme auf 5 zu sehen ist, wird in Block 510 ein Substrat für die Ausbildung einer optischen Schalteinheit darauf gefertigt. In Block 520 wird eine Pufferschicht auf dem Substrat ausgebildet, und in Block 530 wird die optische Schalteinheit auf der Pufferschicht ausgebildet. Die optische Schalteinheit kann mehrere Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes enthalten, die sich auf dem Substrat befinden und voneinander beabstandet sind, sowie wenigstens eine Quantenstruktur, die aus einem dielektrischen Material besteht und zwischen den mehreren Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes angeordnet ist.
Die Pufferschicht und die optische Schalteinheit können auf dem Substrat unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Abscheidungs-, Ätz- und/oder fotolithografischen Verfahrens oder jeder beliebigen Kombination derselben ausgebildet werden. Zu Beispielen für geeignete Abscheideverfahren gehören beispielsweise, ohne dass dies eine Einschränkung darstellt, chemische Abscheideverfahren (beispielsweise chemisches Aufdampfen (CVD), chemisches Aufdämpfen im Plasma (PECVD)), physikalische Abscheideverfahren (beispielsweise physikalisches Aufdampfen (PVD), und andere Abscheideverfahren (beispielsweise Molekularstrahlepitaxie (MBE)). Zu Beispielen geeigneter Ätzverfahren gehören, ohne dass dies eine Einschränkung darstellt, Nassätzen, anisotropes Ätzen sowie Plasmaätzen. Die beim Ausbilden der optischen Schalteinheit durchgeführten speziellen Prozesse können je nach dem Typ und der Form der Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes sowie der Quantenstrukturen variieren, die hergestellt werden sollen. Im Folgenden werden beispielhafte Verfahren zum Herstellen jeder der in 1, 3 und 4 dargestellten optischen Schalteinheiten beschrieben.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass für diese und andere Prozesse und Verfahren, wie sie hier offenbart werden, die in den Prozessen und Verfahren erfüllten Funktionen in unterschiedlicher Reihenfolge implementiert werden können. Des Weiteren dienen die dargestellten Schritte und Vorgänge lediglich als Beispiele, und einige der Schritte und Vorgänge können wahlweise durchgeführt werden, zu weniger Schritten und Vorgängen zusammengefasst werden oder zu zusätzlichen Schritten und Vorgängen erweitert werden, ohne dass von der Grundidee der offenbarten Ausführungsformen abgewichen wird.
6 ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Schalteinheit mit rechteckigen Metallstrukturen. 7A–7C sind eine Reihe schematischer Darstellungen, die das in 6 gezeigte Verfahren veranschaulichen. In 6 wird in Block 610 eine dielektrische Schicht 725 auf einer Pufferschicht 720 ausgebildet, die, wie in 7A dargestellt, auf einem Substrat 710 angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 725 ausgebildet werden, indem dielektrisches Material auf Pufferschicht 720 abgeschieden wird. In Block 620 wird, wie in 7B gezeigt, die dielektrische Schicht 725 strukturiert, um längliche Gräben 727a–727e darin herzustellen und so eine Vielzahl von Quantenstrukturen 732a–732-d auf Pufferschicht 720 auszubilden. Der oben beschriebene Strukturierungsprozess kann unter Verwendung geeigneter Maskierungs- und/oder Ätzprozesse durchgeführt werden, wie sie in der Technik bekannt sind. In Block 630 werden, wie in 7C gezeigt, längliche rechteckige Metallstrukturen 731–731e jeweils in den Gräben 727a–727e ausgebildet. Der oben beschriebene Prozess zum Ausbilden länglicher rechteckiger Metallstrukturen kann unter Verwendung geeigneter Maskierungs- und/oder Abscheideprozesse durchgeführt werden, wie sie in der Technik bekannt sind.
8 ist ein Flussdiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Schaltvorrichtung mit länglichen, keilförmigen Metallstrukturen. 9A–9C ist eine Reihe schematischer Darstellungen, die das in 8 gezeigte Verfahren veranschaulichen. Wie unter Bezugnahme auf 8 zu sehen ist, wird in Block 810 eine Metallschicht 926 auf einer Pufferschicht 920 ausgebildet, die auf einem Substrat 910 angeordnet ist, wie dies in 9A dargestellt ist. Beispielsweise kann eine Metallschicht 926 auf Pufferschicht 920 unter Verwendung geeigneter Abscheideprozesse abgeschieden werden, wie sie in der Technik bekannt sind. In Block 820 wird, wie in 96 gezeigt, Metallschicht 926 strukturiert, um eine Vielzahl keilförmiger Gräben 929a–929d darin herzustellen und so längliche, keilförmige Metallstrukturen 931a, 931e auf Pufferschicht 920 auszubilden. Beispielsweise kann Metallschicht 926 unter Verwendung geeignete Maskierungs- und/oder Ätzprozesse strukturiert werden, wie sie in der Technik bekannt sind. In Block 830 können, wie in 9C gezeigt, Quantenstrukturen 932a–932d jeweils in Gräben 929a–929d ausgebildet werden. Die Quantenstrukturen 932a–932d können beispielsweise unter Verwendung geeigneter Maskierungs- und Abscheideprozesse ausgebildet werden, wie sie in der Technik bekannt sind.
10 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Schalteinheit mit Photonenkristallen gemäß einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform. 11A und 11B sind eine Reihe schematischer Darstellungen, die das in 10 gezeigte Verfahren veranschaulichen. In Block 1010 wird, wie unter Bezugnahme auf 10 zu sehen ist, eine dielektrische Schicht 1125 auf einer Pufferschicht 1120 ausgebildet, die, wie in 11A gezeigt, auf einem Substrat 1110 angeordnet ist. In Block 1020 werden, wie in 11B gezeigt, Abschnitte der dielektrischen Schicht 1125 strukturiert, um mehrere Löcher 1140 herzustellen und so Photonenkristalle 1131a–1131e auszubilden. Die nicht strukturierten Abschnitte dienen als Quantenstrukturen 1132–1132-d. Beispielsweise können Abschnitte der dielektrischen Schicht 1125 unter Verwendung geeigneter Maskierungs- und/oder Ätzverfahren strukturiert werden, wie sie in der Technik bekannt sind.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die in dieser Anmeldung beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, die als Veranschaulichung verschiedener Aspekte zu verstehen sind. Es können viele Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden, ohne von ihrem Geist und Schutzumfang abzuweichen, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt. Funktional äquivalente Verfahren und Vorrichtungen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung zusätzlich zu den hier aufgeführten werden für den Fachmann aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich. Derartige Abwandlungen und Veränderungen sollen. in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Die vorliegende Offenbarung soll nur durch die beigefügten Ansprüche und den gesamten Umfang von Äquivalenten beschränkt werden, auf die sich diese Ansprüche erstrecken. Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf spezielle Verfahren, Reagenzien, Verbindungen, Zusammensetzungen oder biologische Systeme beschränkt ist, die natürlich variieren können. Es versteht sich des Weiteren, dass die hier verwendete Terminologie lediglich dazu dient, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben, und sie nicht als einschränkend zu verstehen ist.
Was die Verwendung im Wesentlichen aller vorhandenen Begriffe im Plural und/oder Singular angeht, so kann der Fachmann je nach Kontext und/oder Verwendungszweck vom Plural auf den Singular und/oder vom Singular auf den Plural schließen. Die verschiedenen Ausprägungen in Singular und Plural können der Klarheit halber ausdrücklich angeführt werden.
Für den Fachmann ist klar, dass im Allgemeinen hier und insbesondere in den beigefügten Ansprüchen (beispielsweise im Textkörper der beigefügten Ansprüche) verwendete Begriffe im Allgemeinen als ”offene” Begriffe zu verstehen sind (beispielsweise sollte der Begriff ”einschließen” als ”einschließend, jedoch nicht beschränkt auf” verstanden werden, der Begriff ”aufweisen” sollte als ”wenigstens aufweisend” verstanden werden, die Formulierung ”schließt ein” sollte als ”schließt ein, ist jedoch nicht beschränkt auf” verstanden werden usw. Des Weiteren ist dem Fachmann klar, dass, wenn beabsichtigt ist, auf einen Anspruch mit einer bestimmten Nummer Bezug zu nehmen, diese Absicht in dem Anspruch ausdrücklich angeführt wird, und wenn diese Anführung fehlt, diese Absicht nicht besteht. Beispielsweise können, um das Verständnis zu erleichtern, die folgenden beigefügten Ansprüche als einleitende Formulierungen ”nach wenigstens einem” und ”nach einem oder mehreren”, enthalten, um auf die Anführung von Ansprüchen hinzuweisen. Jedoch sollte die Verwendung derartiger Formulierungen nicht so verstanden werden, dass der Hinweis auf die Anführung eines Anspruchs mit dem unbestimmten Artikel ”einem” einen bestimmten Anspruch, der diesen Hinweis auf die Anführung eines Anspruchs enthält, auf Ausführungsformen beschränkt, die nur eine derartige Anführung enthalten, selbst wenn der gleiche Anspruch die einleitenden Formulierungen ”nach einem oder mehreren” oder ”nach wenigstens einem” enthält, und unbestimmte Artikel, wie beispielsweise ”einte” enthält (beispielsweise sollte ”nach einem” so verstanden werden, dass dies ”nach wenigstens einem” oder ”nach einem oder mehreren” bedeutet), wobei dies auch für die Verwendung bestimmter Artikel zum Hinweisen auf die Anführung von Ansprüchen gilt. Des Weiteren weiß der Fachmann, dass selbst, wenn in einem Hinweis auf einen angeführten Anspruch eine bestimmte Nummer desselben explizit angeführt wird, diese Anführung so zu verstehen ist, dass sie sich wenigstens auf die angeführte Nummer bezieht (beispielsweise steht die bloße Anführung von ”zwei Anführungen” ohne nähere Hinweise für wenigstens zwei Anführungen oder zwei oder mehr Anführungen). Des Weiteren ist, wenn eine Formulierung analog zu und/oder A, B und C usw.” verwendet wird, diese Konstruktion im Allgemeinen in dem Sinn zu verstehen, in dem der Fachmann die Formulierung verstehen würde (beispielsweise würde ”ein System, das A, B und/oder C aufweist” Systeme einschließen, die nur A, nur B, nur C, A und B zusammen, A und C zusammen, B und C zusammen und/oder A, B und C aufweisen, usw., wäre jedoch nicht darauf beschränkt). In den Fällen, in denen eine Formulierung analog zu ”A, B, oder/und C usw.” verwendet wird, ist diese Konstruktion in dem Sinne zu verstehen, in dem ein Fachmann die Formulierung verstehen würde (beispielsweise würde ”ein System,. das A, B oder/und C aufweist” würde Systeme einschließen, die nur A, nur B, nur C, A und B zusammen, A und C zusammen, B und C zusammen und/oder A, B und C zusammen aufweisen usw., wäre jedoch nicht darauf beschränkt). Es ist für den Fachmann des Weiteren klar, dass nahezu jedes trennende Wort bzw. jede trennende Formulierung, die zwei oder mehr alternative Begriffe anführt, sei es in der Beschreibung, den Ansprüchen oder den Zeichnungen, so verstanden werden sollte, dass die Möglichkeit inbegriffen ist, dass einer der Begriffe oder beide Begriffe eingeschlossen sind, beispielsweise ist die Formulierung ”A oder B” so zu verstehen, dass die Möglichkeit ”A” oder ”B” oder ”A und B” einschließt.
Des Weiteren liegt für den Fachmann auf der Hand, dass dort, wo Merkmale oder Aspekte der Offenbarung in Markush-Gruppen beschrieben werden, die Offenbarung ebenfalls in Form jedes beliebigen Einzelelementes oder jeder Teilgruppe von Elementen der Markush-Gruppe beschrieben wird.
Wie für den Fachmann verständlich ist, schließen für alte Zwecke, so beispielsweise eine schriftliche Beschreibung, alle darin offenbarten Bereiche auch alle möglichen Teilbereiche und Kombinationen von Teilbereichen derselben ein. Jeder aufgeführte Bereich kann auf einfache Weise so verstanden werden, dass er diesen Bereich auch als in wenigstens gleiche Hälften, Drittel, Viertel, Fünftel, Zehntel usw. aufgeteilt beschreibt und ermöglicht. Jeder hier erläuterte Bereich kann, um ein nichteinschränkendes Beispiel zu geben, ohne weiteres in ein unteres Drittel, mittleres Drittel sowie oberes Drittel usw. unterteilt werden. Wie für den Fachmann klar ist, schließen alle Formulierungen, wie beispielsweise ”bis zu” ”wenigstens” und dergleichen, die angeführte Zahl ein und beziehen sich auf Bereiche, die anschließend, wie oben erläutert, in Teilbereiche unterteilt werden können. Schließlich schließt, wie für den Fachmann verständlich, ein Bereich jedes einzelne Element ein. So bezeichnet beispielsweise eine Gruppe mit 1–3 Zellen Gruppen mit 1, 2 oder 3 Zellen. Desgleichen bezeichnet beispielsweise eine Gruppe mit 1–5 Zellen Gruppen mit 1, 2, 3, 4 oder 5 Zellen usw.
Aus dem Obenstehenden wird ersichtlich, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu Veranschaulichungszwecken beschrieben worden sind, und dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang und vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind die hier offenbarten, verschiedenen Ausführungsformen nicht als einschränkend zu verstehen und der tatsächliche Schutzumfang und Geist werden in den folgenden Ansprüchen dargestellt.

Claims

Vorrichtung, die umfasst: ein Substrat; eine erste und eine zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes, die sich auf dem Substrat befindet, wobei die erste Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes eine Fläche zum Empfangen von Photonen umfasst, die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes von der ersten Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes beabstandet ist; und eine Quantenstruktur, die zwischen der ersten und der zweiten Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes so konfiguriert sind, dass zwischen ihnen im Wesentlichen ein optisches Feld der Photonen eingeschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quantenstruktur so konfiguriert ist, dass sie in Abhängigkeit von einer Wellenlänge der empfangenen Photonen selektiv in einem Mott-Isolator-Modus und einem Superfluid-Modus arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste oder/und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes in Kontakt mit der Quantenstruktur ist/sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste oder/und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes von der Quantenstruktur beabstandet ist/sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes um eine Distanz beabstandet sind, die genauso lang ist wie oder kürzer als eine Wellenlänge der Photonen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes eine Dicke haben, die genauso so groß ist wie oder größer als ein Viertel der Wellenlänge der Photonen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes längliche Metallstrukturen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die länglichen Metallstrukturen rechteckige Metallstrukturen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die länglichen Metallstrukturen keilförmige Metallstrukturen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die länglichen Metallstrukturen aus wenigstens einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die im Wesentlichen aus Ag, Al, Au, Ni und Ti besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes Photonenkristalle sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quantenstruktur aus einem oder mehreren Material/ien besteht, das/die aus der Gruppe ausgewählt wird/werden, die im Wesentlichen aus Halbleiterverbindungen der Gruppe II-VI und Halbleiterverbindungen der Gruppe III-V besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quantenstruktur aus Cd_xZn_1-xS besteht und der Wert von x zwischen 0,5 und 1,0 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quantenstruktur aus CdSe_xS_1-x besteht und der Wert von x zwischen 0 und 1 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Pufferschicht umfasst, die zwischen dem Substrat und der ersten und der zweiten Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes auf einem Substrat, wobei die Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes jeweils voneinander beabstandet sind; und Ausbilden von wenigstens zwei Quantenstrukturen, die aus einem dielektrischen Material bestehen, zwischen der Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei Ausbilden wenigstens zweier Quantenstrukturen umfasst Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf dem Substrat; und Strukturieren der dielektrischen Schicht, um eine Vielzahl von Gräben darin herzustellen; und wobei Ausbilden einer Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes umfasst: Ausbilden von Metallstrukturen in der Vielzahl von Gräben,
Verfahren nach Anspruch 16, wobei Ausbilden der Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes umfasst: Ausbilden einer Metallschicht auf dem Substrat; und Strukturieren der Metallschicht, um eine Vielzahl von Gräben darin herzustellen; und wobei Ausbilden von wenigstens zwei Quantenstrukturen Ausbilden der Quantenstrukturen in der Vielzahl von Gräben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei wenigstens eine Struktur zum Einschließen eines optischen Feldes ein Photonenkristall ist.
Verfahren nach Anspruch 16, das des Weiteren umfasst, dass auf dem Substrat eine Pufferschicht so ausgebildet wird, dass sich die Pufferschicht zwischen wenigstens einer der Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes und dem Substrat befindet.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes um eine Distanz voneinander beabstandet sind, die genauso lang ist wie oder kürzer als eine Wellenlänge von Photonen, die durch die optische Schalteinheit durchgelassen werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei wenigstens zwei der Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes um eine Distanz beabstandet sind, die genauso so lang ist wie oder kürzer als ein Viertel einer Wellenlänge von Photonen, die durch die optische Schalteinheit durchgelassen werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes längliche Metallstrukturen sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Strukturen zum Einschließen eines optischen Feldes aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ag, Al, Au, Ni und Ti besteht.