DE112020003861T5

DE112020003861T5 - Intrakavitätsgitter zur unterbindung einer einzelnen ordnung eines ringresonators

Info

Publication number: DE112020003861T5
Application number: DE112020003861.0T
Authority: DE
Inventors: Jason Orcutt
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US11294257B2; GB202202854D0; US20210048726A1; JP7442621B2; CN114207960A; US10955726B2; JP2022544269A; GB2601687A; WO2021028766A1; US20210200057A1; GB2601687B

Abstract

Es werden mikrowellen-optische Wandler in einem optischen Ringresonator bereitgestellt, der ein Intrakavitätsgitter aufweist, um eine einzelne Resonanzordnung zu splitten. Bei einem Aspekt weist ein mikrowellen-optischer Wandler auf: einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter; sowie einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist. Es werden auch mikrowellen-optische Wandler mit mehreren optischen Pumpphotonen-Ringresonatoren und mehreren optischen Signalphotonen-Ringresonatoren bereitgestellt, die optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt sind, ebenso wie ein Verfahren zum Bilden eines mikrowellen-optischen Wandlers und ein Verfahren für eine mikrowellen-optische Wandlung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikrowellen-optische Wandler und spezieller auf mikrowellen-optische Wandler in einem optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter zur Unterbindung einer einzelnen Resonanzordnung durch modales Splitting oder einen übermäßigen Verlust, um dadurch eine Umwandlung von Mikrowellen-Signalen in optische Signale bei höchstem Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Hintergrund der Erfindung
Die Fähigkeit, elektrische Mikrowellen-Signale und optische Photonen für eine Quanteninformationsverarbeitung zu verknüpfen, erfordert eine effiziente Umwandlung zwischen dem Mikrowellen- und dem optischen Bereich. Für diese Umwandlung kann ein mikrowellen-optischer Wandler eingesetzt werden. Der Wandler kann einen optischen Ringresonator aufweisen.
Mikrowellen-optische Wandler in optischen Ringresonator-Strukturen müssen ein Mikrowellenphoton zwischen zwei optischen Resonanzordnungen koppeln. Für eine gegebene Frequenz von Pumpphotonen gibt es jedoch im Allgemeinen sowohl blau- als auch rot-verstimmte Resonanzen, an die gekoppelt werden kann. Im Quantenbereich würde dies in einem maximalen Wirkungsgrad von 50 % für eine einzelne Resonanz führen.
Daher sind Techniken wünschenswert, welche die Umwandlung von einem Mikrowellen- in ein optisches Signal für die unerwünschte Resonanzordnung in optischen Ringwandlern unterbinden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt mikrowellen-optische Wandler in einem optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter - d.h. einem Gitter innerhalb des Hohlraums - für ein Splitten einer einzelnen Resonanzordnung bereit, um dadurch eine Umwandlung von Mikrowellen- in optische Signale bei höchstem Wirkungsgrad zu ermöglichen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein mikrowellen-optischer Wandler bereitgestellt. Der mikrowellen-optische Wandler weist auf: einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter; sowie einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein weiterer mikrowellen-optischer Wandler bereitgestellt. Der mikrowellen-optische Wandler weist auf: einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter mit einem Kern sowie einem Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern; einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; mehrere optische Pumpphotonen-Ringresonatoren, die optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt sind, wobei sie einen gesonderten Pumpphotonen-Pfad bilden; sowie mehrere optische Signalphotonen-Ringresonatoren, die optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt sind, wobei sie einen gesonderten Signalphotonen-Pfad bilden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines mikrowellen-optischen Wandlers bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen einer ersten Si-Schicht auf einem Substrat; Strukturieren der ersten Si-Schicht, um einen strukturierten Teilbereich der ersten Si-Schicht mit einer Form eines optischen Ringresonators auf dem Substrat zu bilden; Abscheiden einer SiGe-Schicht auf dem Substrat über dem strukturierten Teilbereich der ersten Si-Schicht; Strukturieren der SiGe-Schicht zu einem Kern und einem Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern, wobei das Evaneszenz-Element einen Basis-Teilbereich sowie einen Breitenmodulations-Teilbereich mit einer Breite aufweist, die entlang einer dem Kern gegenüberliegenden Oberfläche des Basis-Teilbereichs fortlaufend moduliert ist, um ein Intrakavitätsgitter zu bilden; Abscheiden einer zweiten Si-Schicht auf dem Substrat über dem Kern und dem Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern; und Strukturieren der zweiten Si-Schicht, um einen strukturierten Teilbereich der zweiten Si-Schicht zu bilden, der den Kern und das Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern umgibt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für eine mikrowellen-optische Wandlung bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen eines mikrowellen-optischen Wandlers, der einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter sowie einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter aufweist, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; Zuführen von optischen Pumpphotonen mit einer Frequenz fp zu dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter, wobei es zwei optische Resonanzen in Bezug auf die Frequenz der optischen Pumpphotonen (fp) gibt und wobei das Intrakavitätsgitter eine der zwei optischen Resonanzen stört; Zuführen von Eingabe-Mikrowellenphotonen mit einer Frequenz f_HF zu dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter über den Mikrowellen-Signal-Wellenleiter; sowie Umwandeln der optischen Eingabe-Pumpphotonen mit der Frequenz fp in ein Ausgabesignal mit einer Frequenz f_S, wobei f_S = f_P - f_HF.
Ein vollständigeres Verstehen der vorliegenden Erfindung ebenso wie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen erhalten.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung von oben nach unten, die einen mikrowellen-optischen Wandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, der einen einzelnen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter, einen Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter sowie einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter auf einem Substrat aufweist;
2 ist eine Querschnittsdarstellung des optischen Ringresonators mit einem Intrakavitätsgitter (das durch ein Evaneszenz-Element benachbart zu einem Kern gebildet wird, das einen Basis-Teilbereich und einen Breitenmodulations-Teilbereich aufweist) sowie eines Mikrowellen-Signal-Wellenleiters von 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Darstellung, die eine Feldreflexion als Funktion eines Abstands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, um den der Basis-Teilbereich in Bezug auf den Kern versetzt ist;
4 ist eine Darstellung, die eine (erste) Si-Schicht auf einem Substrat mit einem niedrigen Brechungsindex gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine Darstellung von oben nach unten, welche die erste Si-Schicht, die strukturiert wurde, um strukturierte Teilbereiche der ersten Si-Schicht in der Form des optischen Ringresonators zu bilden, einen Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter auf dem Substrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine Darstellung von oben nach unten, die eine Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, das auf dem Substrat über den strukturierten Teilbereichen der ersten Si-Schicht abgeschieden wurde;
7 ist eine Querschnittsdarstellung, welche die Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, die zu einem Kern des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters und dem Kern/dem Evaneszenz-Element des optischen Ringresonators strukturiert wurde;
8 ist eine Querschnittsdarstellung, welche die Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die zu einem Kern des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters strukturiert wurde;
9 ist eine Darstellung von oben nach unten, die zeigt, dass der Breitenmodulations-Teilbereich das Intrakavitätsgitter bildet, das durchgehend entlang einer Seite des Basis-Teilbereichs (d.h. des inneren Rings) benachbart zu dem Kern (d.h. dem äußeren Ring) des optischen Ringresonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft;
10 ist eine Darstellung von oben nach unten, die eine zweite Si-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die auf dem Substrat 101 über dem Kern des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters, dem Kern/dem Evaneszenz-Element des optischen Ringresonators und dem Kern des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters abgeschieden wurde;
11 ist eine Querschnittsdarstellung, welche die zweite Si-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die strukturiert wurde, um strukturierte Teilbereiche der zweiten Si-Schicht zu bilden, die den Kern des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters und den Kern/das Evaneszenz-Element des optischen Ringresonators umgeben;
12 ist eine Querschnittsdarstellung, welche die zweite Si-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die strukturiert wurde, um strukturierte Teilbereiche der zweiten Si-Schicht zu bilden, die den Kern des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters umgeben;
13 ist eine Querschnittsdarstellung, die für den optischen Ringresonator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine untere Elektrode, die auf dem Substrat gebildet wurde, eine obere Elektrode, die auf dem strukturierten Teilbereich der zweiten Si-Schicht gebildet wurde, sowie Vorspannungselektroden zeigt, die auf dem Substrat auf gegenüberliegenden Seiten des strukturierten Teilbereichs der ersten Si-Schicht gebildet wurden;
14 ist eine Abbildung des Gitters innerhalb des Hohlraums (das durch den Breitenmodulations-Teilbereich gebildet wird) auf dem ‚inneren Ring‘ (d.h. dem Basis-Teilbereich) des optischen Ringresonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 ist eine Darstellung, die zeigt, dass es mit einem optischen Ringresonator sowohl die blau-verstimmte Resonanz als auch die rot-verstimmte Resonanz gibt, an welche die Pumpresonanz koppeln kann;
16 ist eine Darstellung, die ein Feldreflexionsspektrum des Gitters innerhalb des Hohlraums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ist eine Darstellung, die zeigt, dass es in einem optischen Ringresonator zwei benachbarte optische Resonanzen in Bezug auf die Frequenz der optischen Eingabe-Pumpphotonen (fp) gibt, d.h. die Resonanz auf der blauen Seite mit f_G und die Resonanz auf der roten Seite mit fs, und dass das Intrakavitätsgitter die blaue Nachbarmode bei der nicht genutzten Resonanzordnung f_G gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stört;
18 ist eine Darstellung, die einen exemplarischen mikrowellen-optischen Wandler, der mehrere optische Ringresonatoren aufweist, die gesonderte Pump- und Signal-Pfade bilden, sowie einen optischen Wandlungs-Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
19 ist eine Darstellung, die eine exemplarische Methodik für eine mikrowellen-optische Wandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Eine mikrowellen-optische Wandlung mittels des elektro-optischen Effekts kann unter Verwendung einer optischen Ringresonator-Struktur erreicht werden, bei der ein Mikrowellen-Resonator so ausgebildet ist, dass er räumlich mit der Hochfrequenz(HF)- und der optischen Mode überlappt. Mikrowellen-Frequenzen beziehen sich im Allgemeinen auf jene HF-Frequenzen, die höher als oder gleich etwa 1 Gigahertz (GHz) sind. Wie vorstehend angegeben, koppeln die optischen Ringresonatoren mit einem Mikrowellenphoton mit einer Frequenz f_HF zwischen zwei optischen Resonanzordnungen, z.B. einer Frequenz einer optischen Pumpe (fp) und einer Frequenz des optischen Ausgabesignals (f_S). Siehe zum Beispiel 1.
1 stellt einen mikrowellen-optischen Wandler 100 dar, der einen einzelnen optischen Ringresonator 102 auf einem Substrat 101 aufweist. Bei der in 1 gezeigten Konfiguration des mikrowellen-optischen Wandlers 100 handelt es sich lediglich um ein Beispiel, während Auslegungen von Wandlern mit mehreren optischen Ringresonatoren nachstehend im Detail beschrieben sind. Bezugnehmend auf 1 handelt es sich bei dem optischen Ringresonator 102 um einen Wellenleiter in der Form eines optischen Rings mit geschlossener Schleife. Wie nachstehend im Detail beschrieben wird, weist jeder der hierin eingesetzten Wellenleiter im Allgemeinen einen Kern auf, der aus einem ersten Material gebildet ist, das von einem zweiten/anderen Material mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben ist. Das heißt, das für den Kern verwendet Material weist einen höheren Brechungsindex als das Material auf, das diesen umgibt, so dass der Wellenleiter eine Führung mit einem primären modalen Index bereitstellt. Lediglich als Beispiel umfassen geeignete Materialien für den Wellenleiter Siliciumgermanium (SiGe) als das erste Material für den Kern und Silicium (Si) als das zweite Material, das den Kern umgibt, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Über zumindest einem Teilbereich des optischen Ringresonators 102 ist eine obere Elektrode 103 vorhanden. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform weist die obere Elektrode 103 zum Beispiel eine halbmondförmige Gestalt auf, die einen Teilbereich des optischen Ringresonators 102 bedeckt, der einen Viertelwellen-HF-Resonator bildet, der eine enge Integration der oberen Elektrode 103 mit dem optischen Ringresonator 102 bereitstellt.
Der optische Ringresonator 102 ist optisch mit einem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 gekoppelt. Wie in 1 gezeigt, führt der Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 optische Eingabe-Pumpphotonen mit einer Frequenz fp zu dem optischen Ringresonator 102. Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, schließt das optische Pumpen ein Einkoppeln der Emission eines Lasers mit schmaler Linienbreite in den optischen Pumpwellenleiter ein, um eine zirkulierende optische Pumpmoden-Anregung in dem optischen Ringresonator 102 mit einer mittleren Anzahl von Photonen mit der Frequenz fp von zum Beispiel zwischen 100.000 und 10.000.000 zu erzeugen. Außerdem ist ein Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 optisch mit dem optischen Ringresonator 102 gekoppelt. Der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 führt Eingabe-Mikrowellenphotonen mit einer Frequenz f_HF zu dem optischen Ringresonator 102. Wie vorstehend angegeben, weisen der Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 und der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 wie der optische Ringresonator 102 (und jeder der anderen hierin eingesetzten Wellenleiter) jeweils im Allgemeinen einen Kern auf, der aus einem ersten Material (z.B. aus SiGe) gebildet ist, das von einem zweiten/anderen Material mit einem niedrigeren Brechungsindex (z.B. Si) umgeben ist.
Der optische Ringresonator 102 dient dazu, die von dem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 geführten optischen Eingabe-Pumpphotonen und die von dem Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 geführten Mikrowellenphotonen zu koppeln, um die Eingabesignale der optischen Pumpphotonen (fp) in ein Ausgabesignal mit der Frequenz (f_S) umzuwandeln, wobei f_S = f_P - f_HF. Um dies durchzuführen, müssen der freie optische Spektralbereich des optischen Ringresonators 102 und die Eingabe-HF-Frequenz (f_HF) in eine einzige Resonanz gehen, damit sie aufeinander abgestimmt sind. Wie jedoch vorstehend hervorgehoben, gibt es für eine gegebene Pumpphotonen-Frequenz fp im Allgemeinen sowohl eine blau-verstimmte als auch eine rot-verstimmte Resonanz (auf die hierin auch als Resonanzen auf der „blauen Seite“ beziehungsweise auf der „roten Seite“ Bezug genommen wird), an welche die optischen Eingabe-Pumpphotonen koppeln können. Wie auf dem Fachgebiet allgemein bekannt, bezieht sich ‚blau-verstimmt‘ auf eine Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz, und ‚rot-verstimmt‘ bezieht sich auf eine Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz. Mit den beiden Resonanzen, die für eine Kopplung vorhanden sind, ist der Wirkungsgrad der Umwandlung f_P → f_S in eine einzige Resonanzordnung bestenfalls gleich 50 %.
Vorteilhafterweise sind hierin Techniken zum Unterbinden der mikrowellen-optischen Signalumwandlung in die unerwünschte Resonanzordnung unter Verwendung eines Gitters innerhalb des Hohlraums (Intrakavitätsgitter siehe 1) bereitgestellt, um die einzelne Resonanz durch Splitten oder Stören der Resonanz bei der nicht genutzten Resonanzordnung zu unterbinden. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform entspricht f_G der Bragg-Bedingung erster Ordnung für das Gitter, um eine Reflexion einzuführen, die sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn ausbreitende Moden koppelt, um die Resonanzmoden bei dieser Frequenz zu splitten. Bei einer anderen exemplarischen Ausführungsform entspricht f_G der ungefähren Bragg-Bedingung zweiter Ordnung des Gitters innerhalb des Hohlraums, um einen Strahlungsverlust einzuführen, der die Resonanz bei dieser Frequenz stört. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform handelt es sich bei der nicht genutzten Resonanzordnung zum Beispiel um die Resonanz auf der blauen Seite mit der Frequenz f_G, wobei f_G = f_P + f_HF. Somit wird die Resonanz auf der blauen Seite mit f_G durch das Intrakavitätsgitter derart unterbunden, dass der Prozess einer Umwandlung von f_P → f_S dominiert.
2 ist eine Querschnittsdarstellung, die einen Schnitt bei der Linie A-A' zeigt (siehe 1). In dieser Ansicht sind Querschnitte sowohl des optischen Ringresonators 102 als auch des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters 106 zu sehen. Wie in 2 gezeigt, handelt es sich sowohl bei dem optischen Ringresonator 102 als auch dem Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 (ebenso wie bei dem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104, wenngleich in dieser Darstellung nicht sichtbar) jeweils um eine Wellenleiter-Struktur, die einen Kern aufweist, der aus einem ersten Material gebildet ist, das von einem zweiten/anderen Material mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben ist. Mit dem optischen Ringresonator 102 ist jedoch ein Evaneszenz-Element mit einer Breitenmodulation zur Bildung des Gitters innerhalb des Hohlraums in der gleichen Schicht wie der Kern strukturiert. In den Eingabe-Pumpphotonen-/Mikrowellen-Signal-Wellenleitern 104/106 ist jedoch kein derartiges Gitter vorhanden.
Wie in 2 gezeigt, sind der optische Ringresonator 102 und der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 (ebenso wie der Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104, wenngleich in dieser Darstellung nicht sichtbar) jeweils auf einem Substrat 101 angeordnet. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat 101 um ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex. Mit einem ‚niedrigen Brechungsindex‘ ist gemeint, dass das Substrat 101 einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der Brechungsindex von Silicium (Si) ist. Lediglich als Beispiel umfassen Materialien mit einem niedrigen Brechungsindex Saphir, Diamant, Siliciumcarbid (SiC) und/oder Galliumnitrid (GaN), sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Bei einer exemplarischen Ausführungsform sind der optische Ringresonator 102, der Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 sowie der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 in einem Silicium-auf-X(SOX)-Substrat ausgebildet, wobei X das Material mit einem niedrigen Brechungsindex (z.B. Saphir, Diamant, SiC und/oder GaN) des Substrats 101 bezeichnet. Auf Substrate wie diese, die aus mehreren Materialien hergestellt sind, wird hierin auch als strukturierte Substrate Bezug genommen. Die Verwendung eines Substrats 101 mit einem niedrigen Brechungsindex unter dem optischen Ringresonator 102, dem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 sowie dem Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 dient dazu, das evaneszente optische Feld abzuschneiden und Strahlungsverluste zu minimieren.
Zunächst bezugnehmend auf den Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106, wie in 2 gezeigt, weist der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 einen Kern 202 auf, der von Si (d.h. Si-Schichten 204' und 206') umgeben ist. Unter Verwendung des vorstehend angegebenen Beispiels eines strukturierten SOX-Substrats handelt es sich bei der Si-Schicht 204' um einen strukturierten Teilbereich der Si-Schicht auf dem, z.B. Saphir-, Diamant-, SiC-, und/oder GaN-, Substrat 101 (siehe nachstehend). Eine Strukturierung wird verwendet, um den Kern 202 auf der Si-Schicht 204' zu bilden, wonach eine Si-Schicht 206' derart über dem Kern 202 abgeschieden wird, dass der Kern 202 von den Si-Schichten 204' und 206' umgeben ist. Auf das Material (auf die Materialien), die den Kern in einem Wellenleiter umgeben, kann hierin allgemein auch als ein ‚Umhüllungs‘-Material Bezug genommen werden. Eine exemplarische Methodik zum Bilden der vorliegenden Wellenleiter-Einheiten ist nachstehend im Detail beschrieben. Wie vorstehend hervorgehoben, wird der Kern 202 aus einem Material gebildet, das einen Brechungsindex aufweist, der höher als der Brechungsindex des Umhüllungsmaterials ist, das den Kern 202 umgibt. Wenn der Kern 202 von Si umgeben ist (d.h. von den Si-Schichten 204' und 206'), umfassen geeignete Materialien für den Kern 202 Siliciumgermanium (SiGe), sind jedoch nicht auf dieses beschränkt. Ein SiGe-Kern/eine Si-Umhüllung stellt eine Führung für einen primären modalen Index bereit. Wenngleich in 2 nicht sichtbar, gelten diese gleichen Details für den Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104.
Während der optische Ringresonator 102 einen Kern 208 (z.B. einen SiGe-Kern) enthält, der von Si-Schichten 204" und 206" umgeben ist, ist andererseits auch ein Evaneszenz-Element mit einer Breitenmodulation zur Bildung des Gitters innerhalb des Hohlraums in der gleichen Schicht wie der Kern 208 strukturiert. Die Bezeichnungen 204" und 206" werden verwendet, um anzuzeigen, dass es sich bei diesen Si-Schichten 204" und 206" gemäß einer exemplarischen Ausführungsform um strukturierte Teilbereiche der gleichen jeweiligen Si-Schichten 204' und 206' handelt. Diese Unterscheidung wird bei dem nachstehend beschriebenen Herstellungsprozessablauf ersichtlich. Da das Evaneszenz-Element in der gleichen Schicht strukturiert ist wie der Kern 208, wird dieses auch aus dem gleichen Material wie der Kern gebildet, z.B. aus SiGe.
Hierin werden auch weitere Konfigurationen in Betracht gezogen. In einer anderen exemplarischen Ausführungsform ist das Substrat 101 zum Beispiel aus dem gleichen Material wie die Umhüllung gebildet. In diesem Fall wird der optische Einschluss durch das Material des Kerns 202 mit einem höheren Brechungsindex, wie beispielsweise SiGe, im Vergleich zu dem (Si-) Substrat 101, und der Si-Schichten 204'/206' vollständig erreicht.
Wie in 2 gezeigt, ist das Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern 208 ausgebildet und weist einen Basis-Teilbereich 210 und einen Breitenmodulations-Teilbereich 212 auf. Wie seine Bezeichnung impliziert, weist der Breitenmodulations-Teilbereich eine Breite auf, die entlang der dem Kern gegenüberliegenden Oberfläche des Basis-Teilbereichs 210 fortlaufend moduliert ist, wobei z.B. ein Sägezahnmuster gebildet wird, - siehe nachstehend. Bei dieser Struktur handelt es sich um etwas, auf das hierin als das ‚Intrakavitätsgitter‘ Bezug genommen wird. Es ist anzumerken, dass es sich bei dem, was in 2 als ein Querschnitt eines optischen Ringresonators 102 gezeigt ist, um eine Ringstruktur handelt. Somit kann der Basis-Teilbereich 210 als die innere Ringstruktur und der Kern 208 als die äußere Ringstruktur angesehen werden. Während dieses Beispiel das Evaneszenz-Element und demzufolge das Intrakavitätsgitter entlang des inneren Rings darstellt, werden hierin ferner auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen das Evaneszenz-Element mit dem Intrakavitätsgitter stattdessen entlang eines äußeren Rings vorhanden ist (bei denen der Kern 208 z.B. den Platz tauscht und zu dem inneren Ring wird) oder bei denen das Evaneszenz-Element mit dem Intrakavitätsgitter sowohl auf dem inneren als auch dem äußeren Ring vorhanden ist, wobei sich der Kern 208 in der Mitte befindet. Somit ist die Wahl beliebig, ob sich das Gitter auf der Hochfrequenz-Seite oder der Niederfrequenz-Seite der Pump-Resonanz befindet, solange die Signalresonanz dann so verschoben wird, dass sie sich entsprechend auf der Niederfrequenz- oder der Hochfrequenz-Seite befindet (entgegengesetztes Gitter).
Die Basis 210 ist in Bezug auf den Kern 208 derart versetzt (siehe Pfeil mit der Bezeichnung „Abstand“), dass zwischen dem Evaneszenz-Element (d.h. dem Basis-Teilbereich 210/dem Breitenmodulations-Teilbereich 212) und dem Kern 208 ein Zwischenraum vorhanden ist. Bei diesem Beispiel weist der Kern 208 eine Breite von
1.500 nm auf (siehe Pfeil mit der Bezeichnung „1.500 nm“). Siehe 2. Der ‚Abstand‘, um den die Basis 210 in Bezug auf den Kern 208 versetzt ist, kann durch Variieren einer Dicke des Basis-Teilbereichs 210 (siehe Pfeil mit der Bezeichnung „Basis“) und/oder einer Dicke des Breitenmodulations-Teilbereichs 212 (siehe Pfeil mit der Bezeichnung „Modulation“) gesteuert werden. Wird so verfahren, wird die Feldreflexion in dem optischen Ringresonator 102 gesteuert. Siehe 3. 3 ist eine Darstellung, die eine Feldreflexion als Funktion des Abstands zeigt, um den der Basis-Teilbereich 210 in Bezug auf den Kern 208 versetzt ist (gemessen in Nanometern (nm)), der auf Grundlage der Dicke des Basis-Teilbereichs 210 und/oder der Dicke des Breitenmodulations-Teilbereichs 212 variiert (siehe 2).
Wie in 3 dargestellt, zeigten ein Basis-Teilbereich 210 mit einer Dicke von 200 nm in Kombination mit Breitenmodulations(mod)-Teilbereichen 212 mit Dicken von 100 nm, 150 nm und 200 nm eine jeweilige Erhöhung der Feldreflexion. Ein Vergrößern der Dicke des Basis-Teilbereichs auf 350 nm (ein effektives Reduzieren des Zwischenraums zwischen dem Evaneszenz-Element und dem Kern 208, so dass das Intrakavitätsgitter näher an den Kern 208 heran gebracht wird) erhöht die Feldreflexion weiter. Bei dieser Feldreflexion handelt es sich um die Kopplungsstärke zwischen sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn ausbreitenden Moden in dem Ringresonator bei f_G, welche die gewünschte Frequenztrennung des Resonanz-Splittings erzeugt. Wie vorstehend hervorgehoben, besteht das Ziel des Gitters innerhalb des Hohlraums darin, die Resonanz auf der blauen Seite bei f_G derart zu stören, dass der Umwandlungsprozess von f_P → f_S dominiert.
Bei dem optischen Ringresonator 102 handelt es sich um einen optischen Ringresonator mit einer geschlossenen Schleife, der als ein Filter für Licht einer bestimmten (resonanten) Wellenlänge wirkt. Unter Rückbezugnahme auf 2 weist der optische Ringresonator 102 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform eine untere Elektrode 214, eine obere Elektrode 216 sowie Vorspannungselektroden 218 auf. Wie zum Beispiel in 2 gezeigt, sind Si-Schichten 204"/206", der Kern 208, das Evaneszenz-Element (d.h. der Basis-Teilbereich 210/der Breitenmodulations-Teilbereich 212) etc. sämtlich auf einer ersten Oberfläche des Substrats 101 angeordnet, und die untere Elektrode 214 ist auf einer zweiten Oberfläche des Substrats 101 angeordnet, wobei die erste Oberfläche des Substrats 101 der zweiten Oberfläche gegenüberliegt.
Die obere Elektrode 216 ist auf der Si-Schicht 206" angeordnet, und die Vorspannungselektroden 218 sind auf dem Substrat 101 auf gegenüberliegenden Seiten der Si-Schicht 204" angeordnet. Die Elektroden bilden einen Übertragungsleitungsresonator, bei dem ein Hochfrequenz(HF)-Feld als stehende Welle vorhanden ist. Wie vorstehend angegeben, beziehen sich Mikrowellen-Frequenzen im Allgemeinen auf jene HF-Frequenzen, die höher als oder gleich etwa 1 GHz sind. Somit überlappt der Übertragungsleitungsresonator räumlich die HF- und optischen Moden. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird der elektro-optische Kerr-Effekt oder der DC-Kerr-Effekt für die mikrowellen-optische Umwandlung verwendet. Wie auf dem Fachgebiet bekannt, bezieht sich der DC-Kerr-Effekt auf eine Änderung des Brechungsindex eines Materials in Reaktion auf ein langsam variierendes elektrisches Feld, das an dem Probenmaterial anliegt. Hierbei wird ein elektrisches Feld über die Vorspannungselektroden 218 oder durch eine Rückkopplung über die untere Elektrode 214 durch das Substrat 101 angelegt.
Eine exemplarische Methodik zum Bilden eines mikrowellen-optischen Wandlers 100 wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 4 bis 13 beschrieben. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform beginnt der Prozess mit einem strukturierten Substrat, wie beispielsweise einem SOX-Substrat 402. Siehe 4. Wie in 4 gezeigt, weist das SOX-Substrat 402 eine Si-Schicht 204 auf einem Substrat 101 auf, wobei das Substrat 101 aus einem geeigneten Material mit einem niedrigen Brechungsindex gebildet wird. Wie vorstehend angegeben, weisen geeignete Materialien mit einem niedrigen Brechungsindex Saphir, Diamant, SiC und/oder GaN auf, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Des Weiteren kann auf die Si-Schicht 204 gemäß der Konfiguration des SOX-Substrats hierin auch als eine SOX-Schicht Bezug genommen werden.
Bezugnehmend auf eine Ansicht von oben nach unten aus einer Blickrichtung A (siehe 4), werden dann übliche Lithographie- und Ätztechniken eingesetzt, um die Si-Schicht 204 zu der Form des optischen Ringresonators 102, des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters 104 und des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters 106 auf dem Substrat 101 zu strukturieren, wie in 5 gezeigt. Im Anschluss an die Strukturierung sind nunmehr strukturierte Teilbereiche der Si-Schicht 204 auf dem Substrat 101 vorhanden, wie in 5 gezeigt. Diese strukturierten Teilbereiche entsprechen der Si-Schicht 204', der Si-Schicht 204" und der Si-Schicht 204''' in dem Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106, dem optischen Ringresonator 102 beziehungsweise dem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104. Siehe 2, vorstehend beschrieben. Es ist anzumerken, dass der Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 in der Querschnittsansicht von 2 nicht dargestellt war. Für die Bestimmung, dass die Si-Schicht 204''' aus der gleichen Si-Schicht 204 strukturiert wird wie die Si-Schicht 204' und die Si-Schicht 204" wird jedoch die gleiche Konvention verwendet. Ferner kann auch die Bezeichnung ‚erste Si-Schicht‘ verwendet werden, wenn auf die Si-Schicht 204', die Si-Schicht 204" und/oder die Si-Schicht 204''' Bezug genommen wird, um diese Schichten von der (zweiten) Si-Schicht 206', Si-Schicht 206" und/oder Si-Schicht 206''' zu unterscheiden. Siehe nachstehend.
Danach wird eine Schicht 602 aus einem Material mit einem Brechungsindex, der höher als der Brechungsindex von Si ist, auf dem Substrat 101 über den Si-Schichten 204', 204" und 204''' abgeschieden. Siehe 6. Diese Schicht 602 wird zu dem Kern des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters 104, dem Kern des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters 106 und dem Kern/dem Evaneszenz-Element des optischen Ringresonators 102 strukturiert. Wie vorstehend angegeben, umfassen geeignete Materialen für den Kern/das Evaneszenz-Element SiGe, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Als nächstes werden übliche Lithographie- und Ätztechniken eingesetzt, um die Schicht 602 zu dem Kern 202 des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters 106, dem Kern 208/dem Evaneszenz-Element (d.h. dem Basis-Teilbereich 210/dem Breitenmodulations-Teilbereich 212) des optischen Ringresonators 102 (siehe Ansicht B-B' in 7) und dem Kern 802 des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters 104 (siehe Ansicht C-C' in 8) zu strukturieren. Die Orientierung der Ansichten B-B' und C-C' sind in 5 gezeigt. Es ist anzumerken, dass jedes dieser Elemente (d.h. der Kern 202 des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters 106, der Kern 208/das Evaneszenz-Element des optischen Ringresonators 102 und der Kern 802 des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters 104) aus der gleichen Schicht 602 (z.B. SiGe) strukturiert wird.
Wird zum Beispiel der optische Ringresonator 102 betrachtet, wird das Evaneszenz-Element, das den Basis-Teilbereich 210 und den Breitenmodulations-Teilbereich 212 aufweist (der das Intrakavitätsgitter bildet), in der gleichen Schicht 602 wie der Kern 208 strukturiert. Techniken zum Erzeugen von Störungen, wie beispielsweise eines Gitters, in einer photonischen Einheit sind allgemein zum Beispiel in dem an Orcutt et al. erteilten US-Patent Nr 9 316 787 mit dem Titel „Continuous Evanescent Perturbation Gratings in a Silicon Photonics Device“ (im Folgenden „US-Patent Nummer 9 316 787 “) beschrieben. Bezugnehmend auf eine Ansicht von oben nach unten (z.B. aus einer Blickrichtung B - siehe 7) des optischen Ringresonators 102 ist ersichtlich, dass der Breitenmodulations-Teilbereich 212 das Intrakavitätsgitter bildet, das durchgehend entlang einer Seite des Basis-Teilbereichs 210 (d.h. des inneren Rings) benachbart zu dem Kern 208 (d.h. dem äußeren Ring) verläuft. Siehe 9. Bei diesem speziellen Beispiel weist das Intrakavitätsgitter eine Sägezahn-Struktur auf. Wie jedoch in dem US-Patent Nr. 9 316 787 beschrieben, ist es möglich, dass die Winkel von 90 Grad in der Struktur auf Grund des Lithographie-Prozesses etwas abgerundet sind. Des Weiteren handelt es sich bei der Sägezahn-Struktur lediglich um ein Beispiel für ein Erzeugen des Gitters innerhalb des Hohlraums. Zum Beispiel können stattdessen Gitter mit einer konstanten Linienbreite eingesetzt werden. Siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 9 316 787 .
Als nächstes wird eine zweite Si-Schicht 206 (wobei es sich bei der Si-Schicht 204 um die erste Si-Schicht handelt) auf dem Substrat 101 über den Kernen 202/dem Kern 208 (und dem Basis-Teilbereich 210/dem Breitenmodulations-Teilbereich 212)/dem Kern 802 und den Si-Schichten 204'/204''/204''' abgeschieden. Siehe die Ansicht von oben nach unten von 10. Danach werden übliche Lithographie- und Ätztechniken eingesetzt, um die Si-Schicht 206 zu der Si-Schicht 206', der Si-Schicht 206" und der Si-Schicht 206''' über der Si-Schicht 204', der Si-Schicht 204" und der Si-Schicht 204''' so zu strukturieren, dass sie den Kern 202 (des Mikrowellen-Signal-Wellenleiters 106), den Kern 208/den Basis-Teilbereich 210/den Breitenmodulations-Teilbereich 212 (des optischen Ringresonators 102) (siehe Ansicht B-B' in 11) beziehungsweise den Kern 802 (des Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiters 104) (siehe Ansicht C-C' in 12) umgeben.
Schließlich werden übliche Metallisierungs-Techniken verwendet, um die untere Elektrode 214 auf dem Substrat 101, die obere Elektrode 216 auf der Si-Schicht 206" und die Vorspannungselektroden 218 auf dem Substrat 101 auf gegenüberliegenden Seiten der Si-Schicht 204" zu bilden. Siehe Ansicht B-B' in 13. Bei Betrieb als ein mikrowellen-optischer Wandler unter kryogenen Bedingungen sind supraleitende Elektroden typischerweise optimal. Geeignete Elektroden-Materialien umfassen Aluminium (AI), Niob (Nb), Titan (Ti) sowie Kombinationen derselben, z.B. Legierungen, wie beispielsweise Niobtitannitrid (NbTiN).
14 ist eine des Gitters innerhalb des Hohlraums (das durch den Breitenmodulations-Teilbereich 212 gebildet wird) auf dem ‚inneren Ring‘ (d.h. dem Basis-Teilbereich 210) des optischen Ringresonators 102. Wie in 14 gezeigt, können die Winkel von 90 Grad in der Struktur, z.B. der Sägezahn-Struktur, auf Grund des Lithographie-Prozesses etwas abgerundet sein.
Wie vorstehend im Detail beschrieben, gibt es für eine gegebene Pumpphotonen-Frequenz fp im Allgemeinen sowohl eine blau-verstimmte als auch eine rot-verstimmte Resonanz, an die gekoppelt werden kann. Siehe zum Beispiel 15. Wie in 15 gezeigt, gibt es bei einem optischen Ringresonator sowohl eine blau-verstimmte als auch eine rot-verstimmte Resonanz, an welche die Pump-Resonanz (die mittlere Resonanz in 15) koppeln kann. In diesem Fall wird eine Kopplung sowohl an die roten als auch an die blauen Nachbarmoden erhalten.
Gemäß den vorliegenden Techniken wurde jedoch festgestellt, dass das Intrakavitätsgitter des optischen Resonators 102 dazu verwendet werden kann, die Resonanz bei der nicht genutzten Resonanzordnung (d.h. bei der blauen Nachbarmode) f_G derart zu stören, dass der Umwandlungsprozess von der Frequenz (fp) der optischen Eingabe-Pumpphotonen → zu der Ausgabesignalfrequenz (fs) dominiert. Das Feldreflexionsspektrum des Gitters innerhalb des Hohlraums ist in 16 gezeigt. Wie in Verbindung mit der Beschreibung von 3 vorstehend beschrieben, kann die Feldreflexion durch Variieren der Abmessungen des Basis-Teilbereichs 210 und/oder des Breitenmodulations-Teilbereichs 212 des optischen Ringresonators 102 abgestimmt werden, um die Kopplungsstärke zwischen sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn ausbreitenden Moden zu steuern und um dadurch das Resonanz-Splitting zu steuern. Wie in 17 gezeigt, gibt es in dem optischen Ringresonator 102 zwei benachbarte optische Resonanzen in Bezug auf die Frequenz (fp) der optischen Eingabe-Pumpphotonen, d.h. die Resonanz auf der blauen Seite bei f_G und die Resonanz auf der roten Seite bei fs. Das Intrakavitätsgitter stört jedoch die blaue Nachbarmode bei der nicht genutzten Resonanzordnung f_G, so dass dadurch ein hoher Umwandlungswirkungsgrad von (f_P) → (f_S) ermöglicht wird. 17 stellt die Feldverstärkung innerhalb des Hohlraums dar, da es sich dabei um den relevanten Parameter für eine Bestimmung des Umwandlungswirkungsgrads in dem Wandlungsprozess handelt.
In seiner einfachsten Form weist der vorliegende mikrowellen-optische Wandler einen einzelnen optischen Ringresonator auf. Siehe zum Beispiel der vorstehend beschriebene mikrowellen-optische Wandler 100. Es werden hierin jedoch auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, die mehrere Ringresonatoren aufweisen. Siehe zum Beispiel der mikrowellen-optische Wandler 1800 von 18. Wie in 18 gezeigt, weist der mikrowellen-optische Wandler 1800 mehrere optische Ringresonatoren auf einem Substrat 1801 auf. Spezifisch koppelt der mikrowellen-optische Wandler 1800 resonant optische Pumpphotenen und Signalphotonen in gesonderten Pfaden durch Vernierausgerichtete optisch gekoppelte optische (Pumpphotonen-) Ringresonatoren 1810a,b und optische (Signalphotonen-) Ringresonatoren 1812a,b,c für den Pump- beziehungsweise den Signalpfad. Der optische freie Spektralbereich des optischen Ringresonators 1802 ist an die HF-Frequenz angepasst (siehe Eingabe-HF-Signal). Somit wird auf den optischen Ringresonator 1802 hierin auch als ein „Wandlungs-Resonator“ Bezug genommen. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist der optische Ringresonator 1802 gleich wie der vorstehend beschriebene optische Ringresonator 102 konfiguriert. Das heißt, wie in 18 gezeigt, dass der optische Ringresonator 1802 ein Intrakavitätsgitter aufweist, um die einzelne Resonanz durch Stören der Resonanz bei der nicht genutzten Resonanzordnung zu splitten. Techniken für ein Bilden eines optischen Ringresonators mit einem Intrakavitätsgitter auf einem inneren Ring (über einen Basis-Teilbereich und einen Breitenmodulations-Teilbereich), der einem Kern/einem äußeren Ring gegenüberliegt, wurden vorstehend im Detail beschrieben. Wie bei dem optischen Ringresonator 102 ist eine obere Elektrode 1803 über zumindest einem Teilbereich des optischen Ringresonators 1802 vorhanden. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform weist die obere Elektrode 1803 eine halbmondförmige Gestalt auf, die einen Teilbereich des optischen Ringresonators 1802 bedeckt, wobei ein Viertelwellen-HF-Resonator gebildet wird.
In dem Pump-Pfad ist der optische Pumpphoton-Ringresonator 1810a optisch mit einem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 1804 gekoppelt, und der optische Pumpphotonen-Ringresonator 1810b ist optisch mit einem Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 1814 gekoppelt. Die optischen Pumpphotonen-Ringresonatoren 1810a und 1810b sind optisch mit dem optischen Ringresonator 1802 gekoppelt. Die Begriffe „erster“ und „zweiter“ können hierin auch verwendet werden, wenn auf die optischen Pumpphotonen-Ringresonatoren 1810a beziehungsweise 1810b Bezug genommen wird. Wie in 18 gezeigt, führt der Pumpphotonen-Wellenleiter 1804 optische Eingabe-Pumpphotonen (mit einer Frequenz fp) zu dem optischen Pumpphotonen-Ringresonator 1810a. Der Pump-Pfad setzt sich durch den optischen Ringresonator 1802 hindurch fort. Ein Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 1806 ist optisch mit dem optischen Ringresonator 1802 gekoppelt. Wie in 18 gezeigt, führt ein Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 1806 Eingabe-Mikrowellenphotonen mit der Frequenz f_HF zu dem optischen Ringresonator 1802. Entlang des Pump-Pfads laufen die optischen Pumpphotonen dann durch den optischen Pumpphotonen-Ringresonator 1810b hindurch und über den Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 1814 aus dem mikrowellen-optischen Wandler 1800 heraus.
Wie vorstehend angegeben, wird das optische Pumpphotonen-Eingabesignal (fp) in ein Ausgabesignal mit der Frequenz (f_S) umgewandelt, wobei f_S = f_P - f_HF. Wie in 18 gezeigt, ist der optische Signalphotonen-Ringresonator 1812a in dem Signal-Pfad optisch mit dem optischen Ringresonator 1802 und mit dem optischen Signalphotonen-Ringresonator 1812b gekoppelt. Der optische Signalphotonen-Ringresonator 1812b ist optisch mit dem optischen Signalphotonen-Ringresonator 1812c gekoppelt, der wiederum mit einem Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter 1816 gekoppelt ist. Die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ können hierin auch verwendet werden, wenn auf die optischen Signalphotonen-Ringresonatoren 1812a, 1812b beziehungsweise 1812c Bezug genommen wird. Das Ausgabesignal (fs) läuft entlang des Signal-Pfads von dem optischen Ringresonator 1802 durch den optischen Signalphotonen-Ringresonator 1812a, 1812b und 1812c hindurch und über den Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter 1816 aus dem mikrowellen-optischen Wandler 1800 hinaus.
In der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben, weisen der optische Ringresonator 1802, die optischen Pumpphotonen-Ringresonatoren 1810a,b, die optischen Signalphotonen-Ringresonatoren 1812a,b,c, der Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 1804, der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 1806, der Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 1814 sowie der Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter 1816 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform jeweils einen Kern auf, der aus einem ersten Material (z.B. aus SiGe) gebildet ist, das von einem zweiten/anderen Material mit einem niedrigeren Brechungsindex (z.B. Si) umgeben ist, und können auf einem Substrat mit einem niedrigen Brechungsindex ausgebildet sein (z.B. Saphir, Diamant, SiC und/oder GaN). Bei dem optischen Ringresonator 1802 ist ein Evaneszenz-Element, das eine Breitenmodulation aufweist, um das Intrakavitätsgitter zu bilden, in der gleichen Schicht strukturiert wie der Kern. Wenngleich die 4 bis 13 (vorstehend beschrieben) die Bildung einer Auslegung für einen mikrowellen-optischen Wandler darstellen, der einen einzelnen optischen Ringresonator aufweist, wird ein Fachmann erfassen, dass diese gleichen Techniken in der gleichen Weise wie beschrieben eingesetzt werden können, um mehrere optische Ringresonatoren und Eingabe-/Ausgabe-Wellenleiter zu bilden.
19 ist eine Darstellung, die eine exemplarische Methodik 1900 für eine mikrowellen-optische Wandlung zeigt. In Schritt 1902 wird ein mikrowellen-optischer Wandler bereitgestellt, der einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter aufweist, der optisch mit einem Mikrowellen-Signal-Wellenleiter gekoppelt ist. Bei einer exemplarischen Ausführungsform wird die Methodik 1900 zum Beispiel unter Verwendung des mikrowellen-optischen Wandlers 100 (von 1) durchgeführt, der einen einzelnen optischen Ringresonator 102 aufweist. Alternativ wird die Methodik 1900 bei einer anderen exemplarischen Ausführungsform unter Verwendung des mikrowellen-optischen Wandlers 1800 (von 18) durchgeführt, der mehrere optische Ringresonatoren aufweist, die gesonderte Pump- und Signal-Pfade bilden, die optisch mit dem optischen Ringresonator 1802 gekoppelt sind. Ungeachtet dessen, welche Wandler-Auslegung eingesetzt wird, weist der Wandlungs-Resonator (d.h. der optische Ringresonator 102 oder der optische Ringresonator 1802) ein Evaneszenz-Element mit einer Breitenmodulation auf, um das Intrakavitätsgitter zu bilden, das in der gleichen Schicht strukturiert wird wie der Kern (siehe vorstehend).
In Schritt 1904 werden dem optischen Ringresonator über einen Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter optische Pumpphotonen mit einer Frequenz fp zugeführt. Bei einer exemplarischen Ausführungsform wird die Methodik 1900 zum Beispiel unter Verwendung des mikrowellen-optischen Wandlers 100 (von 1) durchgeführt, so dass dadurch der Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 optisch direkt mit dem optischen Ringresonator 102 gekoppelt ist. In diesem Fall verläuft der Pump-Pfad der optischen Pumpphotonen durch den Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 104 hindurch zu dem optischen Ringresonator 102. Alternativ wird die Methodik 1900 bei einer anderen exemplarischen Ausführungsform unter Verwendung des mikrowellen-optischen Wandlers 1800 (von 18) durchgeführt, der gesonderte Pump- und Signal-Pfade aufweist, die optisch mit dem optischen Ringresonator 1802 gekoppelt sind. In diesem Fall verläuft der Pump-Pfad der optischen Pumpphotonen über einen gesonderten Pump-Pfad durch den Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 1804 und den optischen Pumpphotonen-Ringresonator 1810a hindurch zu dem optischen Ringresonator 1802. Die optischen Pumpphotonen, die aus dem optischen Ringresonator 1802 austreten, laufen durch den optischen Photonen-Ringresonator 1810b und den Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter 1814 hindurch.
Wie vorstehend angegeben, gibt es für eine gegebene Pumpphotonen-Frequenz fp im Allgemeinen zwei (d.h. eine blau-verstimmte und eine rot-verstimmte) optische Resonanzen in Bezug auf die Frequenz der optischen Eingabe-Pumpphotonen (fp), an welche die optischen Pumpphotonen koppeln können, so dass der Umwandlungswirkungsgrad abnimmt. Das Intrakavitätsgitter in dem optischen Ringresonator (d.h. dem optischen Ringresonator 102 oder 1802) stört eine der optischen Resonanzen, d.h. die blaue Nachbarmode bei der nicht genutzten Resonanzordnung f_G, so dass dadurch ein hoher Umwandlungswirkungsgrad von (f_P) → (f_S) ermöglicht wird.
In Schritt 1906 werden dem optischen Ringresonator über den Mikrowellen-Signal-Wellenleiter Eingabe-Mikrowellenphotonen mit der Frequenz f_HF zugeführt. Bei einer exemplarischen Ausführungsform wird die Methodik 1900 zum Beispiel unter Verwendung des mikrowellen-optischen Wandlers 100 (von 1) durchgeführt, und die Eingabe-Mikrowellenphotonen werden dem optischen Ringresonator 102 über den Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 zugeführt. Alternativ wird die Methodik 1900 bei einer anderen exemplarischen Ausführungsform unter Verwendung des mikrowellen-optischen Wandlers 1800 (von 18) durchgeführt, und die Eingabe-Mikrowellenphotonen werden dem optischen Ringresonator 102 über den Mikrowellen-Signal-Wellenleiter 106 zugeführt.
In Schritt 1908 werden die optischen Pumpphotonen mit der Frequenz fp unter Verwendung der Eingabe-Mikrowellenphotonen mit der Frequenz f_HF in ein Ausgabesignal mit der Frequenz f_S umgewandelt, wobei f_S = f_P - f_HF. In dem Fall des mikrowellen-optischen Wandlers 1800 wird das Ausgabesignal mit der Frequenz (fs) dann über einen gesonderten Signal-Pfad durch den optischen Signalphotonen-Ringresonator 1812a, 1812b und 1812c und über den Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter 1816 aus dem mikrowellen-optischen Wandler 1800 heraus extrahiert.
Es ist anzumerken, dass die optischen Ringresonatoren 1810a/1810b mit Pumpphotonen-Pfaden, die mit dem optischen Ringresonator 1802 koppeln, bei fp resonant sind und die optischen Ringresonatoren 1812a, 1812b und 1812c mit einem Signal-Pfad, die mit dem optischen Ringresonator 1802 koppeln, bei fs resonant sind, so dass Pump- gegen Signal-Pfade getrennt werden. Wie in 18 gezeigt, weisen die optischen Ringresonatoren 1810a/1810b mit Pumpphotonen-Pfaden und die optischen Ringresonatoren 1812a, 1812b und 1812c mit einem Signalpfad andere Radien als der optische Ringresonator 1802 auf und weisen daher nicht den gleichen freien Spektralbereich auf und weisen lediglich überlappende Resonanzen bei den gewünschten Frequenzen auf. Die Photonen wandern daher auf spezifischen Frequenzpfaden in den optischen Ringresonator 1802 hinein und aus diesem heraus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9316787 [0030]

Claims

Mikrowellen-optischer Wandler, der aufweist einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter; und einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 1, wobei der optische Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter aufweist: einen Kern; und ein Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 1, wobei das Evaneszenz-Element aufweist: einen Basis-Teilbereich; und einen Breitenmodulations-Teilbereich mit einer Breite, die entlang einer dem Kern gegenüberliegenden Oberfläche des Basis-Teilbereichs fortlaufend moduliert ist, um das Intrakavitätsgitter zu bilden.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 3, wobei das Intrakavitätsgitter eine Sägezahn-Struktur aufweist.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 3, wobei der Kern und das Evaneszenz-Element von einem Umhüllungsmaterial umgeben sind.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 3, wobei der Kern und das Evaneszenz-Element Siliciumgermanium (SiGe) aufweisen und wobei das Umhüllungsmaterial Silicium (Si) aufweist.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 1, wobei der optische Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter und der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter auf einem Substrat ausgebildet sind, das ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Saphir, Diamant, Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) sowie Kombinationen derselben.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 1, der des Weiteren aufweist: mehrere optische Pumpphotonen-Ringresonatoren, die optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt sind, wobei sie einen gesonderten Pumpphotonen-Pfad bilden; und mehrere optische Signalphotonen-Ringresonatoren, die optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt sind, wobei sie einen gesonderten Signalphotonen-Pfad bilden.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 8, der des Weiteren aufweist: einen Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter; einen Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter; einen ersten optischen Pumpphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; und einen zweiten optischen Pumpphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 8, der des Weiteren aufweist: einen Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter; einen ersten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; einen zweiten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem ersten optischen Signalphotonen-Ringresonator gekoppelt ist; und einen dritten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem zweiten optischen Signalphotonen-Ringresonator und mit dem Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter gekoppelt ist.
Mikrowellen-optischer Wandler, der aufweist: einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter, der einen Kern sowie ein Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern aufweist; einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; mehrere optische Pumpphotonen-Ringresonatoren, die optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt sind, wobei sie einen gesonderten Pumpphotonen-Pfad bilden; und mehrere optische Signalphotonen-Ringresonatoren, die optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt sind, wobei sie einen gesonderten Signalphotonen-Pfad bilden.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 11, wobei das Evaneszenz-Element aufweist: einen Basis-Teilbereich; und einen Breitenmodulations-Teilbereich mit einer Breite, die entlang einer dem Kern gegenüberliegenden Oberfläche des Basis-Teilbereichs fortlaufend moduliert ist, um das Intrakavitätsgitter zu bilden.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 11, wobei der Kern und das Evaneszenz-Element von einem Umhüllungsmaterial umgeben sind.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 13, wobei der Kern und das Evaneszenz-Element SiGe aufweisen und wobei das Umhüllungsmaterial Si aufweist.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 11, wobei der optische Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter, der Mikrowellen-Signal-Wellenleiter, die mehreren optischen Pumpphotonen-Ringresonatoren und die mehreren optischen Signalphotonen-Ringresonatoren auf einem Substrat ausgebildet sind, das ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Saphir, Diamant, SiC, GaN sowie Kombinationen derselben.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 11, der des Weiteren aufweist: einen Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter; einen Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter; einen ersten optischen Pumpphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; und einen zweiten optischen Pumpphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist.
Mikrowellen-optischer Wandler nach Anspruch 11, der des Weiteren aufweist: einen Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter; einen ersten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; einen zweiten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem ersten optischen Signalphotonen-Ringresonator gekoppelt ist; und einen dritten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem zweiten optischen Signalphotonen-Ringresonator und dem Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter gekoppelt ist.
Verfahren zum Bilden eines mikrowellen-optischen Wandlers, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer ersten Si-Schicht auf einem Substrat; Strukturieren der ersten Si-Schicht, um einen strukturierten Teilbereich der ersten Si-Schicht mit einer Form eines optischen Ringresonators auf dem Substrat zu bilden; Abscheiden einer SiGe-Schicht auf dem Substrat über dem strukturierten Teilbereich der ersten Si-Schicht; Strukturieren der SiGe-Schicht zu einem Kern und einem Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern, wobei das Evaneszenz-Element einen Basis-Teilbereich und einen Breitenmodulations-Teilbereich mit einer Breite aufweist, die entlang einer dem Kern gegenüberliegenden Oberfläche des Basis-Teilbereichs fortlaufend moduliert ist, um ein Intrakavitätsgitter zu bilden; Abscheiden einer zweiten Si-Schicht auf dem Substrat über dem Kern und dem Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern; und Strukturieren der zweiten Si-Schicht, um einen strukturierten Teilbereich der zweiten Si-Schicht zu bilden, der den Kern und das Evaneszenz-Element benachbart zu dem Kern umgibt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Substrat ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Saphir, Diamant, SiC, GaN sowie Kombinationen derselben.
Verfahren für eine mikrowellen-optische Wandlung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen eines mikrowellen-optischen Wandlers, der einen optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter und einen Mikrowellen-Signal-Wellenleiter aufweist, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; Zuführen von optischen Pumpphotonen mit einer Frequenz fp zu dem optischen Ringresonator mit einem Intrakavitätsgitter, wobei es zwei optische Resonanzen in Bezug auf die Frequenz der optischen Pumpphotonen (fp) gibt und wobei das Intrakavitätsgitter eine der zwei optischen Resonanzen stört; Zuführen von Eingabe-Mikrowellenphotonen mit der Frequenz f_HF zu dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter über den Mikrowellen-Signal-Wellenleiter; und Umwandeln der optischen Eingabe-Pumpphotonen mit der Frequenz fp in ein Ausgabesignal mit einer Frequenz f_S, wobei f_S = f_P - f_HF.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der mikrowellen-optische Wandler des Weiteren aufweist: einen Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter; einen Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter; einen ersten optischen Pumpphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; und einen zweiten optischen Pumpphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 21, das des Weiteren den Schritt aufweist: Zuführen der optischen Pumpphotonen mit der Frequenz fp zu dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter über einen gesonderten Pump-Pfad durch den Eingabe-Pumpphotonen-Wellenleiter und den ersten optischen Pumpphotonen-Ringresonator hindurch, wobei die optischen Pumpphotonen aus dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter durch den zweiten optischen Pumpphotonen-Ringresonator und den Ausgabe-Pumpphotonen-Wellenleiter austreten.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der mikrowellen-optische Wandler des Weiteren aufweist: einen Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter; einen ersten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem optischen Ringresonator mit dem Intrakavitätsgitter gekoppelt ist; einen zweiten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem ersten optischen Signalphotonen-Ringresonator gekoppelt ist; und einen dritten optischen Signalphotonen-Ringresonator, der optisch mit dem zweiten optischen Signalphotonen-Ringresonator und mit dem Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 23, das des Weiteren den Schritt aufweist: Extrahieren des Ausgabesignals mit der Frequenz fs über einen gesonderten Signal-Pfad durch den ersten optischen Signalphotonen-Ringresonator, den zweiten optischen Signalphotonen-Ringresonator, den dritten optischen Signalphotonen-Ringresonator und den Ausgabe-Signalphotonen-Wellenleiter hindurch.