WO2016026481A1 - Chalkogenidglas/silizium-hybrid-wellenleiter und resonatoren für wellenlängenkonversion - Google Patents

Chalkogenidglas/silizium-hybrid-wellenleiter und resonatoren für wellenlängenkonversion Download PDF

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WO2016026481A1
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waveguide
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Peter Nolte
Jörg SCHILLING
Nicolai GRANZOW
Markus Schmidt
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Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
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    • G02F2203/15—Function characteristic involving resonance effects, e.g. resonantly enhanced interaction

Definitions

  • SOI silicon insulator
  • wavelength division multiplexing method wavelength dispersive multiplexing
  • Each carrier wavelength corresponds to an information channel, via which the information is transmitted coded as light pulses.
  • the generation of many sharply limited carrier frequencies is necessary, which can propagate through the silicon waveguides.
  • an important objective is the monolithic union of light source, light modulation, light pipe, and light detection on a substrate. As a light source, because of the required high light intensity usually only one laser in question.
  • nonlinear optical processes such as difference or sum frequency generation or four-wave mixing can be used.
  • the intense wavelength emitted by the laser hereinafter referred to as the pump wavelength
  • a nonlinear optical material having second- or third-order susceptibility ⁇ (2) , ⁇ (3)
  • frequency combs Of particular interest for the generation of different spectrally closely lying wavelengths (so-called "frequency combs") is the four-wave mixing or simplifies in particular the degenerate four-wave mixing.
  • slotted waveguides and ring resonators are known, which, however, are aimed at the majority of the construction of optical modulators, wherein the refractive index of a nonlinear optical material is varied due to high intensity or an applied voltage.
  • organic polymers are used (US 8,340,486 Bl; US2007 / 0035800 AI).
  • the invention was based on the problem to increase the efficiency of degenerate four-wave mixing in SOI waveguides and by exploiting a high ⁇ (3) more
  • the invention should make it possible to transmit a signal from one wavelength to another.
  • the problem was solved according to the invention by means of a combination of silicon (Si) waveguides, which are located on a silicon oxide layer (SiO 2), with chalcogenide glasses (eg As 2 S 3 ) which have a high third order optical nonlinearity ( ⁇ (3) ) , Using the established silicon technology, the Si waveguides are made to allow the light pipe. The optical non-linearity of the chalcogenide glass is used to generate new wavelengths of light via the nonlinear optical four-wave mixing process.
  • Si silicon
  • SiO 2 silicon oxide layer
  • chalcogenide glasses eg As 2 S 3
  • ⁇ (3) third order optical nonlinearity
  • the technical solution consists of a ring or racetrack resonator, which is constructed of a slotted waveguide and the slot of a
  • FOM Re [% (3) ] / lm [x (3) ]
  • S 3 is one such material.
  • the slit waveguide consists of two separated narrower Si strips which have a spacing of a few 10 to a few 100 nm ("the slit”.)
  • a straight classic Si strip waveguide extends in the immediate vicinity of the resonator slotted waveguide on one side of the resonator.
  • the slotted waveguide resonator and the bus waveguide in the region of the resonator are completely covered with the chalcogenide glass (eg As ⁇ ).
  • the chalcogenide glass completely fills the slit of the slit waveguide (Embodiment 1)
  • the degenerate four-wave mixing which is particularly efficient in the slit waveguides and resonators is used an intense pump wavelength and a (generally) black Cheren signal wavelength, a third, different from the first two Idlerwellengue.
  • Light frequencies spectrally closely adjacent e.g. occur in the near infrared.
  • Bus waveguide coupled.
  • the waves reach the area of the ring or
  • Racetrack resonators can inject pump and signal wave via the evanescent portions of the mode in the adjacent resonator.
  • the electric fields of the TE polarized modes concentrate in the slot ( Figure 2). This effect is particularly strong when the refractive index of the infiltrated material is low.
  • This field concentration in the slot which is infiltrated with the chalcogenide glass (eg As 2 S 3 ), leads to increased nonlinear optical processes and efficient degenerate four-wave mixing, from which the idler frequency already considered as new Light frequency is generated. Due to the closed ring structure, there is also an amplification of the light fields due to the resonator effect. For light with certain frequencies (resonance frequencies), there is a constructive interference of the rotating waveguide mode, so that their field increases greatly.
  • the structure according to the invention has the following advantages in comparison with the previously known structures and methods for optical information processing: 1) The use of a slotted waveguide results in field concentration in the slit where the nonlinear optically active material is placed, which supports efficient four-wave mixing.
  • the chalcogenide glasses have high x (3) values and are therefore suitable materials for four-shaft mixing processes. In addition, unlike organic polymers, they are still relatively stable even at higher light intensities. 5)
  • the chalcogenide glass As 2 S 3 is optimal for functioning as a nonlinear optical material in this structure and in the near-infrared spectral range around 1500 nm. The linear absorption of As 2 S 3 starts at ⁇ ⁇ 700 nm. This means that As 2 S3 has no two-photon absorption for ⁇ > 1400 nm. So it has to Si in this
  • the silicon waveguides including the ring resonator or racetrack resonator, are fabricated from silicon-on-insulator (SOI) substrate by making the slit waveguide forming the ring or racetrack resonator and the adjacent one
  • SOI silicon-on-insulator
  • the structure is tempered after the chalcogenide glass deposition under an inert gas atmosphere at temperatures between 200 ° C and 400 ° C.
  • an argon atmosphere with a pressure of 50 bar and a process temperature of about 300 ° C has proven.
  • the chalcogenide glass which is flowable at a higher temperature is pressed into the slot at this high pressure.
  • the chalcogenide glass remains in the slot and the fully infiltrated structure is completed.
  • This process corresponds to an adaptation of the injection molding process to chalcogenide glasses and nanostructured geometries and can therefore be referred to as nano-injection molding ("nano-injection molding").
  • Slotted waveguide racetrack resonators could be detected experimentally.
  • 2 continuous wave laser sources were tuned to the resonance wavelengths 1549.7 nm and 1550.9 nm and fed via the bus waveguide into the resonator.
  • the spectrum of Fig. 4 was detected, containing 2 newly formed idler wavelengths at 1548.5 nm and at 1552.1 nm. Since the two injected frequencies have nearly the same intensity, they can interchange the roles of pump wavelength.
  • the pump wavelength is 1549.7 nm and the signal wavelength is assumed to be 1550.9 nm
  • the idler wavelength at 1548.5 nm arises
  • Idler wavelength at 1552.1 nm arises when the pump wavelength is assumed to be 1550.9 nm and the signal wavelength at 1549.7 nm. Since both processes are possible, both idler wavelengths are created. The so far illustrated operation corresponds to a parametric amplifier. In addition to the newly formed Idlerwelleneedin the signal wavelength is further amplified.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of FIG. 1:
  • Ring or racetrack resonator of As 2 S 3 infiltrated and covered Si slotted waveguide adjacent to the straight Si strip waveguide.
  • the left-hand detail shows the waveguide profile (cross section) of the ring or racetrack resonator.
  • the right-hand detail drawing shows the waveguide profile in the coupling region between solid straight Si strip waveguide and slit waveguide of the ring or racetrack resonator.
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of FIG. 1
  • FIG. 3 a
  • FSR free spectral ranks
  • FIG. 3 b
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of FIG. 4
  • the two idler wavelengths at 1548.5 nm and 1552.1 nm respectively result from the fact that once the intense wavelength at 1549.7 nm acts as pump and once as signal wavelength, while the wavelength at 1550.9 nm then either the signal or pump wavelength represents.

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Abstract

Es bestand die Aufgabe, die Effizienz des Entarteten Vier-Wellenmischens in SOI-Wellenleitern zu erhöhen. Das Problem wurde mittels geschlitzter Silizium (Si)-Wellenleitern, die auf einer Siliziumoxidschicht (Si02) liegen und mit Chalcogenidgläsern (z.B. As2S3) infiltriert und bedeckt sind, gelöst. Zur Steigerung der Effizienz wurden diese Wellenleiter zu Ring- oder Racetrack-Resonatoren geformt. Chalkogenidgläser wurden aufgrung ihrer hohen optischen Nichtlinearität dritten Ordnung (X (3)) gewählt.

Description

Chalkogenidglas/Silizium-Hybrid-Wellenleiter und Resonatoren für Wellenlängenkonversion
Zur Weiterleitung und Verteilung von Informationen zwischen und auf elektronischen Computerchips werden bekanntermaßen bisher elektrische Ströme in elektrischen
Leiterbahnen verwendet. Insbesondere bei hohen Taktfrequenzen kommt es dabei zum Anstieg des Energieverbrauchs und der Wärmeproduktion. Zudem ist eine weitere
Beschleunigung der Rechengeschwindigkeit auf diesem konventionellen Weg begrenzt.
Als neue Variante der Informationsverteilung wird daher in Zukunft mehr und mehr die optische Informationsverarbeitung an Bedeutung gewinnen und weiterentwickelt werden. Dazu sollen ähnlich wie im etablierten Glasfasernetz die Informationen in Lichtpulsen codiert werden, die auf einen optischen Chip weitergeleitet und verarbeitet werden. Als Plattform für solche optischen Chips hat sich in letzten Jahren das SOI-System (Siliziumisolator (Silicon on insulator)) etabliert. SOI besteht aus einer einige 100 nm dünnen Siliziumschicht, die auf einer einige Mikrometer dicken Siliziumoxidschicht aufgebracht ist. Da Silizium im infraroten Spektralbereich transparent ist und einen deutlich höheren Brechungsindex als Siliziumoxid besitzt, können die zur Informationsverarbeitung benutzten nahinfraroten Lichtpulse in der Siliziumschicht propagieren. Um die Ausbreitung des Lichts in der dünnen Siliziumschicht zu steuern, werden schmale Streifen aus der Siliziumschicht herauspräpariert, die dann als Wellenleiter fungieren und die das infrarote Licht leiten.
Um hohe Informationsdichten in ein und demselben Wellenleiter transportieren zu können, werden verschiedene Lichtwellenlängen eingesetzt (WDM-Wellenlängen-Multiplex- Verfahren (wavelength dispersive multiplexing)). Dabei entspricht jede Trägerwellenlänge einem Informationskanal, über den die Information als Lichtpulse codiert transportiert wird. Um hohe Informationsdichten zu erzielen, ist also die Erzeugung von vielen scharf begrenzten Trägerfrequenzen nötig, die durch die Siliziumwellenleiter propagieren können. Um effiziente und billige optische Chips zu entwickeln, ist eine wichtige Zielsetzung die monolithische Vereinigung von Lichtquelle, Lichtmodulation, Lichtleitung und Lichtdetektion auf einem Substrat. Als Lichtquelle kommt wegen der benötigten hohen Lichtintensität meist nur ein Laser in Frage. Um aus der einzelnen intensiven Wellenlänge, die der Laser zur Verfügung stellt, viele verschiedene Lichtwellenlängen (WDM) zu generieren, können nichtlineare optische Prozesse wie die Differenz- oder Summenfrequenzerzeugung oder das Vier-Wellen-Mischen verwendet werden. Dazu ist es nötig, dass die vom Laser emittierte intensive Wellenlänge (nachfolgend als Pumpwellenlänge bezeichnet) durch ein nichtlinear optisches Material, das eine Suszeptibilität zweiter oder dritter Ordnung aufweist (χ(2), χ(3)), läuft. Von besonderem Interesse für die Erzeugung verschiedener spektral recht dicht liegender Wellenlängen (sogenannte„Frequenzkämme") ist dabei das Vier-Wellen-Mischen oder vereinfacht insbesondere das Entartete Vier-Wellenmischen.
Bekannt ist der Einsatz von Schlitzwellenleitern und Ringresonatoren, welche jedoch mehrheitlich den Bau optischer Modulatoren zum Ziel haben, wobei der Brechungsindex eines nichtlinerar optischen Materials aufgrund höher Intensität oder einer angelegten Spannung variiert wird. Als infiltrierte Materialien werden hierbei organische Polymere eingesetzt (US 8.340.486 Bl; US2007/0035800 AI).
Der Erfindung lag das Problem zu Grunde, die Effizienz des Entarteten Vier-Wellenmischens in SOI-Wellenleitern zu erhöhen und durch Ausnutzung eines hohen χ (3) weitere
Lichtwellenlängen zu erzeugen, die als weitere Kanäle für die Informationsübertragung dienen können. Des Weiteren sollte die Erfindung es ermöglichen, ein Signal von einer Wellenlänge auf eine andere zu übertragen.
Das Problem wurde erfindungsgemäß mittels einer Kombination von Silizium (Si)- Wellenleitern, die auf einer Siliziumoxidschicht (Si02) liegen, mit Chalcogenidgläsern (z.B. As2S3), die eine hohe optische Nichtlinearität dritter Ordnung aufweisen (χ (3)), gelöst. Unter Anwendung der etablierten Silizium-Technologie werden die Si-Wellenleiter hergestellt, um die Lichtleitung zu ermöglichen. Die optische Nichtlinearität des Chalcogenidglases wird genutzt, um neue Lichtwellenlängen über den nichtlinear optischen Vier-Wellen- Mischprozess zu generieren.
Erfindungsgemäß besteht die technische Lösung aus einem Ring-oder Racetrack-Resonator, der aus einem Schlitzwellenleiter aufgebaut ist und dessen Schlitz von einem
Chalkogenidglas mit hohem χ (3) und hoher nichtlinear optischer„figure of merit" (FOM=Re[%(3)]/lm[x(3)]) infiltriert ist (Figur 1) . As2S3 ist ein solches Material. Dabei besteht der Schlitzwellenleiter aus zwei separierten schmaleren Si-Streifen, die einen Abstand von einigen 10 bis einigen 100 nm aufweisen („der Schlitz"). Auf einer Seite des Resonators verläuft in unmittelbarer Nähe des Resonator-Schlitzwellenleiters ein gerader klassischer Si- Streifenwellenleiter. Dieser fungiert als Bus-Wellenleiter für die Ein- und Auskopplung des infraroten Lichtes in und aus dem Resonator. Der Schlitzwellenleiter-Resonator und der Bus- Wellenreiter im Bereich des Resonators sind vollständig mit dem Chalkogenidglas (z.B. As^) bedeckt. Von Bedeutung ist, dass das Chalkogenidglas den Schlitz des Schlitzwellenleiters komplett ausfüllt (Ausführungsbeispiel 1). Als Basis für die nichtlinear optische Lichterzeugung wird das entartete Vier-Wellen-Mischen benutzt, das in den Schlitzwellenleitern und Resonatoren besonders effizient auftritt. Bei dem entarteten Vier Wellen-Mischen entsteht aus einer intensiven Pumpwellenlänge und einer (im Allgemeinen) schwächeren Signalwellenlänge eine dritte, von den beiden ersten verschiedene Idlerwellenlänge. Dabei muss folgende Beziehung zwischen den
Lichtfrequenzen erfüllt sein:
Figure imgf000005_0001
Aufgrund dieser Beziehung zwischen den Lichtfrequenzen können alle 3 beteiligten
Lichtfrequenzen spektral eng benachbart z.B. im nahen Infrarot auftreten.
Zur Nutzung dieses Effekts in der vorgeschlagenen Struktur werden die intensive
Pumpfrequenz und die vorzugsweise ebenfalls intensive Signalfrequenz in den
Buswellenleiter eingekoppelt. Erreichen die Wellen den Bereich des Ring- oder
Racetrackresonators können Pump- und Signalwelle über die evaneszenten Anteile der Mode in den benachbarten Resonator einkoppeln. Im Schlitzwellenleiter des Resonators konzentrieren sich die elektrischen Felder der TE-polarisierten Moden im Schlitz (Figur 2). Dieser Effekt ist insbesondere stark, wenn der Brechungsindex des infiltrierten Materials niedrig ist.
Durch diese Feldkonzentration im Schlitz, der mit dem Chalkogenidglas (z.B. As2S3) infiltriert ist, kommt es zu verstärkten nichtlinear optischen Prozessen und einem effizienten entarteten Vier-Wellen-Mischen, aus dem die schon betrachtete Idlerfrequenz als neue Lichtfrequenz erzeugt wird. Aufgrund der geschlossenen Ringstruktur kommt es außerdem zu einer Verstärkung der Lichtfelder aufgrund des Resonatoreffektes. Für Licht mit bestimmten Frequenzen (Resonanzfrequenzen) kommt es zur konstruktiven Interferenz der umlaufenden Wellenleitermode, so dass sich deren Feld stark erhöht. Diese
Resonanzfrequenzen eines As2S3-infiltrierten Racetrackresonators wurden in einem
Transmissionsspektrum, das an einem Buswellenleiter gemessen wurde, bereits beobachtet.
Für Q-Faktoren im Bereich von 100 000 bedeutet dies, dass die Feldstärke der Lichtmode im Schlitzwellenleiter-Resonator 100 000 mal stärker ist als das eingekoppelte Licht. Davon profitiert das entartete Vier-Wellen-Mischen als nichtlinear optischer Prozess besonders. Wichtig für die Funktion ist daher, dass alle 3 Lichtfrequenz (pump, Signal und idler) auf
Resonanzen fallen. Nur dann können sie im Resonator verstärkt werden. Da die Resonanzen aber im gesamten Spektralbereich auftreten und abgesehen von Dispersionseffekten immer denselben spektralen Abstand (FSR) aufweisen, ist eine Erfüllung der Frequenzbedingung von Formel (1) möglich. Nach theoretischen Berechnungen ist die in Ausführungsbeispiel 2 dargestellte Geometrie auch geeignet, als parametrischer Oszillator zu fungieren. Dazu wird nur eine einzelne sehr intensive Pumpwellenlänge in eine Resonanzfrequenz eingestrahlt. Die Funktion der Signalwellenlänge übernimmt dann das immer vorhandene elektromagnetische Rauschen. Sobald ein Signal (Rausch)photon mit 2 Pumpphotonen über den ProzessProzess des entarteten Vier-Wellen-Mischens„reagiert", werden ein Idlerphoton und ein weiteres Signalphoton erzeugt. Sind die Verluste des Resonators gering genug, können diese jetzt vorhandenen 2 Signalphotonen weiterhin den Prozess des entarteten Vier-Wellen-Mischens befeuern, so dass letztendlich intensive Signal- und Idlerwellen entstehen. Eine notwendige Bedingung dafür ist, dass die nichtlinear optische„figure of merit" (FOM=Re[I3]/lm[l3]) für den As2S3-infiltrierten Schlitzwellenleiter größer als 1 ist. Berechnungen basierend auf dem Modenprofil haben ergeben, dass ein optimaler mit As2S3 infiltrierte Schlitzwellenleiter eine FOM = 1,3 aufweist und damit diese notwendige Bedingung erfüllen kann. Entscheidend für die Funktion des Oszillators ist aber auch weiterhin, dass die weiteren Verluste z.B. durch Streuung minimiert werden können und letztendlich zu noch höheren -Faktoren führen. Die erfindungsgemäße Struktur weist im Vergleich zu den bisher bekannten Strukturen und Verfahren zur optischen Informationsverarbeitung folgende Vorteile auf: 1) Der Einsatz eines Schlitzwellenleiters führt zur Feldkonzentration im Schlitz, wo das nichtlinear optisch aktive Material platziert ist, welches ein effizientes Vier-Wellen-Mischen unterstützt.
2) Der Einsatz eines Resonators mit hohem Q-Faktor (ca. 100 000) führt zu einer vielfachen Verstärkung des Feldes im Resonator, wodurch das Vier-Wellen-Mischen auch effizient ist, wenn Dauerstrichlaser mit geringer Leistung im mW-Bereich als Quellen eingesetzt werden.
3) Die„Aufgabenteilung" in dieser Hybridstruktur erlaubt die optimale Ausnutzung der jeweiligen Materialvorteile: Der hohe Brechungsindex von Si und die weitentwickelte Fabrikationstechnologie für Si bewirkt die Formung der Wellenleiter. Der nichtlinear optische Prozess läuft dagegen hauptsächlich im infiltrierten Chalkogenidglas ab.
4) Die Chalkogenidgläser haben hohe x(3)-Werte und sind daher geeignete Materialien für Vier-Wellen-Misch-Prozesse. Zudem sind Sie im Gegensatz zu organischen Polymeren auch bei höheren Lichtintensitäten noch relativ stabil. 5) Insbesondere das Chalkogenidglas As2S3 ist für die Funktion als nichtlinear optisches Material in dieser Struktur und in nahinfraroten Spektralbereich um 1500 nm optimal. Die lineare Absorption von As2S3 setzt für λ< 700 nm ein. Das bedeutet, dass As2S3 für λ> 1400 nm keine Zwei-Photonen Absorption aufweist. Damit hat es gegenüber Si in diesem
Spektralbereich einen deutlichen Vorteil, was sich auch in einer lOOmal höheren
nichtlinearen FOM für AS2S3 gegenüber Si im Spektralbereich um 1500 nm ausdrückt. Damit ist As2S3 deutlich besser geeignet für nichtlinear optische Prozesse im nahen IR als Si.
Ausführungsbeispiele
1. Die Siliziumwellenleiter inklusive des Ring- oder Racetrackresonators werden aus SOI-Substrat („silicon-on-insulator") hergestellt. Dazu werden der Schlitzwellenleiter, der den Ring- oder Racetrackresonator bildet, und der benachbarte
Streifenwellenleiter mittel e-beam-Lithographie definiert und nachfolgend mittels eines Plasmaätzprozesses aus der dünnen Si-top-schicht (SOI device layer) herausgeätzt. Anschließend wird das Chalkogenidglas (im speziellen As2S3) auf den präparierten Si-Wellenleitern abgeschieden. Dies kann über verschiedene Prozesse geschehen z.B. sol-gel spin coating, gepulste Laser-Abscheidung (PLD) und insbesondere thermische Verdampfung. Damit wird eine As2S3-Bedeckung der Wellenleiter erreicht. Der schmale Schlitz im Schlitzwellenleiter oder der kleine Abstand zwischen Ring-Resonator und Bus-Wellenleiter wird dabei aber im
Allgemeinen nicht komplett ausgefüllt. Um die nötige vollständige Infiltration des Chalkogenidglases in den schmalen Schlitz zu gewährleisten, wird die Struktur nach der Chalkogenidglasabscheidung unter inerter Gasatmosphäre bei Temperaturen zwischen 200°C und 400°C getempert. Insbesondere hat sich bei diesem Prozess eine Argonatmosphäre mit einem Druck von 50bar und eine Prozesstemperatur von ca. 300°C bewährt. Dabei wird das bei höherer Temperatur fließfähige Chalkogenidglas bei diesem hohen Druck in den Schlitz hineingepresst. Nach dem Abkühlen verbleibt das Chalkogenidglas in dem Schlitz und die vollständig infiltrierte Struktur ist fertiggestellt. Dieser Prozess entspricht einer Adaption des Spritzgußverfahrens auf Chalkogenidgläser und nanostrukturierte Geometrien und kann daher als Nano- Spritzgußverfahren („Nano-injection molding") bezeichnet werden.
Die Funktionsweise zur effizienten Erzeugung weiterer Lichtfrequenzen
(Idlerfrequenzen) aufgrund von entartetem Vier-Wellen-Mischen in den
Schlitzwellenleiter-Racetrack-Resonatoren konnte experimentell nachgewiesen. Dazu wurden 2 Dauerstrichlaserquellen auf die Resonanzwellenlängen 1549,7 nm und 1550,9 nm abgestimmt und über den Buswellenleiter in den Resonator eingespeist. Am Ausgang des Buswellenleiters wurde das Spektrum von Abb. 4 detektiert, das 2 neu entstandene Idlerwellenlängen bei 1548,5 nm und bei 1552,1 nm enthält. Da die beiden eingespeisten Frequenzen nahezu dieselbe Intensität haben, können sie die Rollen von Pumpwellenlänge vertauschen. So entsteht im ersten Fall, wenn die Pumpwellenlänge bei 1549,7 nm liegt und die Signalwellenlänge demzufolge als 1550,9 nm angenommen wird, die Idlerwellenlänge bei 1548,5 nm. Die
Idlerwellenlänge bei 1552,1 nm entsteht dagegen, wenn die Pumpwellenlänge als 1550,9 nm und die Signalwellenlänge bei 1549,7 nm angenommen wird. Da beide Prozesse möglich sind, entstehen auch beide Idlerwellenlängen. Die bisher dargestellte Funktionsweise entspricht einem parametrischen Verstärker. Neben der neugebildeten Idlerwellenlänge wird auch die Signalwellenlänge weiter verstärkt.
Erläuterungen zu den Figuren
Figur 1:
Ring- oder Racetrack-Resonator aus mit As2S3 infiltriertem und bedecktem Si-Schlitzwellenleiter neben dem geraden Si-Streifenwellenleiter.
Die linke Detailzeichnung zeigt das Wellenleiterprofil (Querschnitt) des Ring-oder Racetrack- Resonators.
Die rechte Detailzeichnung zeigt das Wellenleiterprofil im Kopplungsbereich zwischen massivem geraden Si-Streifenwellenleiter und Schlitzwellenleiter des Ring- oder Racetrack-Resonators.
Figur 2:
Verteilung des elektrischen Feldes der TE-Mode in einem mit As2S3-infiltrierten Schlitzwellenleiter. Deutlich ist die Konzentration des Feldes im infiltrierten Schlitz zu erkennen. Daher läuft dort der nichtlinear optische Prozess des Vier-Wellen-Mischens auch besonders effizient ab.
Figur 3 a:
Ausschnitte aus einem Transmissionsspektrum gemessen an einem Buswellenleiter neben einem As2S3-infiltrierten Racetrackresonator.
Zwei Resonanzen des Racetrackresonators sind klar zu erkennen. Sie sind spektral voneinander um die„free spectral ränge" (FSR) getrennt.
Figur 3 b:
Ausschnitte aus einem Transmissionsspektrum gemessen an einem Buswellenleiter neben einem As2S3-infiltrierten Racetrackresonator.
Die Vermessung der einzelnen Resonanzen ergibt einen Q-Faktor von ca. 100 000.
Figur 4:
Nachweis des entarteten Vier-Wellen-Mischens im As2S3-infiltrierten Schlitzwellenleiter-Resonator. Die beiden Idlerwellenlängen bei 1548,5nm und 1552,1 nm entstehen jeweils dadurch, dass einmal die intensive Wellenlänge bei 1549,7 nm als Pump- und einmal als Signalwellenlänge fungiert, während die Wellenlänge bei 1550,9 nm dann entweder die Signal- oder Pumpwellenlänge darstellt.

Claims

Patentansprüche
1. Integriert-optische Struktur bestehend aus Chalkogenidglas/Si-Hybrid-Wellenleiter und Resonatoren für Wellenlängenkonversion.
2. Integriert-optische Struktur nach Anspruch 1 zur effizienten kohärenten Erzeugung von Licht mit verschiedenen Wellenlängen im nahinfraroten Spektralbereich aus intensivem Licht mit einer oder zwei unterschiedlichen Wellenlängen im
nahinfraroten Spektralbereich.
3. Integriert-optische Struktur nach Anspruch 1 bestehend aus einem Si- Schlitzwellenleiter, der zu einem Ring-oder Racetrack-Resonator geformt wurde.
4. Integriert-optische Struktur nach Anspruch 1 und 3 zur Erzeugung hoher
Feldverstärkungen und -konzentrationen.
5. Integriert-optische Struktur nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur mit einem einem Chalkogenidglas bedeckt und/oder infiltriert wurde.
6. Integriert-optische Struktur nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Chalkogenidglas As2S3 eingesetzt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer integriert-optischen Struktur nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass a) die Abscheidung des Chalkogenidglases, insbesondere As2S3 auf der
Schlitzwellenleiter-Resonatorstruktur erfolgt;
b) die Abscheidung des Chalkogenidglases insbesondere aus der Gasphase erfolgt; c) die Abscheidung über Verdampfung des Chalkogenidglases erfolgt
und
d) die Aufheizung der Struktur auf Temperaturen im Bereich um und über die
Glastemperatur des Chalkogenidglases unter inerter Gasatmosphäre mit hohem Druck und Einpressen des abgeschiedenen Chalkogenidglases in die
nanoskopischen Schlitze der Schlitzwellenleiter erfolgt;
e) das Aufheizen der Chalkogenidstruktur As2S3 auf Temperaturen im Bereich 200 bis 400 °C in einer Argonatmosphäre unter einem Druck größer als 1 bar erfolgt und
f) der Abkühlungsprozess unter inerter Gasatmosphäre bei hohem Druck
durchgeführt wird.
PCT/DE2015/000427 2014-08-18 2015-08-17 Chalkogenidglas/silizium-hybrid-wellenleiter und resonatoren für wellenlängenkonversion WO2016026481A1 (de)

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