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Integrierte Optik auf Silizium

Die integrierte Optik ist ein wachsendes Forschungsgebiet. Hierbei ist die kostengünstige Herstellung unter Verwendung der Siliziumtechnologie von besonderem Interesse für die industrieelle Massenfertigung. Von besonderem Interesse sind optische Strukturen für den Telekommunikationswellenlängenbereich von 1550 nm.

Materialien für die Herstellung optischer Komponenten

Siliziumdioxid hat sich in optischen Glasfasern aufgrund der niedrigen Dämpfung von 0,2 dB/km bewährt. Für eine Herstellung optischer Komponenten zusammen mit CMOS-Komponenten auf dem selben Chip muss die Temperaturbelastung des Substrats mit den vorhandenen Transistorstrukturen gering gehalten werden. Hier ermöglicht die plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung die Herstellung transparenter Schichten bei niedriger Temperaturbelastung. Die hierbei in die Schichten eingebauten Wasserstoffverbindungen erhöhen die Dämpfung der optischen Komponenten im Telekommunikationswellenlängenbereich von 1,5 µm. Durch eine Optimierung der Schichtabscheidung lassen sich Siliziumdioxid und Siliziumoxinitrid mit geringer Dämpfung durch eingebaute Wasserstoffverbindungen herstellen. Hierbei kann der Brechungsindex von Siliziumoxinitird im Bereich von 1,46 bis 2 durch die Gaszusammensetzung bei der Abscheidung eingestellt werden.

Siliziumoxinitrid Mikroresonaten auf Silizium

Mikrodiskresonatoren erreichen hohe Gütefaktoren. Dies ermöglicht vielfältige Möglichkeiten in der Kommunikationstechnik, Sensorik oder zur Untersuchung nichtlinearer optischer Effekte. Durch optimierte Abscheide- und Ätzprozesse wurden Mikroresonatoren aus Siliziumdioxid und Siliziumoxinitrid hergestellt. Hierbei wurden Gütefaktoren bis 106 bei einer Wellenlänge von 1330 nm erreicht. Mikroresonatoren eignen sich aufgrund des hohen Gütefaktors für die Herstellung von Lasern mit niedriger Laserschwelle. Aktuell wird im Fachgebiet an der Realisierung von Erbium dotierten Siliziumoxinitrid Resonatoren geforscht. Diese zeigen eine Emission im Telekommunikationswellenlängenbereich um 1550 nm.

Mit optimieren Herstellungsprozessen integrierter Mikroresonator aus Siliziumoxinitrid (links, mitte), spektrale Antwort des Resonators durch Ankopplung einer ausgedünnten Glasfaser (rechts).

Optische Wellenleiter

Optische Wellenleiter ermöglichen die Verbindung von optischen Komponenten. Über das evanescente Feld des Wellenleiters lässt sich Energie in einen Mikroresonator einkoppeln. Mit Hilfe der Silizium Planartechnik lassen sich unterschiedliche Wellenleitergeometrien mit niedriger Dämpfung herstellen. Hierbei konnten durch optimierte Herstellungsprozesse Wellenleiter mit einer Dämpfung von 0,3 dB/cm realisiert werden. Ziel des aktuellen Forschungsprojekts ist die variable Ankopplung von Mikroresonatoren an integrierte Wellenleiter aus Siliziumoxinitrid.

Mikroresonator mit integrierten Wellenleitern (links), Seitenansicht des prinzipiellen Aufbaus des Resonators mit Wellenleiter und Heizung der Membran (mitte), Prinzipieller Aufbau des Resonators mit Wellenleiter und Heizung der Membran (Ansicht von oben, rechts)
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Förderung

Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs "Mikro und Nanostrukturen in Optoelektornik und Photonik" (GRK 1464) gefördert.

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