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. As ₂ S ₃ ), 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) . As ₂ S ₃ 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:

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. As ₂ S ₃ ) 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 As2S ₃ -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 As ₂ S3-infiltrierten Schlitzwellenleiter größer als 1 ist. Berechnungen basierend auf dem Modenprofil haben ergeben, dass ein optimaler mit As ₂ S ₃ 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 As ₂ S ₃ ist für die Funktion als nichtlinear optisches Material in dieser Struktur und in nahinfraroten Spektralbereich um 1500 nm optimal. Die lineare Absorption von As ₂ S ₃ setzt für λ< 700 nm ein. Das bedeutet, dass As ₂ S3 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 As ₂ S ₃ 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 As ₂ S ₃ ) 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 As ₂ S ₃ -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 As ₂ S ₃ 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 As ₂ S ₃ -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 As ₂ S ₃ -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 As2S ₃ -infiltrierten Racetrackresonator.

Die Vermessung der einzelnen Resonanzen ergibt einen Q-Faktor von ca. 100 000.

Figur 4:

Nachweis des entarteten Vier-Wellen-Mischens im As ₂ S ₃ -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.