Die Silizium auf Isolator (engl.: Silicon on Insulator - SOI) - Photonik hat sich seit einigen Jahren zu einem attraktiven Forschungsgebiet innerhalb der integrierten Optik entwickelt. Der in Silizium auftretende Raman-Effekt ermöglicht die Nutzung von Silizium für optische Verstärker und Laser. Die volle Prozesskompatibilität der SOI-Photonik mit den Prozessen der Mikroelektronik ermöglicht eine hochkompakte Integration elektronischer und photonischer Komponenten auf einem gemeinsamen Substrat.

Ziel dieser durch die DFG geförderten Projekte ist der Entwurf, die Herstellung sowie die Charakterisierung von verlustarmen modulierbaren Wellenleiterdrähten, so genannten Nanowires, und abstimmbaren Elementen wie Mach-Zehnder-Interferometern und Resonatoren auf SOI. Die Wellenleiter werden mittels DUV-Kontaktlithographie oder Nanoimprintlithographie in SOI strukturiert und durch eine nachfolgende Oxidation in ihrem Querschnitt verringert. Durch die glättende Eigenschaft der thermischen Oxidation entsteht eine verlustarme Mantelschicht, die mit einem gegenüber Luft erhöhten Brechungsindexes die Streuverluste vermindert. Der zulässige minimale Krümmungsradius, der für Strukturen mit scharfen Wellenleiterkrümmungen wie z.B. für Koppler, Verzweigungen oder Resonatoren erforderlich ist, wird dabei nicht wesentlich erhöht.

Zur Realisierung von Multiplexsystemen sowie zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen werden abstimmbare Filter- und Schaltelemente, z.B. Ringresonatoren und Mach-Zehnder-Interferometer, benötigt. Die Abstimmung soll auf Basis des thermo-optischen, des elastooptischen und des elektro-optischen Effekts erfolgen. Für die thermo-optische und die elastooptische Verstimmung wurden freistehende SiO₂-Membransysteme entwickelt, auf denen sich die Wellenleiterdrähte sowie dünne Al-Filme beenden. Die Membranen lassen sich für die elasto-optische Verstimmung elektrostatisch bis zum kompletten Umklappen (Pull-In) auslenken. Bei der thermo-optischen Verstimmung garantieren sie sehr gute thermische Isolation zum Substrat. Es konnte so der thermo- und elastooptische Effekt in SOI-Nanowires nachgewisen und ein 1-mW-Schalter realisiert werden.

Kontakt:

Oliver Horn, Dipl.-Ing. Julia Amthor

Veröffentlichungen: 

• Low Power Optic Switch Using SOI-Nanowires; 6th International Conference on Group IV Photonics ; San Francisco, USA, 9-11 September (Paper FC5); J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, A. Savov, J. Müller;
• Thermo-optic and Elasto-optic Tuning of Silicon Nanowires; SPIE Europe Microtechnologies for the New Millennium; Dresden; Germany, 2009; J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, J. Müller
• The Elasto-Optic and the Thermo-Optic Effect in Silicon Nanowires; 5th International Conference on Group IV Photonics ; Sorrento, Italy, 17-19 September (Paper ThP7; pp 265-267 ); J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, J. Müller;
• Thermo-optic and Elasto-optic Tuning of Silicon Nanowires; Workshop on Tunable and Active Silicon Photonics; Hamburg, Germany, 28-30 September (Paper Su8), (2008); J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, J. Müller
• Auslenkbare SiO2-Membranen zur Abstimmung von Si-Nanowires; Mikrosystemtechnik Kongress; Berlin; Germany, 2009; J. Amthor, O. Horn, T. Lipka, A. Savov, J. Müller
• Amorphous Silicon 3-D Tapers for Si Photonic Wires Fabricated With Shadow Masks; IEEE Photonics Technology Letters, vol. 20, no. 17; September 1, 2008; A. Harke, T. Lipka, J. Amthor, O. Horn, M. Krause, and J. Müller
• Silicon Photonic Wires Using Contact Lithography; 5th International Conference on Group IV Photonics; Sorrento, Italy, 17-19 September (Paper ThP5; pp 259-261); O. Horn, J. Müler, T. Lipka, J. Amthor
• Amorphous Silicon Spot-Size Converters Fabricated with a Shadow Mask; 5th International Conference on Group IV Photonics ; Sorrento, Italy, 17-19 September (Paper ThP 23; pp 311-313 ); T. Lipka, A. Harke, O. Horn, J. Amthor, J. Müller, M. Krause
• Tunable Silicon Photonic Wires Fabricated by Contact Lithography and Thermal Oxidation; SPIE Europe Microtechnologies for the New Millennium; Dresden; Germany, 2009; O. Horn, J. Amthor, T. Lipka, J. Müller
• Amorphous silicon as high index photonic material; SPIE Europe Microtechnologies for the New Millennium; Dresden; Germany, 2009; T. Lipka, O. Horn, J. Amthor, J. Müller
• Optical Components fabricated with Amorphous Silicon; Workshop on Tunable and Active Silicon Photonics; Hamburg, Germany, 28-30 September (Paper Su6), (2008); T. Lipka, O. Horn, J. Amthor, J. Müller
• Fabrication of Silicon Photonic Wires Using Contact Lithography and Thermal Oxidation; Workshop on Tunable and Active Silicon Photonics; Hamburg, Germany, 28-30 September (Paper Su7), (2008); O. Horn, J. Amthor, T. Lipka, J. Müller
• Amorphous waveguides for high index photonic circuitry; OFC/NFOEC 2009; San Diego, USA, 2009; T. Lipka, A. Harke, O. Horn, J. Amthor, J. Müller
• Optische Wellenleiter aus amorphem Silizium; Mikrosystemtechnik Kongress; Berlin; Germany, 2009; T. Lipka, A. Harke, O. Horn, J. Amthor, J. Müller