mittleres Infrarotlicht, dessen Wellenlänge länger ist als sichtbares Licht, aber kürzer als Mikrowellen, hat viele wichtige Anwendungen in Fernerkundungs- und Kommunikationstechnologien. Forscher in Japan haben den erfolgreichen Betrieb mehrerer neuer photonischer Komponenten demonstriert, die den Durchtritt von Licht im mittleren Infrarotbereich effektiv steuern können. Die Forschung könnte zu einem schnelleren Internet und sensitiven Detektoren für wichtige Moleküle wie Kohlendioxid führen. das team präsentiert ihre ergebnisse auf der glasfaser-kommunikationskonferenz und ausstellung (ofc), die vom 20. bis 24. märz in anaheim, kalifornien, usa stattfand.

Die Forscher bauten die neuen Komponenten aus dem Material Germanium (ge). Ähnlich wie Silizium, das üblicherweise in der konventionellen Nahinfrarot-Photonik verwendet wird, ist Germanium ein Gruppe-IV-Halbleiter, was bedeutet, dass es sich in der gleichen Spalte des Periodensystems befindet und ähnliche elektrische Eigenschaften aufweist. Germanium hat mehrere Eigenschaften, die es besonders gut geeignet machen, Mittel-Infrarot-Licht zu übertragen und zu leiten, sagte Jian Kang, ein Ph.D. Kandidat in der Takagi-Takaka Gruppe in der Abteilung für Elektrotechnik und Informationssysteme, Universität Tokyo, Japan.

Germanium hat eine hohe optische Transparenz im mittleren Infrarotbereich, so dass mittleres Infrarotlicht leicht hindurchtreten kann. Im Vergleich zu Silizium hat Germanium eine Reihe anderer optisch interessanter Eigenschaften. diese beinhalten einen höheren Brechungsindex, was bedeutet, dass Licht langsamer durch es hindurchgeht. Germanium hat auch eine größere Nichtlinearität dritter Ordnung, ein optischer Effekt, der zum Beispiel zur Verstärkung oder Selbstfokussierung von Lichtstrahlen genutzt werden kann. es hat einen stärkeren freien Träger-Effekt, was bedeutet, dass ladungstragende Elektronen und Löcher in dem Material dazu beitragen können, Licht zu modulieren. Germanium hat auch einen stärkeren thermooptischen Effekt als Silizium, was bedeutet, dass der Brechungsindex leichter mit der Temperatur gesteuert werden kann.

\"Diese Eigenschaften könnten ge-basierte Geräte leistungsfähiger machen oder sogar neue Funktionen im mittleren Infrarotbereich realisieren\", sagt Kang. Darüber hinaus machen neuere Fortschritte bei Lasern aus gespannten und gesenbasierten Materialien Germanium zu einem vielversprechenden Material für die Integration sowohl der Lichterzeugungs- als auch der Lichtlenkkomponenten auf demselben photonischen Chip, so Kang.

Kang und seine Kollegen entwarfen und testeten mehrere fundamentale photonische Wellenleiterkomponenten aus Germanium, darunter Gitterkoppler, mmi-Koppler und Mikroring-Resonatoren. Gitterkoppler werden verwendet, um Licht effizient vom freien Raum in einen Wellenleiter zu koppeln, und umgekehrt, mmi-Koppler werden als Router oder Koppler für die Lichtsignalverarbeitung im Wellenleiter verwendet, und Mikroringresonatoren werden verwendet, um bestimmte Wellenlängen des hindurchtretenden Lichts zu filtern .

Die größte Herausforderung für das Team bestand darin, den Herstellungsprozess des Geräts zu kontrollieren, einschließlich des Polierens und Ätzens des Germaniumwafers, sagte Kang.

\"Derzeit ist die ge Geräteleistung möglicherweise nicht so gut wie die auf dem neuesten Stand der Technik basierenden si-basierten, da das Studium ge-basierter photonischer Komponenten für das mittlere Infrarot recht neu ist und es viele Probleme bei der Optimierung von gibt der Herstellungsprozess \", sagte er. \"Dennoch glauben wir, dass ge-basierte Geräte intrinsische Vorteile haben.\"

Die attraktiven optischen Eigenschaften von Germanium im mittleren Infrarotbereich bedeuten, dass ein optimierter Wellenleiter kompakter sein könnte als ein ähnliches Silizium-Bauelement, was bedeutet, dass mehr Chips in den gleichen Raum passen könnten, bemerkte Kang.

Viele wichtige Moleküle, wie z. B. Kohlendioxid, absorbieren und emittieren Licht im mittleren Infrarot, wenn sie die Schwingungszustände ändern, sodass die Photonik im mittleren Infrarotbereich als Grundlage für neue Sensoren dienen könnte. Mit ge-basierten Sensoren könnten Kohlenstoffemissionen, versteckte Sprengstoffe und Gesundheitszustände wie Lebererkrankungen und Krebs überwacht und erkannt werden, so Kang.

Ge-basierte photonische Chips haben auch das Potenzial, die Bandbreite der optischen Faserkommunikation zu erhöhen. \"In einem allgemeinen Sinne kann es das Internet viel schneller machen\", sagte Kang.

Derzeit arbeiten Kang und seine Kollegen daran, ihre Fertigungstechniken zu verbessern. danach planen sie, mehr Geräte, wie optische Schalter, zu bauen und einen gesn Laser und ge Wellenleiter-Geräte auf demselben Chip zu integrieren.

weiter erforschen: Imec demonstriert 50gh ge Wellenleiter Elektroabsorptionsmodulator

Weitere Informationen: Präsentation: \"Design und Charakterisierung von passiven Wellenleiter-Komponenten auf ge-on-Isolator für mittlere Infrarot-Photonik,\" von Jian Kang, Xiao Yu, Mitsuru Taka und Shinichi Takagi.

bereitgestellt von: optical society of america

Quelle: Phys

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