Deuterium erleichtert die Herstellung optischer Chips erheblich
Ein Forschungsteam aus Singapur hat einen neuartigen Siliziumnitrid-Wellenleiter entwickelt, der auf einem Chip Licht über einen besonders großen Spektralbereich erzeugen kann. Maßgeblich für den Erfolg war das Wasserstoffisotop Deuterium.
Die in Optics Express veröffentlichte Forschungsarbeit stammt von Forschern der Singapore University of Technology and Design (SUTD) und des A*STAR Institute of Microelectronics. Ihr Ziel war es, sogenannte Superkontinuum-Lichtquellen kompakter und energieeffizienter zu machen. Solche Lichtquellen werden unter anderem für hochauflösende medizinische Bildgebung, präzise Messverfahren und optische Frequenzkämme eingesetzt.
Bisher basieren Superkontinuum-Quellen häufig auf speziell entwickelten Glasfasern. Diese Systeme benötigen vergleichsweise viel Platz und Leistung und lassen sich nur schwer mit anderen Komponenten auf einem Chip kombinieren. Siliziumnitrid gilt zwar als besonders geeignetes Material für integrierte Photonik, herkömmliche Herstellungsverfahren haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Wasserstoff im Material absorbiert Licht im Bereich wichtiger Telekommunikationswellenlängen. Um ihn zu entfernen, sind Temperaturen von bis zu 1200 Grad Celsius erforderlich. Das ist für viele Halbleiterprozesse ungeeignet und kann zudem Spannungen im Material verursachen.
Die Forscher ersetzten deshalb Wasserstoff durch Deuterium. Dadurch verschiebt sich das störende Absorptionsmaximum in einen Bereich um 2,1 Mikrometer. Eine aufwendige Hochtemperaturbehandlung ist damit nicht mehr notwendig. Stattdessen konnte ein 800 Nanometer dicker Film bei weniger als 400 Grad Celsius auf einen vollständigen 8-Zoll-Wafer aufgebracht werden.
Auch die Stabilität der Lichtquelle wurde untersucht. Bei moderaten Pulsenergien lag die gemessene spektrale Kohärenz über 0,81. Bei höheren Energien nahm allerdings das Rauschen zu. Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Länge und Gestaltung der Wellenleiter optimieren und die Lichtquellen gemeinsam mit Modulatoren und Detektoren auf einem Chip integrieren. Ziel sind unter anderem Anwendungen in Medizin, Messtechnik und optischer Kommunikation.
Siehe auch:
Isotop verdrängt Wasserstoff
Durch dessen Einsatz gelang es den Forschern, die Chip-Komponente bei niedrigen Temperaturen auf einem 8-Zoll-Wafer herzustellen. Damit könnte die Technologie für eine großflächige Produktion mit etablierten Halbleiterverfahren geeignet sein.Die in Optics Express veröffentlichte Forschungsarbeit stammt von Forschern der Singapore University of Technology and Design (SUTD) und des A*STAR Institute of Microelectronics. Ihr Ziel war es, sogenannte Superkontinuum-Lichtquellen kompakter und energieeffizienter zu machen. Solche Lichtquellen werden unter anderem für hochauflösende medizinische Bildgebung, präzise Messverfahren und optische Frequenzkämme eingesetzt.
Bisher basieren Superkontinuum-Quellen häufig auf speziell entwickelten Glasfasern. Diese Systeme benötigen vergleichsweise viel Platz und Leistung und lassen sich nur schwer mit anderen Komponenten auf einem Chip kombinieren. Siliziumnitrid gilt zwar als besonders geeignetes Material für integrierte Photonik, herkömmliche Herstellungsverfahren haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Wasserstoff im Material absorbiert Licht im Bereich wichtiger Telekommunikationswellenlängen. Um ihn zu entfernen, sind Temperaturen von bis zu 1200 Grad Celsius erforderlich. Das ist für viele Halbleiterprozesse ungeeignet und kann zudem Spannungen im Material verursachen.
Die Forscher ersetzten deshalb Wasserstoff durch Deuterium. Dadurch verschiebt sich das störende Absorptionsmaximum in einen Bereich um 2,1 Mikrometer. Eine aufwendige Hochtemperaturbehandlung ist damit nicht mehr notwendig. Stattdessen konnte ein 800 Nanometer dicker Film bei weniger als 400 Grad Celsius auf einen vollständigen 8-Zoll-Wafer aufgebracht werden.
Breiteres Spektrum
Der fertige Wellenleiter weist laut den Forschern einen Lichtverlust von lediglich 0,54 Dezibel pro Zentimeter auf. Bei einem Test mit 500 Femtosekunden kurzen Infrarotpulsen bei 1555 Nanometern wurde das Spektrum auf einen Bereich von 587 bis 1883 Nanometern erweitert. Damit reichte das erzeugte Licht vom sichtbaren roten Bereich tief ins Infrarot.Auch die Stabilität der Lichtquelle wurde untersucht. Bei moderaten Pulsenergien lag die gemessene spektrale Kohärenz über 0,81. Bei höheren Energien nahm allerdings das Rauschen zu. Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Länge und Gestaltung der Wellenleiter optimieren und die Lichtquellen gemeinsam mit Modulatoren und Detektoren auf einem Chip integrieren. Ziel sind unter anderem Anwendungen in Medizin, Messtechnik und optischer Kommunikation.
Zusammenfassung
- Ein Forschungsteam aus Singapur entwickelte neue optische Wellenleiter
- Durch den Einsatz von Deuterium sinkt die nötige Prozesstemperatur
- Niedrige Temperaturen unter 400 Grad Celsius reichen zur Fertigung
- Der neue Wellenleiter weist einen extrem geringen Lichtverlust auf
- Das erzeugte Licht reicht vom sichtbaren Rot bis tief ins Infrarot
- Die Technik eignet sich für Medizin, Messtechnik und Kommunikation
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