Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2012

Integration plasmonischer Nanokomponenten in photonische Siliziumschaltkreise

Prof. Dr. Ulf Peschel
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Optik

Prof. Dr. Harry A. Atwater
California Institute of Technology, Pasadena (CALTECH)
Engineering & Appl. Science Division


Oberflächen-Plasmon-Polaritonen als elektromagnetische Wellen, die sich entlang der Grenzfläche zwischen Metallen und Dielektrika ausbreiten, eignen sich zur Wellenleitung auf Skalen deutlich unterhalb des klassischen optischen Beugungslimits, haben aber auch extrem hohe Verluste. Im Unterschied dazu ermöglichen dielektrische Wellenleiter aus Silizium eine vergleichsweise verlustfreie Ausbreitung. Ihre Strukturgrößen liegen dafür erheblich über denen aktueller mikroelektronischer Schaltkreise. Unser hybrider Ansatz basiert auf beiden Wellenleitertypen und vereint damit die Vorteile hoher Integration der plasmonischen Wellenleiter mit den geringen Verlusten der Silizium-Technologie. Wir kombinieren dazu optische, plasmonische Antennen mit dielektrischen Wellenleitern. Das Projekt wird an der Universität Erlangen und dem Caltech und Kavli-Nanoscience-Institut mit Unterstützung des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts durchgeführt.

Abschlussbericht
Wir konnten alle Ziele des BaCaTeC-Projektes erreichen und teilweise übertreffen. Gemeinsam entwickelten wir (Fabrikation am CALTECH, Messungen an der FAU) neuartige plasmonische Nanoschaltkreise, die in ein Dielektrikum eingebettet kompakte Integration (350 nm < λ0 = 1550 nm) mit geringen photonischen Verlusten vereinen. Durch den Einsatz neuartiger Yagi-Uda-Nanoantennen konnten wir darüber hinaus die Verluste bei der Ein- und Auskoppelung in die Schaltkreise reduzieren und definieren damit den aktuellen Maßstab für die Effizienz wellenleitergekoppelter optischer Antennen (60% Leistungsauskoppelung, max. 45% Einkopplung). In diese Schaltkreise integrierten wir die bisher kompaktesten Richtkoppler (ODC) mit unerreicht starker spektraler Dispersion (30 dB über λ0 = 200 nm), was Wellenlängenmultiplexverfahren auf Mikrometerskalen ermöglicht (Ref. 1).

In einem zweiten Schritt entwickelten wir eine erste aktive photonische Komponente für plasmonische Nanoschaltkreise, einen elektro-plasmonischen Modulator (plasMOStor). Dieser basiert auf einem transparenten, leitfähigen Oxid (ITO). Eine elektrische Spannung injiziert Ladungsträger in dieses Material innerhalb der Wellenleiter und führt zu einer starken Signalmodulation (2.71 dB/µm). Die Transmission war hoch genug (Verluste ~ 0.45 dB/µm), um die Kaskadierbarkeit derartiger Nanoschaltkreise zu ermöglichen (Ref. 2).

Insgesamt publizierten wir innerhalb dieses Projektes zwei Artikel über entwickelte Messtechniken (Ref. 3 und 4). Unsere Hauptergebnisse publizierten wir in zwei weiteren Artikeln (Ref. 1 und 2) im angesehenen Journal Nano Letters (Impact Factor 13,03) sowie in 8 internationalen Konferenz-Proceedings. Die Ergebnisse wurden in enger Zusammenarbeit auf der Grundlage von mehreren gegenseitigen Besuchen von A. Kriesch und S. Dobmann am CALTECH und S. P. Burgos, sowie H. Lee an der FAU erarbeitet.

Projekt-Publikationen:
1. Kriesch, A.; Burgos, S. P.; Ploss, D.; Pfeifer, H.; Atwater, H. A.; Peschel, U., Nano Lett. 2013, 13 (9), 4539–45, doi: 10.1021/nl402580c.
2. Lee, H. W. H.; Papadakis, G. T. .; Burgos, S. P. .; Chander, K.; Kriesch, A.; Pala, R.; Peschel, U.; Atwater, H. A., Nano Lett. 2014, 14 (10), doi: 10.1021/nl502998z.
3. Ploss, D.; Kriesch, A.; Pfeifer, H.; Banzer, P.; Peschel, U., Opt. Express 2014, 22, 13744, doi: 10.1364/OE.22.013744.
4. Dobmann, S.; Kriesch, A.; Ploss, D.; Peschel, U., Adv. Opt. Mater. 2014, 2, doi: 10.1002/adom.201400237.