Vom sichtbaren Licht bis ins nahe Infrarot Siliziumnitrid-Wellenleiter verbreitert kurze Laserpulse zu breitbandigem Spektrum

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Ein Forscherteam hat mit deuteriertem Siliziumnitrid kurze Laserpulse spektral vom sichtbaren Licht bis ins nahe Infrarot verbreitert. Der Wellenleiter lässt sich bei weniger als 400 °C auf 8-Zoll-Wafern fertigen.

Aus einem nahezu einfarbigen Laserpuls wird ein breitbandiges Spektrum. Ein Forschungsteam aus Singapur hat einen Siliziumnitrid-Wellenleiter entwickelt, der Licht von 587 bis 1.883 nm erzeugt. Das entspricht einer spektralen Breite von rund 1,7 Oktaven und reicht vom sichtbaren gelb-orangen Licht bis ins nahe Infrarot. In der Optik bezeichnet eine Oktave einen Frequenzbereich, dessen obere Grenzfrequenz doppelt so groß ist wie die untere.

Die Grundlage bildet deuteriertes Siliziumnitrid, das auf einem vollständigen 8-Zoll-Wafer abgeschieden wurde. Laut den Forschern blieb die Prozesstemperatur unter 400 °C. Für den Wellenleiter wurde eine Ausbreitungsdämpfung von 0,54 dB/cm ermittelt.

Was ein Superkontinuum ist

Ein Superkontinuum ist ein besonders breitbandiges optisches Spektrum, das aus einem ursprünglich schmalbandigen Laserpuls entsteht. Wird ein kurzer und intensiver Puls in ein nichtlineares Material eingekoppelt, erzeugen Wechselwirkungen zwischen Licht und Material zahlreiche neue Frequenzanteile. Das Spektrum des Pulses verbreitert sich dadurch stark und erscheint am Ausgang nahezu kontinuierlich.

Vereinfacht lässt sich das mit weißem Licht vergleichen, das ebenfalls viele verschiedene Wellenlängen enthält. Beim Superkontinuum stammen diese Wellenlängen jedoch nicht aus einer breitbandig abstrahlenden Lichtquelle. Sie werden aus einem kontrollierten nichtlinearen Prozess erzeugt. Die spektrale Form hängt unter anderem von der Pulsdauer und -leistung, vom Material sowie von der Geometrie und der Dispersion des Wellenleiters ab.

Im Experiment des Forschungsteams wurden 500 fs kurze Pulse mit einer Wellenlänge von 1.555 nm in den Wellenleiter eingekoppelt. Das entspricht einer Lichtquelle aus dem Telekommunikationsbereich. Am Ausgang reichte das Spektrum von 587 bis 1.883 nm. Der Chip wandelte damit einen schmalbandigen Infrarotpuls in einen Spektralbereich um, der sichtbares Licht und das nahe Infrarot umfasst.

Der Wellenleiter erzeugt dabei nicht selbstständig Licht. Er übernimmt vielmehr die spektrale Umwandlung eines externen Laserpulses. Für ein späteres System wären deshalb weiterhin eine geeignete Pumpquelle, die optische Kopplung sowie Detektoren und eine Auswerteelektronik erforderlich.

Deuterium senkt optische Verluste

Bei dem Material handelt es sich um kein gewöhnliches Siliziumnitrid. Bei deuteriertem Siliziumnitrid wird ein Teil des im Material gebundenen Wasserstoffs durch Deuterium ersetzt. Deuterium ist ein schweres Isotop des Wasserstoffs und besitzt ein Proton, zusätzlich aber ein Neutron im Atomkern.

Dieser Unterschied ist für die Optik wichtig. Silizium-Wasserstoff- und Stickstoff-Wasserstoff-Bindungen können Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren. Diese Absorption erhöht die Verluste im Wellenleiter und ist besonders problematisch, wenn ein breites Spektrum übertragen oder erzeugt werden soll.

Deuterium ist schwerer als Wasserstoff und die Deuteriumbindungen schwingen langsamer. Die entsprechenden Absorptionsbanden verschieben sich zu längeren Wellenlängen. Im für die Anwendung wichtigen Spektralbereich kann der Wellenleiter dadurch weniger Licht absorbieren.

Die Deuterierung beseitigt allerdings nicht sämtliche Verluste. Streuung, Oberflächenrauheit, Materialinhomogenitäten und weitere Absorptionsmechanismen bleiben für die optische Qualität entscheidend. Die angegebene Dämpfung von 0,54 dB/cm ist daher als Messwert unter den jeweiligen Bedingungen zu verstehen und nicht als Hinweis auf einen vollständig verlustfreien Wellenleiter.

Waferbasierte Fertigung als eigentlicher Fortschritt

Superkontinuum-Licht lässt sich grundsätzlich auch mit anderen nichtlinearen Materialien und Wellenleiterplattformen erzeugen. Der besondere Aspekt der aktuellen Arbeit liegt deshalb weniger im physikalischen Prinzip selbst als in dessen Umsetzung auf einer größeren Fertigungsplattform.

Das deuterierte Siliziumnitrid wurde bei weniger als 400 °C auf einem 8-Zoll-Wafer abgeschieden. Niedrige Prozesstemperaturen sind wichtig, wenn photonische Strukturen mit weiteren Materialien, Detektoren oder bereits vorhandenen elektronischen Schaltungen kombiniert werden sollen. Eine Abscheidung unter 400 °C allein ist nicht vollständig kompatibel mit CMOS. Dafür müssten unter anderem der gesamte Prozessablauf, mögliche Verunreinigungen, Materialeigenschaften und die Integration in eine konkrete Fertigungslinie bewertet werden.

Die Wafergröße ist Voraussetzung für eine reproduzierbare Fertigung vieler identischer Bauelemente. Dabei ist nicht allein entscheidend, ob ein einzelner Wellenleiter funktioniert. Für eine technische Nutzung müssen die optischen Eigenschaften über den gesamten Wafer ausreichend gleichmäßig sein. Ebenso wichtig sind Fertigungsausbeute, Kopplungsverluste und die Stabilität der Bauelemente im Betrieb.

Breitbandige Quelle für Spektroskopie und Sensorik

Ein Superkontinuum auf dem Chip könnte verschiedene optische Systeme vereinfachen. Mögliche Einsatzfelder sind unter anderem:

• optische Spektroskopie,

• chemische und biologische Sensorik,

• optische Frequenzkämme,

• bildgebende Verfahren

• und photonische Messsysteme.

Für die Spektroskopie ist die große Bandbreite interessant. Unterschiedliche Stoffe absorbieren Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen. Eine breitbandige Quelle kann deshalb mehrere Absorptionsbereiche abdecken, ohne dass für jede Wellenlänge ein eigener Laser benötigt wird.

In einem realen Messsystem muss das Licht jedoch zunächst effizient in den Wellenleiter gelangen und anschließend wieder aus dem Chip ausgekoppelt werden. Außerdem sind geeignete Filter und Detektoren erforderlich. Bei einem Spektrum vom sichtbaren Bereich bis ins Infrarot stellt sich zudem die Frage, ob sich alle Wellenlängen mit denselben Kopplungs- und Detektorkomponenten verarbeiten lassen.

Noch kein fertiges Spektrometer

Die Arbeit der Forscher zeigt einen wichtigen Baustein für integrierte Breitband-Optik, aber noch kein vollständiges Messgerät. Offen sind unter anderem Fragen zur Kopplung der externen Laserpulse, zur Temperaturstabilität, zur Langzeitzuverlässigkeit und zur Reproduzierbarkeit der optischen Eigenschaften.

Auch die notwendige Pumpquelle bleibt ein Systembestandteil. Der Vorteil des Wellenleiters besteht daher nicht darin, die komplette Lichtquelle auf einem Chip zu ersetzen. Er kann vielmehr die spektrale Aufbereitung des Lichts in eine integrierte photonische Plattform verlagern.

Für Entwickler ist deshalb entscheidend, ob sich der Wellenleiter künftig mit Lasern, Detektoren, Filtern und Auswerteelektronik zu einem kompakten Spektrometer oder Sensorsystem verbinden lässt. Die erreichte Bandbreite ist dafür nur eine Voraussetzung. Ebenso zählen Kopplungsverluste, Fertigungstoleranzen, thermische Stabilität, Zuverlässigkeit und Systemkosten. Es geht also nicht um eine neue Art Lichtquelle, sondern vielmehr um einen möglichen Fertigungsweg für breitbandige, nichtlineare Photonik auf dem Chip. (heh)

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