Terahertz-Signalerzeugung mit Hilfe nanophotonischer Silizium-Bauelemente
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Fokus des Projekts „THz Nanophotonik" standen erste grundlegende Untersuchungen an neuartigen siliziumbasierten Bauelementen zur THz-Signalerzeugung und -Detektion. Der hier verfolgte Ansatz knüpft an den Technologiebereich der Silizium-Nanophotonik an, der bereits verbreitet Anwendung in der optischen Telekommunikationstechnik findet - für THz-Anwendungen bislang jedoch nicht genutzt wurde. Ziel war es, die grundlegenden Voraussetzungen dafür zu schaffen, den Bereich der Si-Nanophotonik als neue Technologieplattform für zukünftige kostengünstige und kompakte THz-Systeme zu öffnen. Im Projektverlauf konnten mehrere wichtige Durchbrüche erzielt werden. Schlüssel zur ladungsträgerfreien elektrooptischen Erzeugung von THz-Signalen in einem Siliziumwellenleiter war die Entdeckung eines neuartigen, höchst wirkungsvollen Verfahrens zur Erzeugung elektrooptischer Aktivität zweiter Ordnung in Silizium. Mit Hilfe chemisch oberflächenmodifizierter Siliziumwellenleiter wurden erfolgreich die weltweit ersten telekomwellenlängen-gepumten Siliziumstrukturen zur ladungsträgerfreien THz-Signalerzeugung demonstriert. Durch die Entwicklung eines in der Nanophotonik für Modulationsanwendungen oft benutzten integrierten Mach-Zehnder Interferometers konnte gezeigt werden, dass die durch die chemische Oberflächenmodifikation induzierte Nichtlinearität ähnliche Werte erreicht wie die erstmals von der Jacobsen Gruppe durch Verspannung demonstrierten integrierten Bauelemente. Das Potential diese effektive Nichtlinearität weiter zu vergrößern liegt auf der Hand, wenn man bedenkt, dass im Gegensatz zu dem Ansatz mit verspannten Wellenleitern nur Regionen nahe der Oberfläche im Fall der chemischen Aktivierung nichtlinear optisch aktiv sind. Es ist davon auszugehen, dass die Nichtlinearität hier um mehr als eine Größenordnung größer ist. Dies kann durch gezieltes Design für ein höheres effektives χeff^(2) genutzt werden und ist somit nicht nur für die THz-Generation sondern auch für die Nanophotonik im Allgemeinen interessant. Bezogen auf die THz-Emission sind durch parallel in einem weiteren DFG-Projekt entwickelte Nahfeld-Messspitzen Messungen der Emissioncharaktertistik im Nahfeld gelungen. Mit deren Hilfe konnten die Emitter derart weiter entwickelt werden, dass ein Bauelement mit breitbandiger Phasenanpassung über eine Länge von mehr als 2 mm erreicht wurde. Die durch den Prozess der chemischen Oberflächenmodifikation zugängliche Technologie zur Ausbildung lokal begrenzter Bereiche eines Bauelements mit nichtlinear optischer Aktivität konnte eindrucksvoll durch Nahfeld-Bildgebung demonstriert werden. Die für viele Anwendungen erforderliche Auskopplung von Fernfeldstrahlung wurde in einem letzten Schritt gemessen und optimiert. Durch Analyse der Abstrahlcharakteristik und des Nahfeldverhaltens ist es gelungen einen Emitter zu entwickeln, der die Effizienz eines Referenz-Oberflächenemitters auf InGaAs-Basis deutlich übertrifft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Erzeugung und Übertragung breitbandiger THz-Signale in nanophotonischen und plasmonischen Wellenleiterstrukturen",Verlag Dr. Hut (2010)
M. Wächter
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"Optical generation of terahertz and second-harmonic light in plasma-activated silicon nanophotonic structures," Appl. Phys. LeL97, 161107(2010)
M. Wächter; C. Matheisen; M. Waldow, et al.
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„Terahertz generation in locally plasma-activated silicon nanophotonic waveguides", IRMMW-THz 2010
M. Wächter, C.Matheisen, M. Nagel, M. Waldow, T. Wahlbrink, J. Bolten
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„Large enhancement of second-order optical nonlinearitles in silicon nanophotonic waveguides by local plasma-activation", EOS OμS 2011
C. Matheisen. T. Wahlbrink, J. Bolten, M. Waldow, S. Sawallich, M. Nagel, H. Kurz
