Silicon to Light

Der Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsgruppe „Silicon to Light“ ist die Entwicklung von effizienten, auf Silizium basierenden oder mit Silizium kompatiblen Mikro-Lichtquellen. Effizienzbegrenzende Faktoren werden gründlich analysiert und verschiedene Konzepte der Nanostrukturierung und Materialmodifizierung im nanoskopischen Bereich kommen zum Einsatz, um eine Effizienzerhöhung zu erreichen.

Letztendlich soll versucht werden, einen elektrisch gepumpten, auf Silizium basierenden Laser mit durchstimmbarer Emissionswellenlänge zu realisieren. Eine derartige Lichtquelle hat das Potenzial, die auf Silizium basierenden elektronischen Chips zu revolutionieren, indem schnelle Lichtpulse anstelle der konventionellen langsameren Spannungspulse zur Kommunikation zwischen verschiedenen Bauelementen der Chips verwendet werden. Dies würde eine neue Generation ultraschneller Computerprozessoren erlauben.

Es werden mehrere Ansätze für die effiziente Lichtemission und nichtlineare optische Frequenz-Umwandlung in siliziumbasierten Materialien verfolgt:

• Zum einen soll auf Si/Ge Vielfachschichtsysteme und Seltenen-Erden-Ionen, die in nanokristallhaltigen Matrizen eingebettet sind, als siliziumkompatible emittierende Systeme zurückgegriffen werden. Eine Erhöhung der Lumineszenzeffizienz soll dabei durch die Verwendung einer mikro- und nanophotonischen Strukturierung z.B. in Form von Mikrokavitäten in photonischen Kristallen erreicht werden. Um nichtlineare optische Effekte in Silizium zu verstärken, wird der Einfluss von gezielt eingebrachten Verzerrungen des Kristallgitters oder einer Porosität des Siliziums studiert.
• Zusätzlich wird versucht, die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Polymeren mit den exzellenten Wellenleitereigenschaften von Silizium im infraroten Spektralbereich zu einer Wellenleiter-Hybridarchitektur zu kombinieren.

Erhöhte NIR-Lumineszenz für Si-Photonik

Werden absichtlich Defekte in einen photonischen Kristall eingebaut, so entstehen Mikroresonatoren, in denen das Licht auf kleinstem Raum eingesperrt wird. Das führt aufgrund des Purcell-Effekts zur  beschleunigten und erhöhten Emission des Materials im Resonator. Hier ist ein 2D-photonischer Kristall gezeigt, der aus hexagonal angeordneten Löchern besteht, die Abstände im Bereich  der Lichtwellenlänge haben. Die ausgelassene Pore in der Mitte stellt den Mikroresonator dar. Das Material selbst enthält Ge-Quantenpunkte die im NIR zwischen 1200-1600nm Wellenlänge emittieren. Im gezeigten Spektrum ist die scharfe Resonanz des Mikroresonators zu sehen, der zu einer ca. 10 fachen Erhöhung der Lumineszenz führt.

Eine ähnliche aber breitbandigere Erhöhung der Lumineszenz kann durch periodische Metallparktikelfelder erreicht werden. Durch das von den Partikeln generierte Streulicht verstärkt sich die Plasmonenresonanz der Partikel in einem schmalen Spektralbereich gegenseitig, so daß es dabei zu einer deutlichen „Gitterresonanz“ kommt. Quantenpunkte in der Nähe der Metallpartikel werden dann zu erhöhter Lumineszenz angeregt. Hier sind Spektren für  PbS-Quantenpunkte dargestellt, die in einer quadratische Anordnungen von Goldscheiben eingebracht wurden. Die Periode der Anordnung betrug 900nm, die Durchmesser der Goldscheiben variierte. Deutlich ist eine erhöhte Lumineszenz für die größeren Partikel zu erkennen.

Generation einer optischen Nichtlinearität in Silizium

Silizium besitzt als zentrosymmetrisches Material normalerweise keine Suszeptibilität 2. Ordnung (c(2)). Durch den Einbau einer inhomogenen Verzerrung in das Siliziumkristallgitter versuchen wir aber eine Brechung der Zentrosymmetrie zu erreichen und damit auch ein c(2) zu generieren. Dies erfolgt durch das Aufbringen einer verspannten Deckschicht. Links: Hier ist ein Si-Wellenleiter mit verspannter SiO2-Deckschicht im Querschnitt gezeigt. Rechts: Durch die teilweise seitliche Relaxation der  Deckschicht wird das darunterliegende Si „mitgenommen“, so daß eine V-förmige Verzerrung des Si-Kristallgitters unterhalb der Deckschicht entsteht. In diesem Bereich ist die Zentrosymmetrie gebrochen.