Modifikation optischer Nichtlinearitäten in Silizium

Abstract

Silizium ist ein gern verwendetes Material in der Photonik. Dies liegt u.a. daran, dass sich bestehende Technologien aus der Mikroelektronik verwenden und derart hergestellt Bauteile mit mikroelektronischen Bauteilen kombinieren lassen. Um photonische Schalter, Modulatoren und Konverter herzustellen, lassen sich die nichtlinearen optischen Eigenschaften eines Material ausnutzen. Hier besteht der Nachteil des Silizium darin, dass es keine entsprechenden nutzbaren nichtlinearen Eigenschaften besitzt. In dieser Arbeit wurden zwei Möglichkeiten untersucht, Silizium optisch nichtlinear zu machen. Erstere befasst sich mit dem Einbringen von Verspannungen ins Silizium was zu einer Brechung der Zentrosymmetrie führt. Dies wiederum führt zum Auftreten einer nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung, welche sich u.a. für Frequenzkonversionsprozesse nutzen lässt. Beim zweiten Ansatz wurden mit einem nichtlinearen Material infiltrierte Wellenleiter-Schlitz-Mikroresonatoren numerisch untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich solche Bauteile als bistabile optische Schalter verwenden lassen.

Silicon is a favored material in the field of photonics because already existing technology from microelectronic industry can be used for the production of the respective devices. For the realization of active devices like switches, modulators and converter materials with nonlinear optical properties are needed. Unfortunately, silicon does not posses significant nonlinear optical properties. In this thesis, two different approaches for the creation of a nonlinear optical susceptibility in silicon have been investigated. The first approach deals with "strained silicon", where strain is introduced into the silicon device to break the silicons centrosymmetry, thus creating a second order optical susceptibility in the silicon. In the second part of this thesis, slotted nanobeam microresonators infiltrated with a nonlinear material have been investigated numerically. Here it could be shown, that such kind of devices can be employed as bistable optical switches.