Ultrakompakte, massenproduzierbare photonische Kristall-Wellenlängenteiler Realisierung ultrakompakter, massenproduzierbarer Wellenlängenteiler.
Forschung
Ultrakompakte, massenproduzierbare photonische Kristall-Wellenlängen-Demultiplexer.
Realisierung von ultrakompakten, in Massenproduktion herstellbaren Wellenlängen-Demultiplexern.
Wir können mit jedem und überall auf der Welt kommunizieren. Die WDM-Kommunikationstechnologie (Wavelength Division Multiplexing) unterstützt diese Welt der Kommunikation. In dieser Studie ist es uns gelungen, einen Wellenlängenmultiplexer für den Einsatz in der WDM-Kommunikation in einer ultrakompakten, massenproduzierbaren Form herzustellen.
Bei der WDM-Kommunikation handelt es sich um eine Technologie, die den Umfang der Kommunikation erhöht, indem viele separate Signale, die übertragen (oder empfangen) werden müssen, in einen einzigen Übertragungsweg integriert werden [Abb. 1(a)]. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft wurde es üblicherweise für die Kommunikation über große Entfernungen verwendet, z. B. für die interkontinentale Kommunikation, bei der eine große Menge an Informationen auf einmal übertragen werden muss. Wenn wir uns die Gegenstände ansehen, die wir in unserem täglichen Leben benutzen, können wir feststellen, dass viele von ihnen Kommunikationsfunktionen haben. Bisher waren die Möglichkeiten zur Übertragung großer Informationsmengen auf die Fernkommunikation beschränkt, doch angesichts des ständig wachsenden Kommunikationsvolumens ist es wünschenswert, große Informationsmengen zwischen Servern und Intranets und sogar zwischen Chips in einem einzigen Personal Computer übertragen zu können.
Wir interessieren uns seit langem für die Silizium-Photonik, ein Forschungsgebiet, in dem Elemente auf Siliziumbasis für die optische Kommunikation eingesetzt werden. Silizium ist das gleiche Material wie die elektronischen Elemente, die in Computerchips verwendet werden, so dass man sagen kann, dass es eine hohe Affinität hat, wenn es für die Verwendung in demselben Chip in Betracht gezogen wird. Silizium hat außerdem den Vorteil, dass es das Licht stärker einfängt als andere Materialien, so dass es bei der Herstellung von Elementen für die optische Kommunikation möglich ist, die Elemente kleiner zu machen als die aus anderen Materialien hergestellten. In der Silizium-Photonik haben wir Strukturen hergestellt, die wir photonische Kristalle nennen. Photonische Kristalle haben eine Struktur mit periodischen Löchern in der Silizium-Dünnschicht, wie in Abb. 1(b) dargestellt. Durch das Öffnen oder Nichtöffnen von Löchern in dieser periodischen Struktur können verschiedene Funktionen bereitgestellt werden.
Abb. 1 (a) Konzeptdiagramm der WDM-Kommunikation, bei der die Signale 1-5 durch einen Wellenlängenmultiplexer (MUX) kombiniert und übertragen und anschließend durch einen Wellenlängendemultiplexer (DeMUX) aufgeteilt werden. (b) Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des hergestellten Wellenlängensplitters. (c) Konzeptionsdiagramm, das das Funktionsprinzip des Wellenlängenteilers zeigt. (d) Oben: Ergebnis der Modulation des entsprechenden Signals durch Wärmezufuhr. (d) Unten: Transmissionsspektrum des Wellenlängenteilers. (d) Mitte: Augenmuster eines 2,5-Gbit/s-Signaleingangs. Der Ausschnitt zeigt die Referenz.
In dieser Studie haben wir einen Wellenlängen-Demultiplexer für die WDM-Kommunikation unter Verwendung photonischer Kristalle entwickelt. Ein Wellenlängen-Demultiplexer ist ein Gerät, das bei der WDM-Kommunikation das integrierte Signal wieder in seinen ursprünglichen Zustand aufspaltet. Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des hergestellten Elements ist in Abb. 1(b) zu sehen, und das Funktionsprinzip des Wellenlängenteilers ist in Abb. 1(c) dargestellt. Integrierte Signale werden von der linken Seite von Abb. 1(c) durch einen Silizium-Dünndraht-Wellenleiter eingespeist und jedes Signal wird in der oberen rechten Richtung geteilt. An diesem Punkt durchläuft das Signal eine Struktur, die als Resonator mit Breitenänderung bezeichnet wird und in der vergrößerten Ansicht oben links in Abb. 1(c) zu sehen ist, und wird dann geteilt. Durch die Verwendung eines breitenveränderlichen Resonators können nur bestimmte Signale durchgelassen werden. Wir haben uns unter den vielen verfügbaren Resonatorstrukturen für die Struktur mit Breitenänderung entschieden, weil unsere früheren Forschungen gezeigt haben, dass sie mit unserer Herstellungsmethode, der Photolithographie, kompatibel ist. Der untere Teil von Abb. 1(d) zeigt das Übertragungsspektrum des hergestellten Wellenlängen-Demultiplexers; es ist zu erkennen, dass acht Signale demultiplexiert werden können. Der obere Teil von Abb. 1(d) zeigt, wie der Wellenlängenteiler durch Wärmezufuhr an unterschiedliche Signale angepasst werden kann. So kann beispielsweise die Wärmezufuhr von 0-30 mW für ein grünes Signal so eingestellt werden, dass es für Signale zwischen 1568 und 1570 nm geeignet ist. Das Augenmuster für ein rotes Signal mit einem Signaleingang von 2,5 Gbit/s ist in der Mitte von Abb. 1(d) dargestellt. Wie der Vergleich mit dem Augenmuster der Referenz in der oberen linken Ecke zeigt, kann das 2,5-Gbit/s-Signal problemlos übertragen werden.
Unser Wellenlängen-Demultiplexer, der photonische Kristalle verwendet, hat den Vorteil, dass die Fläche des Geräts auf 1/200.000 der Fläche eines herkömmlichen Wellenlängen-Demultiplexers aus Glas reduziert werden kann. Darüber hinaus hat die von uns verwendete Herstellungsmethode, die so genannte Photolithographie, den Vorteil der Massenproduktion im Vergleich zur Elektronenstrahllithographie, die in der Vergangenheit zur Herstellung photonischer Kristallstrukturen verwendet wurde.
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