Vertikale Kopplung ermöglicht integrierte Photonikschaltkreise
Ebenso wie in der Elektronik das Elektron ausgenutzt wird, manipuliert man in der Photonik Licht und andere Formen elektromagnetischer (EM) Strahlung, deren Quanteneinheit das Photon ist. Die Nutzung der optischen Kräfte oder des Strahlungsdruck zum Manipulieren von Materie half dem Gebiet der Optomechanik auf die Sprünge. Bei optomechanischen Photoniksystemen werden optische und mechanische Modi gekoppelt. Eines der Schlüsselbestandteile von Photonikschaltungen ist der optische Resonator, der aus einem mechanischen Oszillator und einem das Licht leitenden System besteht. Die Resonatoren können aus aktiven oder passiven Materialien hergestellt sein, wobei das erstgenannte die Eigenschaften in Reaktion auf Licht verändert und das zweite konstant bleibt. Die Wissenschaftler untersuchten beide Systeme mit dem Ziel, sie in Siliziumchips zu integrieren, und konnten dabei auf die EU-Finanzmittel des Projekts 'Active and passive photonics with coupled optomechanical resonators' (APPCOPTOR) zurückgreifen. Experimente zur vertikalen Kopplung zwischen einem passiven Resonator und einem Wellenleiter-Bus (koplanarer Resonatorspalt), bei dem der Resonator oberhalb des Wellenleiter angeordnet ist, ergaben bahnbrechende Resultate mit wichtigen Implikationen für optische Schaltungen. Die Wissenschaftler demonstrierten, dass es aufgrund der vertikalen Lücke mehr als einen Zustand der relativen maximalen Leistung gibt. Sie führten außerdem die Vereinigung von Resonatoren mit ultrahohem Gütefaktor (ultra-high quality, UHQ) mit dem Bus-Wellenleiter vor. Typischerweise blieb das Potential derartiger Mikroresonatoren bislang aufgrund ihrer Unvereinbarkeit mit den für Schaltungen auf Siliziumbasis erforderlichen planaren Konfigurationen ungenutzt. Die Forscher verzeichneten wichtige Fortschritte in Hinsicht auf aktive Verstärkungsmaterialien zur nichtlinearen optischen Verstärkung bei nanokristallinen Siliziumbauelementen (nc-Si). Die optische Bistabilität (OB) ist eine nichtlineare Eigenschaft eines Resonators mit zwei stabilen Ausgangszustände der Transmission für einen einzelnen optischen Eingang. Sie war aufgrund ihrer direkten Relevanz für rein optische Schalter, Logik-Gatter und Speicher Gegenstand intensiver Untersuchungen. Die Resultate unterstützen die Chance auf eine technische Realisierung effizienter nichtlinearer optischer Bauelemente mit nc-Si-basierten UHQ-Resonatorvorrichtungen. Die Forschenden rund um APPCOPTOR brachten das aktuelle Wissen über die Optomechanik und deren Umsetzung in integrierte Photonikschaltungen auf einen neuen Stand. Die Projektergebnisse werden zu neuartigen Photonikbauelementen hinführen, die über ein spannendes Potenzial in Bezug auf die Überwindung der Größen- und Funktionalitätseinschränkungen der herkömmlichen Elektronik verfügen.
