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Integriert-optische Bragg- Reflektoren als elektro-
nanomechanisch durchstimmbare Wellenlängenfilter und
Intensitätsmodulatoren
Doctoral Thesis Author(s):
Gabathuler, Willi René Publication date:
1996
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-001591280 Rights / license:
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Integriert-optische Bragg-Reflektoren als elektro-nanomechanisch durchstimmbare Wellenlängenfilter und Intensitätsmodulatoren
ABHANDLUNG
zur Erlangung des Titels
DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH
vorgelegt von
WILLI R. GABATHULER Dipl. Phys. ETH
geboren am 22. Oktober 1964 von Wartau (SG)
Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. Walter Lukosz, Referent Prof. Dr. Hans Melchior, Korreferent
Zürich 1996
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Kurzfassung
In dieser Arbeit wird über experimentelle Nachweise des integriert-optischen (IO) nanomechanischen Effekts berichtet. Die prinzipielle Anwendbarkeit des Effekts wurde für durchstimmbare Wellenlängenfilter und Intensitäts- modulatoren experimentell demonstriert.
Die effektiven Brechzahlen der geführten Moden planarer dielektrischer Wellenleiter werden durch den IO nanomechanischen Effekt verändert. Dieser bewirkt eine Änderung der effektiven Brechzahl eines Modes, weil ein Dielektrikum in den Wirkungsbereich des quergedämpften Feldes des Modes gebracht wird. Die effektive Brechzahl des Modes hängt vom Abstand zwischen dem Wellenleiter und dem Dielektrikum ab.
Das benötigte Dielektrikum war eine Siliziumdioxidschicht auf der Unterseite eines effektive-Brechzahl-ändernden Elements aus Silizium und Siliziumdioxid. Verschiedene solcher Elemente wurden in Form von Brücken und Membranen unter Verwendung von Standard-Prozessen der Silizium- Technologie hergestellt.
Die planaren dielektrischen Wellenleiter aus Siliziumdioxid-Titandioxid auf Substraten aus Silizium/Siliziumdioxid wurden mit einem Tauchzieh- verfahren unter Verwendung des Sol-Gel-Prozesses hergestellt. In einem Wellenleiter konnten geführte Moden und Leck-Moden angeregt werden. Ein Wellenleiter enthielt ein Oberflächenrelief-Gitter, das mittels eines Präge- Prozesses hergestellt wurde. Dabei konnte die Gittermodulation und die Gitterlänge in beschränktem Masse beeinflusst werden.
Um den IO nanomechanischen Effekt experimentell zu realisieren, wird ein effektive-Brechzahl-änderndes Element auf einem Wellenleiter optisch angesprengt. Wegen einer Vertiefung auf der Unterseite des Elements bleibt ein Luftspalt zwischen dem Wellenleiter und dem Element frei. Die Substrate des Wellenleiters und des Elements, die aus Silizium bestehen, bilden die Elektroden eines Kondensators. Eine daran angelegte elektrische Spannung bewirkt wegen der anziehenden elektrostatischen Kräfte eine elastische Durchbiegung des Elements. Dabei wird der Abstand zwischen dem Wellen- leiter und dem Dielektrikum reduziert, und die effektiven Brechzahlen von geführten Moden werden vergrössert.
Das Licht eines im sichtbaren Wellenlängenbereich emittierenden durch- stimmbaren Farbstoff-Lasers wurde über die Stirnfläche in den Wellenleiter eingekoppelt. Dies regte geführte Moden des Wellenleiters an. Bei bestimm- ten Wellenlängen wirkte das Oberflächenrelief-Gitter als Bragg-Reflektor oder als Leck-Moden-Konverter. Deshalb hatte die Transmission beziehungs- weise die vom Gitter durchgelassene und über die gegenüberliegende Stirn- fläche ausgekoppelte Lichtleistung als Funktion der Wellenlänge mehrere Minima.
Zwei potentielle Anwendungen des IO nanomechanischen Effekts werden in dieser Arbeit vorgestellt. Als erstes wurde gezeigt, dass der IO nano- mechanische Effekt prinzipiell benützt werden kann, um die Wellenlängen, bei denen die Bragg-Reflexion oder die Leck-Moden-Konversionen statt- finden, zu verändern (durchstimmbarer Wellenlängenfilter).
Die experimentell nachgewiesene Veränderung der Bragg-Wellenlänge λB
betrug ∆λB = 1.5 nm bei einer Halbwertsbreite von δλB = 1.5 nm. Die Veränderung der Wellenlänge eines Leck-Modes war ∆λL = 0.7 nm bei einer Halbwertsbreite von δλL = 0.2 nm. Die effektive Brechzahl N änderte sich in beiden Fällen um ∆N ≈ 3.5 · 10-3. Dafür war bei einem Abstand von d0 ≈ 100 nm zwischen dem Wellenleiter und dem Dielektrikum eine Änderung des Abstandes von typischerweise einigen zehn Nanometern notwendig. Die elektrischen Spannungen betrugen einige zehn Volt.
Die zeitliche Stabilität des Systems ist aber ungenügend und müsste verbessert werden.
Als zweites wurde nachgewiesen, dass der IO nanomechanische Effekt prinzipiell benützt werden kann, um die Transmission zu modulieren (Intensitätsmodulator), und zwar nach folgendem Prinzip: Die Transmission ändert sich, wenn die Wellenlänge in einer Flanke eines Transmissions- Minimums gewählt und die Flanke verschoben wird.
Intensitätsmodulationen wurden bis zu einer Modulations-Frequenz von 2.4 MHz nachgewiesen. Die Änderung der effektiven Brechzahl betrug für die Intensitätsmodulationen typischerweise ∆N ≈ 2 · 10-4. Dafür war bei einem Abstand von d0 ≈ 100 nm zwischen dem Wellenleiter und dem Dielektrikum eine Änderung des Abstandes von typischerweise ∆d ≈ 1 nm ausreichend. Die Änderung der elektrischen Spannung betrug einige Volt.
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Abstract
(Kurzfassung in englischer Sprache)
This work reports on experimental demonstrating of the integrated-optical (IO) nanomechanical effect. It was shown that the IO nanomechanical effect can, in principle, be used to realize a tunable wavelength filter and an intensity modulator.
The effective refractive indices of guided modes in planar dielectric waveguides are changed by the IO nanomechanical effect. This effect changes the effective refractive index because a dielectric medium is placed into the area of influence of the evanescent field of the mode. The effective refractive index depends on the distance between the waveguide and the dielectric medium.
The required dielectric medium was a silica layer on the bottom of an effective-refractive-index-shifting element consisting of silicon and silica.
Different kinds of such elements were produced in the form of bridges and membranes. Standard processes of silicon technology were used.
The planar dielectric waveguides consisted of silica-titania on silicon/silica substrates. They were fabricated by dipcoating using the sol-gel process.
Guided modes and leaky modes could be excited in a waveguide. A waveguide had a surface relief grating, which was produced by an embossing process. Thereby, the modulation and the length of the grating could be influenced to a limited extent.
The IO nanomechanical effect was experimentally realized in the following way: An effective-refractive-index-shifting element is optical-contact bonded to a waveguide. Due to a channel on the bottom of the element, an air gap is left between the waveguide and the element. The substrates of the waveguide and the element both consisting of silicon constitute the electrodes of a capacitor. An applied electric voltage causes an elastic deflection of the element because of the attractive electrostatic forces. For this reason, the distance between the waveguide and the dielectric medium is reduced, and thus the effective refractive indices of guided modes are increased.
The light of a tunable dye laser emitting light in the visible wavelength range was endfire-coupled into the waveguide. This excited guided modes in the waveguide. The surface relief grating acted at certain wavelengths as a Bragg reflector or as a guided-to-leaky mode converter. Therefore, the transmission as a function of the wavelength showed several minima. The transmission corresponds to the light transmitted by the grating and endfire-coupled out of the waveguide.
Two potential applications of the IO nanomechanical effect are presented in this work. Firstly, it was shown that the IO nanomechanical effect can, in principle, be used to change the wavelengths, at which the Bragg reflection or the guided-to-leaky mode conversions occur (tunable wavelength filter).
The reported shift of the Bragg wavelength λB was ∆λB = 1.5 nm, the band- width (full width at half-maximum) being δλB = 1.5 nm. The wavelength shift of a leaky mode was ∆λL = 0.7 nm, the bandwidth being δλL = 0.2 nm. The corresponding effective-refractive-index change was ∆N ≈ 3.5 · 10-3 in both cases. The required changes of the distance between the waveguide and the dielectric medium were typically a few tens of nanometers, in case of the distance being d0 ≈ 100 nm. The electric voltage was a few tens of volts.
The temporal stability of the system is insufficient and would have to be improved.
Secondly, it was shown that the IO nanomechanical effect can, in principle, be used for intensity modulation of the transmitted guided mode (intensity modulator). The principle was to choose the wavelength in a slope of a transmission minimum and to shift the slope. Then, the transmission changes.
In the experiments, the intensity modulations had modulation frequencies of up to 2.4 MHz. The effective refractive index was changed for the intensity modulations by typically ∆N ≈ 2 · 10-4. The required change of the distance between the waveguide and the dielectric medium was typically ∆d ≈ 1 nm, in case of the distance being d0 ≈ 100 nm. The electric-voltage change was a few volts.
