Feinbearbeitung in der Optoelektronik Silizium in optischen Anwendungen

Beim Gedanken an optische Halbleiter ist Silizium nicht das erste Material, das einem in den Sinn kommt. Dennoch verfügt es über nützliche Eigenschaften, die es mittels Feinbearbeitung (Micromachining) zu einem effektiven Medium machen, wenn es darum geht, Licht zu lenken und mit ihm zu arbeiten.

Von Mark Patrick, Mouser

Die Telekommunikationsbranche macht sich seit fast 20 Jahren die Lenkung, Verarbeitung und Kontrolle von Licht durch Silizium zunutze. Die steigende Nachfrage nach kostengünstiger Glasfaserkommunikation in Rechenzentren bietet einen neuen Anstoß für die Hersteller elektronischer Bauelemente, MEMS und CMOS zu integrieren, um hochkomplexe Schalt- und Steuerungskomponenten zu entwickeln.

Eine der ersten Methoden, von der die Telekommunikation Gebrauch gemacht hat, war die Präzisionsausrichtung von Glasfasern für optische Steckverbinder mithilfe von Aderendhülsen oder V-förmigen Nuten, die in die Oberfläche eines Siliziumsubstrats geätzt wurden. Präzisionsätzen ermöglicht auch die Verwendung selektiver Interferenzen zum Filtern und Trennen von Kanälen in WDM-Systemen (Wavelength Division Multiplexing). Diese Komponenten nutzen feine Raster, die in das Silizium geätzt werden. Derartige Filter erfordern keine festgelegte Frequenz.

Entwickler von MOEMS-Technologien (mikrooptische elektromechanische Systeme) nutzen die elektromechanischen Eigenschaften von Silizium-Mikrostrukturen zur Herstellung regelbarer dichroitischer Filter. Eine Änderung in der Größenordnung von wenigen Dutzend Nanometern genügt, um einen solchen Filter auf die benötigten Wellenlängen für die Glasfaserkommunikation einzustellen. Typischerweise besteht das Filtergitter aus einem festen und einem beweglichen Teil. Der bewegliche Teil wird auf ein Drehgelenk montiert, das elektrostatisch bewegt werden kann, indem von der darunterliegenden Schaltung eine Ladung erhöht oder gesenkt wird. Es gibt optische Bauteile mit größeren Drehgelenken, in denen Spiegel so ausgerichtet werden, dass sie von einem Quellkanal abgestrahltes Licht in verschiedene Empfängerkanäle reflektieren.

Vor- und Nachteile von Silizium

Reines Silizium hat den Vorteil, dass es für Photonen über ein großes Spektrum an Wellenlängen durchlässig ist. Methoden wie Elektrorefraktion können den Photonenfluss durch das Substrat jedoch beeinflussen. Dies bewirkt eine Veränderung des effektiven Brechungsindex des Substrats aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes. Leider ist die elektro-refraktive Eigenschaft für die normalerweise in Telekommunikationsanwendungen eingesetzten Wellenlängen sehr schwach. Stattdessen wird für Bauelemente ein anderer Effekt genutzt: die Plasmadispersion. Bei dieser Methode wird eine Ladung in den Kanal injiziert, durch den die Photonen von einem Punkt zum anderen gelangen. Der Anstieg an Loch- oder Ladungsträgerkonzentration führt zu einer Veränderung des Brechungsindex und des Absorptionskoeffizienten von Licht. Dieser Effekt ermöglicht die Herstellung optischer Solid-State-Modulatoren aus Silizium.