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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den grundlegenden Eigenschaften von nichtlinearen Siliziumwellenleitern und optischen Quantenpunktverstärkern. Theoretische Betrachtungen werden dabei von einer detaillierten Charakterisierung der Stärke und Dynamik der linearen und nichtlinearen Prozesse ergänzt. Mit dem gewonnenen Verständnis werden vielversprechende Anwendungen für die optische Signalverarbeitung identifiziert und in Systemexperimenten erstmals auch demonstriert. Das anhaltend schnelle Wachstum des Internet-Datenverkehrs stellt unsere Netze vor neue Herausforderungen - nicht nur für die übertragenen Datenraten, sondern vor allem auch für den Energieverbrauch und die Schadstoffemissionen. Um dieses Wachstum in Zukunft umweltverträglich zu gestalten, nimmt die voll-optische Signalverarbeitung eine wichtige Rolle ein. Voll-optische Vermittlungsknoten für zukünfige Übertragungsgeschwindigkeiten von mehr als 100 Gbit/s pro Wellenlänge beruhen auf zwei entscheidenden Komponenten: zum einen auf energieeffizienten linearen Verstärkern, zum anderen auf kompakten nichtlinearen Elementen. Optische Quantenpunktverstärker sind vielversprechende nanophotonische Bauteile, die selbstorganisierte InAs Quantenpunkte als aktives Medium verwenden. Eine genaue Kontrolle der Wachstumsbedingungen ermöglicht, viele Eigenschaften wie z.B. das Gewinnspektrum gezielt zu wählen. Eine besondere Rolle spielt dabei die Zusammensetzung der umgebenden Schichten, die die Zusammensetzung der einzelnen Quantenpunkte maßgeblich beeinflusst. Die Charakterisierung der Ladungsträgerdynamiken zeigt, dass die erhoffte schnelle Erholung der Amplitude immer von einer schwachen, aber unerwünscht langsamen Erholung der Phase begleitet wird. Während dies nichtlineare Anwendungen vor große Herausforderungen stellt, werden Anwendungen wie die lineare Verstärkung durch den kleinen dabei auftretenden Chirp begünstigt. Systemexperimente mit amplituden- und phasenkodierten Signalen zeigen zum ersten Mal, dass quantenpunktbasierte Verstärker weniger Verzerrungen als herkömmliche Verstärker erzeugen. Mit ihrem erhöhten Eingangsleistungsdynamikbereich stellen optische Quantenpunktverstärker daher vielversprechende Bauteile für Zugangsnetze und Netze mit Modulationsverfahren höherer Ordnung darstellen.
Integrated optics are key for a sustainable growth of information technology. Novel compact and fast nonlinear optical components as well as linear optical amplifiers enable new high-speed network functionalities, simultaneously reducing the energy consumption of subsystems. These technological advances are based on nanotechnology: Nano-fabrication of waveguides allows to exploit nonlinear effects at low power levels, and nano-materials like quantum dots provide novel physical properties for amplifiers. In this book, nonlinear silicon-organic hybrid waveguides and state-of-the-art quantum dot semiconductor optical amplifiers are investigated. By a detailed characterization of steady-state and dynamic device properties, advantageous applications are identified, and corresponding proof-of-principle experiments are performed. Highly nonlinear siliconorganic hybrid waveguides such as presented in this work and fabricated with CMOS-compatible processes, show potential as building blocks for all-optical signal processing based on fourwave mixing and cross-phase modulation. The investigation of quantum dot semiconductor optical amplifiers shows that these devices operate as linear amplifiers with a very large dynamic range and are ready for use.