Simulations and design of photonic circuits and setups with the SiN platform
Authors: Χατζηθεοχάρης Δημήτριος 
Published: March 2024

Η πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου (Si3N4) για ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα έχει αποτελέσει αντικείμενο αυξημένης έρευνας λόγω πλεονεκτημάτων όπως χαμηλές απώλειες διάδοσης, διαφάνεια σε πολύ μεγάλο συχνοτικό εύρος, μεγάλη ανοχή σε θερμοκρασιακές μεταβολές, καθώς επίσης και χαμηλό κόστος κατασκευής και επεξεργασίας, λόγω της συμβατότητας με τη τεχνολογία CMOS για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η πλατφόρμα αυτή έχει οδηγήσει στη κατασκευή πολλών Φωτονικών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων που έχουν συμβάλλει σε πληθώρα εφαρμογών όπως αισθητήρες δείκτη διάθλασης, μικροκυματικά φίλτρα, πολυπλέκτες και άλλες, βάσει των βελτιωμένων παθητικών οπτικών χαρακτηριστικών της. Παράλληλα, η φωτονική πυριτίου (Si) έχει εισβάλλει σε συστήματα μετάδοσης μέσα σε κέντρα δεδομένων με διατάξεις οπτικών πομποδεκτών που υποστηρίζουν υψηλές ταχύτητες με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και χαμηλό κόστος. Εντούτοις, η κατασκευή οπτικών πομπών για συστήματα επικοινωνιών μέσα σε ένα κέντρο δεδομένων στη πλατφόρμα Si3N4, που θα προσέφερε βελτιωμένα χαρακτηριστικά σε σχέση με το Si, απαιτεί την συν-ολοκλήρωση των παθητικών κυματοδηγών Si3N4 με ενεργά στοιχεία, όπως διαμορφωτές, lasers, και ενισχυτές, βασισμένα σε ενεργά οπτοηλεκτρονικά υλικά, όπως υλικά της ομάδας III-V και το σιδηροηλεκτρικό υλικό BaTiO3 (BTO). Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη προσομοίωση και σχεδίαση φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και διατάξεων στην πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου (Si3N4), με στόχο τη συνολοκλήρωση της με ενεργές δομές, για εφαρμογές οπτικών διασυνδέσεων μέσα σε κέντρα δεδομένων. Αρχικά, η εργασία παρουσιάζει την ανάλυση και σχεδίαση ενός οπτικού συζεύκτη για τη βέλτιστη μεταφορά φωτός από ένα laser κβαντικών τελειών βασισμένο στο InP σε έναν κυματοδηγό Si3N4. Οι δομές που παρουσιάζονται είναι ιδανικές για την μονολιθική συν-ολοκλήρωση των lasers και των κυματοδηγών στο ίδιο chip. Η βέλτιστη δομή βασίζεται σε έναν τριών στρωμάτων κυματοδηγό νιτριδίου του πυριτίου με προσμίξεις πυριτίου (Si-rich nitride), παρουσιάζοντας απώλειες σύζευξης κοντά στο 1dB και ανακλάσεις στο laser κάτω από -52.6dB. Έπειτα, αναλύεται και προσομοιώνεται η σύζευξη φωτός μεταξύ κυματοδηγών Si3N4 με ετερογενώς ολοκληρωμένους πλασμονικούς διαμορφωτές φάσης βασισμένους στο υλικό BTO και αξιοποιώντας CMOS-συμβατά υλικά, όπως ο χαλκός (Cu). Οι δύο πλασμονικοί κυματοδηγοί υπό μελέτη που εκτελούν τη διαμόρφωση φάσης βασίζονται στον υβριδικό πλασμονικό κυματοδηγό (HPW) και τον πλασμονικό κυματοδηγό τύπου σχισμής (ΜΙΜ). H βέλτιστη δομή αξιοποιεί τον κυματοδηγό ΜΙΜ επιτυγχάνοντας απώλειες διάδοσης 0.78dB/μm με παράγοντα δέσμευσης οπτικής ισχύος ίσο με 56.18% και απώλειες σύζευξης κάτω από 1.29dB ανά διεπαφή σύζευξης. Τέλος, με τη χρήση διαμορφωτών φάσης MIM, παρουσιάζεται η ανάλυση και σχεδίαση συντονισμένων πλασμο-φωτονικών διαμορφωτών Mach-Zehnder in Ring (MZIR) με βάση ευγενή μέταλλα, χρυσό (Au) και άργυρο (Ag), καθώς και CMOS-συμβατά μέταλλα, όπως ο χαλκός (Cu). Οι διαμορφωτές παρουσιάζουν μείωση στην απαιτούμενη τάση σε σχέση με παραδοσιακά συμβολόμετρα Mach-Zehnder κατά 46% για τον Ag, 39% για τον Au και 30% για τον Cu. Οι διατάξεις είναι ικανές να μεταδώσουν σήματα 112Gbaud PAM-4 με μόλις 2x1.3Vpp τάση, διατηρώντας τιμές του παράγοντα Q μεγαλύτερες από 5.