Design of low-loss coupling interfaces between quantum dot lasers and Si3N4 photonic integrated circuits
Creators: name: Χατζηθεοχάρης, Δημήτριος Θεοχάρη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Διεπαφές Σύζευξης
Φωτονικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα
Lasers
Coupling Interfaces
Photonic Integrated Circuits

description: Applications such as cloud computing, supercomputing, and mobile applications demanding internet connection are growing day by day, escalating the IP-traffic in modern communication scenarios. Networks such as those utilized in the case of Inter- and Intra-Data-Center communications, 5G, and coherent communications need to be reevaluated both from an algorithmic and a technological point of view, in order to cope up with the ensuing bottlenecks. Photonic integrated circuits have appeared in the last few years, providing low cost and unmatched performance transmitters and receivers for employment in these challenging scenarios. However, the main problem in silicon photonics has always been the monolithic integration of laser sources on a silicon substrate. During the last two years, a lot of research has effectively demonstrated InP QD-lasers epitaxially grown on silicon substrates. In order to employ these sources in low-cost and high-performance transmitter circuits, the active components need to be integrated with a passive photonic platform in a monolithic manner. In this thesis we present a monolithic low-loss interface design between an InP-based QD emitter epitaxially grown on silicon and the low-cost established 800nm-thick Si3N4 passive photonic platform. All the designs employ an intermediate waveguide to couple light from the emitter to the Si3N4 waveguide. Two materials have been investigated for employment in the intermediate waveguide, a stoichiometric Si3N4 and a Si-rich nitride, fabricated by III-V Labs (France) with a refractive index close to that of InP. Numerical electromagnetic 2D-FD and 3D-FDTD calculations have been utilized for the design analysis. Lithographic masks have been designed for the fabrication of the coupling step from Si-rich nitride to Si3N4. The proposed designs are expected to have a great impact for future realization of low-cost and high-performance Application Specific or General Purpose monolithic photonic integrated circuits on silicon substrates.
description: Εφαρμογές όπως υπολογιστικά νέφη, υπολογισμοί υψηλών επιδόσεων, και κινητές εφαρμογές οι οποίες απαιτούν σύνδεση στο διαδίκτυο αυξάνονται μέρα με τη μέρα, εκτοξεύοντας την IP-κίνηση σε μοντέρνα σενάρια επικοινωνίας. Δίκτυα όπως αυτά που χρησιμοποιούνται μέσα σε ένα Κέντρο Δεδομένων, μεταξύ Κέντρων Δεδομένων, Δίκτυα 5G, και δίκτυα σε σενάρια σύμφωνης επικοινωνίας, πρέπει να επαναπροσδιοριστούν σε αλγοριθμικό και σε τεχνολογικό επίπεδο για να αποφευχθούν τα αναμενόμενα κωλύματα επικοινωνίας. Τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν εμφανιστεί τα τελευταία χρόνια, παρέχοντας χαμηλού κόστους και ασύγκριτων επιδόσεων πομπούς και δέκτες για εφαρμογή σε αυτά τα απαιτητικά σενάρια. Εντούτοις, το βασικό πρόβλημα στη φωτονική πυριτίου ανέκαθεν ήταν η μονολιθική ολοκλήρωση πηγών laser σε υπόστρωμα πυριτίου. Τα τελευταία δύο χρόνια, lasers κβαντικών τελειών βασισμένα στο InP και επιταξιακά ανεπτυγμένα σε υπόστρωμα πυριτίου έχουν παρουσιαστεί από την ερευνητική κοινότητα. Για την εφαρμογή αυτών των πηγών σε χαμηλού κόστους και υψηλών επιδόσεων κυκλώματα πομπών, τα ενεργά στοιχεία πρέπει να ολοκληρωθούν με μία παθητική φωτονική πλατφόρμα με μονολιθικό τρόπο. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, παρουσιάζεται μία μονολιθική χαμηλών απωλειών διεπαφή σύζευξης μεταξύ ενός πομπού κβαντικής τελείας βασισμένου στο InP και επιταξιακά ανεπτυγμένου στο πυρίτιο και μίας χαμηλού κόστους καθιερωμένης 800nm πάχους Si3N4 παθητικής φωτονικής πλατφόρμας. Όλοι οι σχεδιασμοί εφαρμόζουν μία ενδιάμεση δομή κυματοδήγησης για σύζευξη του φωτός από τον πομπό στον Si3N4 κυματοδηγό. Δύο υλικά έχουν ερευνηθεί για χρήση στην ενδιάμεση δομή κυματοδήγησης, το στοιχειομετρικό νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4) και ένα νιτρίδιο του πυριτίου εμπλουτισμένο με προσμίξεις πυριτίου (Si-rich nitride), κατασκευασμένο από τη III-V Labs (France) με έναν δείκτη διάθλασης κοντά σε αυτόν του InP. Αριθμητικές ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις 2D-FD και 3D-FDTD έχουν χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία της σχεδίασης. Λιθογραφικές μάσκες έχουν σχεδιαστεί για την κατασκευή του σταδίου σύζευξης από το Si-rich nitride στο Si3N4. Οι προτεινόμενοι σχεδιασμοί αναμένεται ότι θα έχουν μεγάλο αντίκτυπο στη μελλοντική παρουσίαση χαμηλού κόστους και υψηλών επιδόσεων Ειδικού ή Γενικού Σκοπού μονολιθικά φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα σε υποστρώματα πυριτίου.