Characterization of directional coupling interfaces between Si-Rich Nitride and SiN waveguides
Creators: name: Ρούμπος, Ιωάννης Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Φωτονικά Ολοκληρωμένα κυκλώματα
Νιτρίδιο Πυριτίου Κατευθυντική σύζευξη φωτός
Photonic Integrated Circuits
Silicon Nitride (SiN)
Directional light coupling

description: Στα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα βασισμένα στην τεχνολογία πυριτίου παρέχεται η δυνατότητα παραγωγής τους σε μεγάλη κλίμακα καθώς μπορούν να συνδυάσουν πολύπλοκα κυκλώματα με χαμηλό κόστος τα οποία εμπεριέχουν ενεργά και παθητικά στοιχεία στην ίδια πλατφόρμα παρόμοια με τα ηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Με την εξέλιξη της φωτονικής πυριτίου έχει εδραιωθεί η τεχνολογία Silicon on Insulator (SOI) παρόλα αυτά τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία του νιτριδίου του πυριτίου (SiN) έχει εμφανιστεί ως εναλλακτική λόγου του χαμηλότερου κόστους υποστρώματος, χαμηλότερων απωλειών διάδοσης και ευκολότερης σύζευξης του φωτός από την οπτική ίνα. Παρόλα αυτά ένας σημαντικός περιορισμός της SiN πλατφόρμας είναι η ενσωμάτωση των πηγών φωτός και των φωτοδιόδων στο κύκλωμα με αποδοτικό τρόπο έτσι ώστε να είναι πλήρως λειτουργικό. Ενώ διάφορες τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, η πιο αποδοτική όσον αφορά το κόστος είναι η μονολιθική ολοκλήρωση των III-V υλικών σε υπόστρωμα πυριτίου. Όμως η μεγάλη αναντιστοιχία στους δείκτες διάθλασης των III-V υλικών και του SiN καθιστά αναποτελεσματική την επιλογή της σύζευξης ακμής ανάμεσα στις δύο πλατφόρμες λόγω των υψηλών ανακλάσεων. Ο πιο αποδοτικός τρόπος σύζευξης είναι η χρήση ενός ενδιάμεσου στρώματος το οποίο λειτουργεί σαν γέφυρα ανάμεσα στις δύο πλατφόρμες. Για αυτό το λόγω αναπτύχθηκε το καινοτόμο υλικό Silicon Rich-Nitride (SRN) με δείκτη διάθλασης n=3.16 η εναπόθεση του οποίο έγινε πάνω από τους SiN κυματοδηγούς με σκοπό την διερεύνηση μιας καινούργιας διεπιφάνειας SRN-SiN. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τον πειραματικό χαρακτηρισμό των δομών που αποτελούνται από διαφορετικά μήκη SRN κυματοδηγών έτσι ώστε να εξαχθούν οι απώλειες διάδοσης σε αυτούς αλλά και οι απώλειες σύζευξης στην διεπιφάνεια SRN-SiN διαμέσου της ανάλυσης Cut-Back. Στο εργαστήριο έγινε αξιολόγηση διαφόρων chip από δύο διαφορετικά wafer Α και Β τα οποία είχαν κατασκευαστεί με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Μετρήθηκαν τέσσερα chip από το wafer A και τρία από το wafer B. Όλες οι δομές από όλα τα chip εμφάνιζαν μη αναμενόμενες διακυμάνσεις στις συναρτήσεις μεταφοράς, η προέλευση των οποίων παραμένει άγνωστη. Επίσης όλα τα chip από το wafer B ήταν κακής ποιότητας και απορρίφθηκαν από την εν συνεχεία ανάλυση. Μετά την εφαρμογή του μετασχηματισμού Fourier, σε ένα από τα chip του wafer A, για την εξομάλυνση των συναρτήσεων μεταφοράς βρέθηκε ότι οι απώλειες σύζευξης στην διεπιφάνεια SRN-SiN ήταν μόνο 1.8 dB ανά διεπιφάνεια στα 1630 nm για την εγκάρσια ηλεκτρική πόλωση. Η εργασία αυτή παρέχει δεδομένα για τον ανασχεδιασμό των διεπιφανειών SRN-SiN.
description: Silicon based Photonic Integrated Circuits (PICs) provide the capability to produce in a large scale, complex low cost circuit layouts comprised of active and passive components on the same die, similar to electronics ICs. While the evolution of Si photonics has relied on Silicon on Insulator (SOI) technology, during the last few years SiN technology has emerged as an alternative due to lower substrate cost, propagation losses and easy coupling to single mode fibers. However, a major limitation of the SiN platform is the incorporation of light sources and photodiodes in an efficient way for the demonstration of fully functional circuits. While various technologies have been developed to tackle this issue, the most cost-efficient way is to monolithically deposit the III-V material on the Si substrate. But, the large refractive index mismatch between III-Vs and SiN renders the direct butt coupling option prohibitive due to large back reflections. The only way to efficiently achieve this option is to employ an intermediate layer that will act as the bridge between the two platforms. For this reason, a novel Silicon Rich Nitride (SRN) material was developed with refractive index n=3.16 and deposited on top of SiN waveguides for the evaluation of a novel SRN-SiN coupling interface. This Thesis is devoted to the experimental characterization of test structures with different SRN waveguide lengths for the extraction of the propagation losses and coupling losses in a novel SRN-SiN interface through cut back analysis. Two wafers A and B were processed in the exact same way and four chips from wafer A and three chips from wafer B were evaluated in the laboratory. All chips from both wafers revealed unexpected ripples in the transfer function that is of unknown origin. Also, all chips from wafer B were of bad quality and were discarded from further analysis. After Fast Fourier Transform smoothing to get rid of this power oscillation, in one chip from wafer A, the losses of the novel SRN-SiN interface were measured only 1.8dB loss per interface at 1630nm for TE polarization. This work provides the data for the redesign of the SRN-SiN interface.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)