Ιntegrated photonic and plasmonic circuits for optical interconnect applications
Creators: name: Ντάμπος, Γεώργιος Χρ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Ολοκληρωμένα Φωτονικά Κυκλώματα
Ολοκληρωμένα Πλασμονικά Κυκλώματα
Οπτικές Διασυνδέσεις
Φωτονική Τεχνολογία Πυριτίου
Integrated Photonic Circuits
Integrated Plasmonic Circuits
Optical Interconnects
Silicon Photonics Technology

description: Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, επικεντρώνεται στην ανάπτυξη καινοτόμων φωτονικών και πλασμονικών διατάξεων καθώς και κυκλωμάτων λαμβάνοντας υπόψιν προϋποθέσεις και ανάγκες οπτικών διασυνδέσεων κυρίως για εφαρμογές οπτικών επικοινωνιών σε «Κέντρα Δεδομένων» και σε επίπεδο πλινθίου καθώς επίσης και σε εφαρμογές βιοαισθητήρων. Όλες οι προτεινόμενες διατάξεις και κυκλώματα στοχεύουν σε υψηλές αποδόσεις καθώς και στην συμβατότητά τους με τα κατασκευαστικά πρότυπα της τεχνολογίας CMOS. Στην αρχή της παρούσας διατριβής, παρουσιάζεται μια σειρά μονοκατευθυντικών αλλά και αμφίδρομων περιθλαστικών συζευκτών συστοιχίας κυματοδηγού σε στρώμα πυριτίου ύψους 340 nm, με στόχο την επίλυση του προβλήματος της σύζευξης του φωτός από διατάξεις λέιζερ κατακόρυφης-κοιλότητας-επιφανειακής-εκπομπής (VCSEL) σε υποστρώματα πυριτίου-σε-μονωτή χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες μεθόδους ολοκλήρωσης για μελλοντικά ενεργά οπτικά καλώδια. Με την εφαρμογή τεχνικών «τετερίσματος» και «πλήρους απεριοδικής δομής» βασισμένων σε "μετα- ευριστικούς αλγορίθμους", οι πειραματικές απώλειες σύζευξης για ένα μονοκατευθυνικό συζεύκτη, μονής χάραξης, πλήρους απεριοδικής δομής και εγκάρσιας μαγνητικής πόλωσης (ΤΜ) έφτασαν τα 4.8 dB στα 1547 nm. Προχωρώντας ένα βήμα παραπέρα και λαμβάνοντας υπόψη ένα σχεδόν αμετάβλητο κατασκευαστικό πρότυπο 0.35 μm CMOS Back-End-of-Line μαζί με τη διηλεκτρική του στοίβα, δύο αμφίδρομοι συζεύκτες με δομικά χαρακτηριστικά μικρότερα του μήκους κύματος κατά μήκος και κατά πλάτος της δομής, για εγκάρσια ηλεκτρική (ΤΕ) ή μαγνητική (ΤΜ) πόλωση, προτείνονται θεωρητικά με τιμές απώλειας σύζευξης μικρότερες του ενός dB επιδεικνύοντας υψηλή ανοχή σε οπτικές ανακλάσεις και σφάλματα ευθυγράμμισης. Προχωρώντας πολύ πιο βαθιά στην ανάπτυξη των τεχνολογιών φωτονικής ολοκλήρωσης, παρουσιάζεται μια «πλασμο-φωτονική» πλατφόρμα κυματοδηγού, που συνδυάζει τη φωτονικούς κυματοδηγούς νιτριδίου-του-πυριτίου (Si3N4) με CMOS πλασμονικούς κυματοδηγούς (Surface-Plasmon-Polariton-(SPP)), ενόψει εφαρμογών οπτικών διασυνδέσεων για «Κέντρα-Δεδομένων» και βιοαισθητήρων. Συγκεκριμένα, η συνένωση της φωτονικής Si3N4 με πλασμονικούς SPP κυματοδηγούς σχισμής και λωρίδας για εφαρμογές βιοαισθητήρων βασίστηκε σε «πλάσμο-φωτονικές» διεπαφές για από άκρη-σε-άκρη και κατακόρυφα σχήματα σύζευξης, οι πειραματικές απώλειες των οποίων κυμαίνονται περίπου στα 2.5 dB για υδάτινα περιβλήματα κυματοδηγού στα 1550 nm. Οι προτεινόμενες διεπαφές διευκολύνουν τη διέγερση πλασμονικών ρυθμών κυματοδήγησης σε επίπεδο πλινθίου χωρίς τη χρήση ογκωδών οπτικών συστημάτων. Μετά την επιτυχή συνένωση των κυματοδηγών SPP με βάση το χρυσό με φωτονικούς κυματοδηγούς πλατφόρμας Si3N4, παρουσιάζεται η πρώτη «πλάσμο-φωτονική» πλατφόρμα παγκοσμίως, συνενώνοντας φωτονικούς Si3N4 και πλασμονικούς SPP κυματοδηγούς πλήρως συμβατούς με την τεχνολογία CMOS σε τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η αποτελεσματική συνένωση κυματοδηγών αλουμίνιου (Al) με φωτονικούς Si3N4 ακολουθώντας διεργασίες CMOS και συγκρίνοντας τα χαρακτηριστικά απόδοσής τους συγκρίνοντας δύο διαφορετικές διεργασίες κατασκευής. Η διάδοση του πλασμονικού ρυθμού στον αέρα αλλά και υπό την παρουσία υδάτινου περιβλήματος, κατέδειξε μήκη πλασμονικής κυματοδήγησης της τάξης των 64 μm στον αέρα στα 1550 nm, το οποίο είναι το υψηλότερο μέχρι στιγμής σε όλους τους ομολόγους πλασμονικούς κυματοδηγούς που βασίζονται σε αλουμίνιο. Τέλος, παρουσιάζεται επίσης η πρώτη μετάδοση δεδομένων παγκοσμίως στα 25 Gb / s μέσω ενός CMOS πλασμονικού κυματοδηγού. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά μετάδοσης δεδομένων επικυρωθήκαν μέσω μετρήσεων-ρυθμού-σφαλμάτων (BER) που δείχνουν λειτουργία χωρίς σφάλματα με αμελητέα ποινή ισχύος.
description: The main research contributions of this thesis revolved around the development of novel silicon photonic and plasmonic devices as well as circuits, addressing fundamental requirements imposed by optical interconnects for DCs and on-chip communications as well as biosensing applications, complying with CMOS manufacturing standards and aiming at ultra-high performance. At first, a series of uni-directional and bi-directional fully etched Grating-Couplers (GCs) on 340 nm thick Si layer have been proposed aiming to face the challenge of 3D integrated Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser arrays on SOI substrates for future Active-Optical-Cables. By applying chirping and apodization techniques based on “meta-heuristic algorithms”, the experimental coupling losses for a uni-directional, fully etched, apodized and TM operating GC reached 4.8 dB at 1547 nm. Going one step further and taking into account an almost unmodified 0.35 μm CMOS Back-End-Of-Line process along with its dielectric stack, bi-directional SWGCs (Sub-Wavelength Grating Couplers) for TE or TM polarization have been theoretically proposed exhibiting sub-dB coupling loss values with high immunity to optical back-reflections and increased alignment tolerance. Moving far deeper into the development of photonic integration technologies, a plasmo-photonic waveguide platform is presented, merging Si3N4 photonics with noble and CMOS Surface-Plasmon-Polariton (SPP) waveguides in view of optical interconnect applications for DCs and biosensing. More specifically, the co-integration of Si3N4 photonics with gold based slot and stripe SPP waveguides for biosensing applications, relied on butt and vertical directionally coupled Si3N4-to-plasmonic interfaces, that demonstrated experimental insertion losses around 2.5 dB in aqueous environment at 1550 nm. The proposed interfaces facilitated the excitation of SPP modes on-chip without using bulk optics. Finally, two types of plasmo-photonic waveguides incorporating stripe and slot based SPP waveguides, have been demonstrated benchmarking their performance characteristics with the prospect of being the sensing transducers of interferometric sensors. Following the successful co-integration of gold based SPP waveguides on Si3N4 platform, world’s first plasmo-photonic platform, merging Si3N4 photonics and Al based SPP waveguides at telecom wavelengths using CMOS processes is demonstrated. The feasibility of co-integrating Al plasmonic waveguides with Si3N4 photonics employing fully CMOS compliant materials and processes has been demonstrated, by comparing the performance characteristic of single mode Al SPP waveguides after being fabricated using two different fabrication processes. SPP propagation in air and aqueous environment has been also demonstrated with an Lspp of 64 μm in air at 1550 nm, which is the highest reported so far among all the single mode Al based SPP counterparts. Finally, world’s first data traffic at 25 Gb/s over a CMOS SPP waveguide is also presented. The signal integrity characteristics of the Al SPP waveguide have been validated through BER measurements showing error free operation with negligible power penalty.