Fabrication of microphotonic waveguide components on silicon

Abstract

This thesis reports on the development of silicon-based microphotonic waveguide components, which are targeted in future optical telecommunication networks. The aim of the work was to develop the fabrication of silicon microphotonics using standard clean room processes which enable high volume production. The waveguide processing was done using photolithography and etching. The default waveguide structure was the rib-type, with the waveguide thickness varying from 2 to 10 µm. Most of the work was done with silicon-on-insulator (SOI) wafers, in which the waveguide core was formed of silicon. However, the erbium-doped waveguides were realised using aluminium oxide grown with atomic layer deposition. In the multi-step processing, the basic SOI rib waveguide structure was provided with additional trenches and steps, which offers more flexibility to the realisation of photonic integrated circuits.

The experimental results included the low propagation loss of 0.13 and 0.35 dB/cm for SOI waveguides with 9 and 4 µm thicknesses, respectively. The first demonstration of adiabatic couplers in SOI resulted in optical loss of 0.5 dB/coupler and a broad spectral range. An arrayed waveguide grating showed a total loss of 5.5 dB. The work with SOI waveguides resulted also in a significant reduction of bending loss when using multi-step processing. In addition, a SOI waveguide mirror exhibited optical loss below 1 dB/90° and a vertical taper component between 10 and 4 µm thick waveguides had a loss of 0.7 dB. A converter between a rib and a strip SOI waveguides showed a negligible loss of 0.07 dB. In the Er-doped Al2O3 waveguides a strong Er-induced absorption was measured. This indicates potential for amplification applications, once a more uniform Er doping profile is achieved.

Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin piipohjaisia mikrofotoniikan valokanavakomponentteja, jotka on tarkoitettu käytettäväksi tulevaisuuden optisissa tietoliikenneverkoissa. Työn tavoite oli kehittää piipohjaisen mikrofotoniikan valmistusta käyttäen yleisesti käytössä olevia puhdastilaprosesseja, jotka mahdollistavat suuret valmistusmäärät. Valokanavien valmistuksessa käytettiin fotolitografiaa ja syövytystä. Valokanavat olivat perusrakenteeltaan harjannetyyppiä, ja niiden paksuus vaihteli kahdesta kymmeneen mikrometriin. Suurin osa työstä tehtiin välioksidoiduilla piikiekoilla (silicon-on-insulator, SOI), jolloin valokanava muodostui piistä. Erbiumilla seostetut valokanavat tehtiin sen sijaan alumiinioksidiin, joka oli valmistettu atomikerroskasvatuksella. Moniporrasprosessoinnissa SOI-harjannevalokanavan perusrakenteeseen lisättiin ylimääräisiä uria, joiden ansiosta valosignaalin ohjaukseen perustuvien integroitujen piirien toteutus muuttuu joustavammaksi.

Kokeellisiin tuloksiin kuuluivat alhainen etenemishäviö 9 ja 4 µm:n paksuisilla SOI-valokanavilla, joiden häviöiksi mitattiin 0,13 ja 0,35 dB/cm. Ensimmäisillä SOI-valokanaviin valmistetuilla adiabaattisilla optisilla tehonjakajilla saavutettiin 0,5 dB:n optinen häviö komponenttia kohden sekä laaja aallonpituusalue. Optiselle aallonpituusjaotinkomponentille mitattiin 5,5 dB:n häviö. SOI-valokanavilla saavutettiin myös merkittävä kaarroshäviön pieneneminen käyttäen moniporrasprosessointia. SOI-rakenteeseen perustuvan valokanavapeilin optinen häviö oli alle 1 dB/90°. 10 ja 4 µm:n paksuisten valokanavien välille tehdylle liitoskomponentille mitattiin puolestaan 0,7 dB:n häviö. Komponentti, joka muunsi harjannetyypin SOI-valokanavan suorakulmaiseksi valokanavaksi, aiheutti vähäpätöisen, 0,07 dB:n suuruisen häviön. Erbiumilla seostetuista Al2O3-valokanavista mitattiin voimakas erbiumin aiheuttama absorptio. Tämä viittaa mahdollisuuksiin valokanavavahvistimien tuottamisessa, kunhan saavutetaan tasaisempi erbiumin seostusprofiili.