Atomic layer deposited Er2O3 for signal amplification in silicon based waveguides

Thumbnail Image

Files

master_Pakarinen_Lasse_2017.pdf (3.08 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2017-08-28

Department

Major/Subject

Micro- and Nanosciences

Mcode

ELEC3037

Degree programme

NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)

Language

en

Pages

54+8

Series

Abstract

Silicon photonics has been utilized in a range of applications, from sensing to all optical signal processing. However, it is challenging to realize active components like amplifiers and lasing with silicon, mainly due to its indirect bandgap. The unique physical properties of erbium as a gain material are well known, especially for fiber optics. Atomic layer deposition is an excellent technology for accurate and conformal thin-film deposition on various surface geometries. Combining the properties of silicon photonics, erbium, and atomic layer deposition can potentially create new opportunities for amplification of the optical signals in optical circuits. In this thesis, two types of samples containing different waveguides were studied and measured (strip silicon waveguide, silicon nitride slot waveguide). Both were coated with erbium-doped aluminum oxide thin films, which were grown with plasma-enhanced atomic layer deposition technique. The focus of the following work was to find out how experimental parameters (e.g., signal wavelength, pump power, waveguide dimension and annealing effect) affect the possibility of the fabricated Erbium doped silicon devices to get optical signal amplification. The largest signal enhancement achieved in the strip waveguides examined in this work was 3.03 dB. Assuming more optimal initial propagation losses of 1 dB/cm, this result means no more than 0.47 dB loss. For the slot waveguides, the best result of signal enhancement was 1.1 dB in a 250 µm long waveguide, which means that it is possible to achieve small net gain with good quality slot waveguides. Our results showed potential of our Erbium doped silicon photonics to achieve net gain for various applications (e.g., inter-chip connection, bio-sensing).

Piifotoniikkaa voidaan käyttää laajasti eri sovelluksissa, sensoroinnista kokonaan optiseen signaalin käsittelyyn. Kuitenkin, on haastavaa toteuttaa aktiivisia komponentteja, kuten vahvistimia ja laserointia, piillä johtuen sen epäsuorasta energiavälistä. Erbiumin uniikit fysikaaliset ominaisuudet vahvistusmateriaalina ovat hyvin tunnetut, varsinkin kuituoptiikassa. Atomikerroskasvatus on puolestaan loistava tekniikka ohutkalvojen tarkkaan kasvatukseen lähes minkä muotoisille pinnoille tahansa. Piifotoniikan, erbiumin ja atomikerroskasvatuksen ominaisuuksien yhdistäminen voi luoda uusia mahdollisuuksia optisten signaalien vahvistamiseen optisissa piireissä. Tässä diplomityössä on tutkittu ja mitattu kahta eri tyyppisiä valokanavia sisältävää näytettä (pii strip valokanavia ja pii nitridi slot valokanavia), jotka molemmat olivat päällystetty plasma avusteisella atomikerroskasvatus tekniikalla kasvatetulla erbium seostetulla alumiinioksidi ohutkalvolla. Työn tarkoituksena oli, selvittää miten kokeelliset parametrit (esim. signaalin aallonpituus, pumppausteho, valokanavien dimensiot ja lämpökäsittely) vaikuttavat valmistettujen Erbium-seostettujen piivalokanavien mahdollisuuteen tuottaa optisen signaalin vahvistusta. Suurin signaalin parantuminen tämän työn strip valokanavissa oli 3,03 dB. Teorian mukaisilla optimaalisilla etenemishäviöillä 1 dB/cm, tämä tulos tarkoittaa enää 0,47 dB vaimennusta. Slot valokanavien paras mitattu signaalin paraneminenoli1,1dB,250 µm pitkällä valokanavalla,mikä tarkoittaa sitä,että hyvälaatuisilla piivalokanavilla on mahdollista saavuttaa pieni nettovahvistus. Tulokset osoittivat potentiaalia, että Erbium-seostettu piifoniikka voi saavuttaa nettovahvistusta erilaisille sovelluksille (esim. inter-chip-yhteyksille, bio-sensoroinnille).

Description

Supervisor

Sun, Zhipei

Thesis advisor

Autere, Anton

Keywords

piifotoniikka, Erbium, atomikerroskasvatus, piivalokanava, valon vahvistaminen

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201709046794

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC