Fabrication of microphotonic waveguide components on silicon

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-04-20
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
68, [35]
Series
VTT publications, 630
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.
Description
Keywords
inductively coupled plasma etching, integrated optics, microphotonics, optical device fabrication, optical losses, silicon-on-insulator waveguides, waveguide bends
Other note
Parts
  • K. Solehmainen, T. Aalto, J. Dekker, M. Kapulainen, M. Harjanne, K. Kukli, P. Heimala, K. Kolari, and M. Leskelä, Dry-etched silicon-on-insulator waveguides with low propagation and fiber-coupling losses, Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, No. 11, pp. 3875-3880, 2005. [article1.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
  • K. Solehmainen, T. Aalto, J. Dekker, M. Kapulainen, M. Harjanne, and P. Heimala, Development of multi-step processing in silicon-on-insulator for optical waveguide applications, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, Vol. 8, No. 7, pp. S455-S460, 2006. [article2.pdf] © 2006 Institute of Physics Publishing. By permission.
  • K. Solehmainen, M. Kapulainen, M. Harjanne, and T. Aalto, Adiabatic and multimode interference couplers on silicon-on-insulator, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No. 21, pp. 2287-2289, 2006. [article3.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • G. Przyrembel, B. Kuhlow, K. Solehmainen, T. Aalto, P. Heimala, and L. Moerl, AWG based DWDM multiplexers combined with attenuators on SOI, Proceedings of the 32nd European Conference on Optical Communication (ECOC 2006), paper We3.P.40, 2 p., September 2006, Cannes, France. [article4.pdf] © 2006 La Société de l'Electricité et de l'Electronique et les technologies de l'information et de la communication (SEE). By permission.
  • T. Aalto, K. Solehmainen, M. Harjanne, M. Kapulainen, and P. Heimala, Low-loss converters between optical silicon waveguides of different sizes and types, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No. 5, pp. 709-711, 2006. [article5.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • K. Solehmainen, M. Kapulainen, P. Heimala, and K. Polamo, Erbium-doped waveguides fabricated with atomic layer deposition method, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 16, No. 1, pp. 194-196, 2004. [article6.pdf] © 2004 IEEE. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008057