Atomic layer deposition of erbium-doped thin films for silicon integrated waveguide amplifiers

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-11-29
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
62 + app. 98
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 214/2019
Abstract
Over the past decade, silicon photonics has emerged as one of the most studied and developed fields in photonics and optoelectronics. One of the major reasons for this is to improve the well-developed microelectronic and telecommunication technologies by integrating optical functionalities on integrated circuit chips, which can enable faster response time, wider transmission bandwidth and lower power consumption in low-cost, highly compact silicon-based optical interconnects. However, some of the essential active on-chip functionalities, such as light emission and amplification, have not yet been realized in silicon photonics with cost-effective methods. Therefore, silicon photonics industry is currently in high demand for cost-effective active materials at telecom wavelengths to continue the rapid development of not only the integrated circuit technology, but also the optical telecommunication networks. This thesis presents a simple yet exceptional configuration that combines novel atomic layer deposition processes for strongly-doped erbium-alumina thin films and state-of-the-art silicon nitride waveguides to form cost-effective integrated waveguide amplifiers operating at telecom wavelengths.  The results of this thesis are divided into three main parts. The first part presents a novel plasma-enhanced atomic layer deposition process for strongly-doped erbium-alumina thin films, which enables up to ~3.5 at.% Er-incorporation into alumina before severe concentration quenching occurs. Photoluminescence characterization of the fabricated thin films demonstrates up to 1580 % photoluminescence enhancement at telecom wavelengths with excited state lifetime as long as ~5 ms. The second part combines the optimized plasma-enhanced atomic layer deposition process for strongly-doped erbium-alumina and state-of-the-art silicon nitride slot waveguides to demonstrate ultra-high on-chip optical gain at telecom wavelengths. With both experimental and theoretical analysis, up to ~20 dB/cm net modal gain per unit length is demonstrated in sub-mm to mm-long integrated slot waveguides. The third part demonstrates an improved, faster and more reliable thermal atomic layer deposition process for strongly-doped erbium-alumina thin films, which enables up to ~3.9 at.% Er-ions to be incorporated into alumina with excited state lifetime as long as ~5.8 ms. By combining the improved atomic layer deposition process for erbium-alumina and state-of-the-art silicon nitride strip waveguides, cost-effective integrated waveguide amplifiers are produced with up to ~14 dB/cm net modal gain per unit length over an entire sub-cm waveguide channel. The waveguide amplifiers fabricated and demonstrated in this thesis exhibit the highest net modal gain per unit length ever reported for planar waveguides integrated on silicon, which shows tremendous progress in developing efficient active building blocks on the silicon photonic platform.

Piifotoniikka on viimeisen vuosikymmenen aikana noussut yhdeksi tutkituimmista ja kehittyneimmistä fotoniikan ja optoelektroniikan aloista. Yksi tärkeimmistä syistä tähän on parantaa edistyneitä mikroelektroniikka- ja tietoliikennetekniikoita integroimalla optisia toimintoja integroituihin piireihin, mikä voi mahdollistaa nopeamman vasteajan, suuremman lähetyskaistanleveyden ja pienemmän virrankulutuksen edullisissa, erittäin pienikokoisissa optisissa linkeissä. Joitakin olennaisia aktiivisia toimintoja, kuten laservaloa ja sen vahvistusta, ei kuitenkaan ole vielä pystytty toteutettumaan piifotoniikassa kustannustehokkaiden menetelmien avulla. Tästä johtuen piifotoniikkateollisuudessa on tällä hetkellä suuri kysyntä kustannustehokkaista aktiivisista materiaaleista, jotka voisivat mahdollistaa integroitujen piirien lisäksi myös optisten tietoliikenneverkkojen nopean kehityksen. Tämä väitöskirja on kehittänyt yksinkertaisen, mutta ainutlaatuisen rakenteen, jossa yhdistyvät atomikerroskasvatusprosessit voimakkaasti seostetuille erbium-alumiinioksidiohutkalvoille sekä tämänhetkistä huipputasoa edustavat piinitridiaaltokanavat kustannustehokkaiden valokanavavahvistinten tuottamiseksi.  Tämän väitöskirjan tulokset on jaettu kolmeen pääosaan. Ensimmäisessä osassa esitellään uusi plasma-atomikerroskasvatusprosessi voimakkaasti seostettuille erbium-alumiinioksidiohutkalvoille, mikä mahdollistaa jopa ~3.5 prosentin erbium-seostamisen alumiinioksidiin. Valmistettujen ohutkalvojen avulla on pystytty osoittamaan, että fotoluminesenssia voidaan parantaa jopa 1580 prosentilla viritetyn tilan elinajan pysyessä niin pitkänä kuin 5 ms. Toinen osa yhdistää optimoidun plasma-atomikerroskasvatusprosessin ja huipputasoa edustavat piinitridiaaltokanavat erittäin korkean optisen vahvistuksen saavuttamiseksi integroidulla piirillä. Sekä kokeellisella että teoreettisella analyysillä voidaan osoittaa jopa ~20 dB/cm modaalinen vahvistus pituusyksikköä kohti integroiduissa aaltokanavissa. Kolmannessa osassa esitetään paranneltu, nopeampi ja luotettavampi terminen atomikerroskasvatusprosessi voimakkaasti seostetuille erbium-alumiinioksidiohutkalvoille, mikä mahdollistaa jopa ~3.9 prosentin erbium-seostamisen alumiinioksidiin viritetyn eliniän pysyessä niin pitkänä kuin ~5.8 ms. Kun kyseinen atomikerroskasvatusprosessi yhdistetään tämänhetkistä huipputasoa edustavien piinitridiaaltokanavien kanssa, saadaan aikaan kustannustehokkaita integroituja aaltokanavavahvistimia, joiden modaalinen vahvistus on niin suuri kuin ~14 dB/cm. Tässä väitöskirjassa valmistetut ja tutkitut aaltokanavavahvistimet osoittavat kaikkien aikojen korkeimman modaalisen vahvistuksen pituusyksikköä kohti piille integroiduista tasomaisista aaltokanavista, mikä osoittaa valtavaa edistystä tehokkaiden aktiivisten komponenttien kehittämisessä piifotonisella alustalla.
Description
Supervising professor
Sun, Zhipei, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Sun, Zhipei, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
Erbium, atomic layer deposition, integrated waveguide, silicon photonics, optical amplifier, Erbium, atomikerroskasvatus, integroitu valokanava, piifotoniikka, optinen vahvistin
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Rönn, J., Karvonen, L., Kauppinen, C. J., Pyymäki-Perros, A. P., Peyghambarian, N., Lipsanen, H., Säynätjoki, A., and Sun, Z. Atomic layer engineering of Er-ion distribution in highly Doped Er:Al2O3 for photoluminescence enhancement. ACS Photonics, 3 (11), 2040–2048 (2016).
    DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00283 View at publisher
  • [Publication 2]: Rönn, J., Zhang, W., Autere, A., Leroux, X., Pakarinen, L., Alonso-Ramos, C., Säynätjoki, A., Lipsanen, H., Vivien, L., Cassan, E. and Sun, Z. Ultrahigh on-chip optical gain in erbium-based hybrid slot waveguides. Nature Communications, 10 (1), 432 (2019).
    DOI: 10.1038/s41467-019-08369-w View at publisher
  • [Publication 3]: Rönn, J., Zhang, J., Zhang, W., Tu, Z., Matikainen, A., Leroux, X., Duran-Valdeiglesias, E., Vulliet, N., Boeuf, F., Alonso-Ramos, C., Lipsanen, H., Vivien, L., Sun, Z. and Cassan, E. Er-doped integrated waveguide amplifiers with 14 dB/cm net optical gain on fully industrial 300 mm silicon nitride photonic platform. Submitted to Laser & Photonics Reviews, October (2019).
Citation