Integrated photonic and plasmonic circuits for optical interconnect applications

Abstract

Διανύοντας την εποχή των «BIG DATA» και του «Internet-Of-Things» η τεχνολογίαοπτικών διασυνδέσεων διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην επεκτασιμότητα τουδιαθέσιμου εύρους ζώνης των οπτικών επικοινωνιών στα διάφορα τμήματα δικτύωνεπικοινωνίας και καναλιών ποικίλης έκτασης όπως ικρίωμα-προς-ικρίωμα, πλακέτα-προς-πλακέτα και πλινθίο-προς-πλινθίο. Στο πλαίσιο, αυτό οι φωτονικές τεχνολογίεςολοκλήρωσης εξελίσσονται συνεχόμενα με αυξανόμενος ρυθμούς χρησιμοποιώνταςτεχνολογίες πυριτίου και πλασμονίων με απώτερο στόχο την ριζική βελτιστοποίηση τωνοπτικών διασυνδέσεων για διάφορες εφαρμογές, παρέχοντας ολοκληρωμένα φωτονικάκυκλώματα συμβατά με τα κατασκευαστικά πρότυπα της τεχνολογίας CMOS. Η έρευναπου πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, επικεντρώνεταιστην ανάπτυξη καινοτόμων φωτονικών και πλασμονικών διατάξεων καθώς και κυκλωμάτωνλαμβάνοντας υπόψιν προϋποθέσεις και ανάγκες οπτικών διασυνδέσεων κυρίως για εφαρμογέςοπτικών επικοινωνιών σε «Κέντρα Δεδομένων» και σε επίπεδο πλινθίου καθώς επίσης και σεεφαρμογές βιοαισθητήρων. Όλες οι προτεινόμενες διατάξεις και κυκλώματα στοχεύουν σευψηλές αποδόσεις καθώς και στην συμβατότητά τους με τα κατασκευαστικά πρότυπα τηςτεχνολογίας CMOS.Στην αρχή της παρούσας διατριβής, παρουσιάζεται μια σειρά μονοκατευθυντικών αλλάκαι αμφίδρομων περιθλαστικών συζευκτών συστοιχίας κυματοδηγού σε στρώμα πυριτίουύψους 340 nm, με στόχο την επίλυση του προβλήματος της σύζευξης του φωτός απόδιατάξεις λέιζερ κατακόρυφης-κοιλότητας-επιφανειακής-εκπομπής (VCSEL) σευποστρώματα πυριτίου-σε-μονωτή χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες μεθόδους ολοκλήρωσηςγια μελλοντικά ενεργά οπτικά καλώδια. Η σχεδίαση των περιθλαστικών συζευκτών λαμβάνειυπόψιν ένα στρώμα πυριτίου ύψους 340 nm έναντι άλλων προσεγγίσεων που χρησιμοποιούνδομές με εξαιρετικά μικρά δομικά χαρακτηριστικά, προσαρμοσμένα ύψη στρώματοςπυριτίου, επικαλύψεις άμορφου-πυριτίου (a-Si) και περισσότερα από ένα επίπεδα χάραξης.Με την εφαρμογή τεχνικών «τετερίσματος» και «πλήρους απεριοδικής δομής» βασισμένωνσε "μετα- ευριστικούς αλγορίθμους", οι πειραματικές απώλειες σύζευξης για έναμονοκατευθυνικό συζεύκτη, μονής χάραξης, πλήρους απεριοδικής δομής και εγκάρσιαςμαγνητικής πόλωσης (ΤΜ) έφτασαν τα 4.8 dB στα 1547 nm. Προχωρώντας ένα βήμαπαραπέρα και λαμβάνοντας υπόψη ένα σχεδόν αμετάβλητο κατασκευαστικό πρότυπο 0.35μm CMOS Back-End-of-Line μαζί με τη διηλεκτρική του στοίβα, δύο αμφίδρομοισυζεύκτες με δομικά χαρακτηριστικά μικρότερα του μήκους κύματος κατά μήκος και κατάπλάτος της δομής, για εγκάρσια ηλεκτρική (ΤΕ) ή μαγνητική (ΤΜ) πόλωση, προτείνονται θεωρητικά με τιμές απώλειας σύζευξης μικρότερες του ενός dB επιδεικνύοντας υψηλή ανοχήσε οπτικές ανακλάσεις και σφάλματα ευθυγράμμισης. Η σχεδίαση αμφίδρομων συζευκτώνβασιζόμενη στην μέθοδο «δομικών χαρακτηριστικών μικρότερων του μήκους κύματος»ενσωματώνεται για πρώτη φορά σε συζεύκτες αμφίδρομης διάταξης ενόψει τηςτρισδιάστατης ολοκλήρωσης συστοιχιών VCSEL σε υποστρώματα πυριτίου-σε-μονωτή.Προχωρώντας πολύ πιο βαθιά στην ανάπτυξη των τεχνολογιών φωτονικής ολοκλήρωσης,παρουσιάζεται μια «πλασμο-φωτονική» πλατφόρμα κυματοδηγού, που συνδυάζει τηφωτονικούς κυματοδηγούς νιτριδίου-του-πυριτίου (Si3N4) με CMOS πλασμονικούςκυματοδηγούς (Surface-Plasmon-Polariton-(SPP)), ενόψει εφαρμογών οπτικώνδιασυνδέσεων για «Κέντρα-Δεδομένων» και βιοαισθητήρων. Συγκεκριμένα, η συνένωση τηςφωτονικής Si3N4 με πλασμονικούς SPP κυματοδηγούς σχισμής και λωρίδας για εφαρμογέςβιοαισθητήρων βασίστηκε σε «πλάσμο-φωτονικές» διεπαφές για από άκρη-σε-άκρη καικατακόρυφα σχήματα σύζευξης, οι πειραματικές απώλειες των οποίων κυμαίνονται περίπουστα 2.5 dB για υδάτινα περιβλήματα κυματοδηγού στα 1550 nm . Οι προτεινόμενεςδιεπαφές διευκολύνουν τη διέγερση πλασμονικών ρυθμών κυματοδήγησης σε επίπεδοπλινθίου χωρίς τη χρήση ογκωδών οπτικών συστημάτων. Μετά την επιτυχή συνένωση τωνκυματοδηγών SPP με βάση το χρυσό με φωτονικούς κυματοδηγούς πλατφόρμας Si3N4,παρουσιάζεται η πρώτη «πλάσμο-φωτονική» πλατφόρμα παγκοσμίως, συνενώνονταςφωτονικούς Si3N4 και πλασμονικούς SPP κυματοδηγούς πλήρως συμβατούς με τηντεχνολογία CMOS σε τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεταιη αποτελεσματική συνένωση κυματοδηγών αλουμίνιου (Al) με φωτονικούς Si3N4ακολουθώντας διεργασίες CMOS και συγκρίνοντας τα χαρακτηριστικά απόδοσής τουςσυγκρίνοντας δύο διαφορετικές διεργασίες κατασκευής. Η διάδοση του πλασμονικούρυθμού στον αέρα αλλά και υπό την παρουσία υδάτινου περιβλήματος, κατέδειξε μήκηπλασμονικής κυματοδήγησης της τάξης των 64 μm στον αέρα στα 1550 nm, το οποίο είναιτο υψηλότερο μέχρι στιγμής σε όλους τους ομολόγους πλασμονικούς κυματοδηγούς πουβασίζονται σε αλουμίνιο. Τέλος, παρουσιάζεται επίσης η πρώτη μετάδοση δεδομένωνπαγκοσμίως στα 25 Gb / s μέσω ενός CMOS πλασμονικού κυματοδηγού. Τα ποιοτικάχαρακτηριστικά μετάδοσης δεδομένων επικυρωθήκαν μέσω μετρήσεων-ρυθμού-σφαλμάτων(BER) που δείχνουν λειτουργία χωρίς σφάλματα με αμελητέα ποινή ισχύος.