What is a dielectric waveguide?

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1 Guide d onda

2 What is a dielectric waveguide? A waveguide acts as a light trap Total internal reflection conditions: n core >n cladding, core: active dielectric mat., cladding: surrounding mat. θ < θ c = cos -1 (n clad. /n core ) ; {θ>θ c power interfaces extinction} Optical wg provide the connections in integrated optics 1D-Waveguide Several geometries: z y n cladding n core θ θ c 2 1 Slab 1D wg Rib 2D wg Cylinder - fiber x n cladding 2

3 Waveguide analysis Studying the propagation of an e.m. plane wave: Maxwell s equations; Self-consistency conditions; Boundary conditions: E t (1) = E t (2) H t (1) = H t (2) E = 0 H = 0 Solving the problem bounce angles: propagation constant; field distribution; group velocities.

4 What we would like to know? Waveguide modes Their refractive index Definition: Mode is the optical field that maintain the same transverse distribution and polarisation along the waveguide axis (satisfies the phase-matching condition). TE modes: E lies along y-axis TM modes: H lies along y-axis 1D case: M 2(d/λ 0 )NA 2D case: M (π/4)(2d/λ 0 ) 2 NA 2 d=layer thickness, NA= (n 2 core -n2 clad. )1/2 z core core y θ x θ TE mode E E TM mode H H E H

5 Riflessione totale: n core > n cladding θ < θ c = cos -1 (n clad. /n core ) Parametri chiave: Indici di rifrazione (materiali) Dimensioni del core (tecnologie) Geometria (design) Immagine microscopio Canale 10µm

6 Produzione: Tecnologia CMOS Compatibile Attacco Bagnato Processo 200nm - Deposizione LPCVD Si3N4 Core SiO2 n= 1.46 Cladding Si3N4 n= 2.0 Core (vis) Si n= 3.5 Core (IR) - Trattamento termico Annealing Si 18h. 600 C Poly-Si - Attacco chimico Bagnato (wet) Asciutto (dry) Attacco asciutto 200nm Si3N4Core

7 Accoppiare la luce in guida Canale Guida 200nm x 10µm Perdite Dimensioni fibra - guida Øfibra = 10µm Apertura numerica Riflessione di Fresnel Disallineamento Difetti nelle facce Diffusione (scattering) Disaccoppiamento

8 the edge problem lapped edge clived edge bordo preparato nel processo (etching) on going

9 the cleaning ethanol? methanol? Acetone? effetti invecchiamento

10 Waveguide coupling... Intrinsic causes of coupling loss modal mismatch reflection loss Objectives and nanopositioning Extrinsic causes of coupling loss misalignement facet defects scattering and absorption Tapered fibers

11 Waveguide setup xyz nano-positioning (IN & OUT), xyz stage (OUT) Sources: 780, 1300 & 1550nm (tunable) laser objectives (from 10 to 80x) and tapered fiber (VIS & IR) Detectors: Si CCD (VIS) and InGaAs array (IR)

12 Accoppiamento in Laboratorio Fibra ottica Collimatore Obiettivo Obiettivi Guida d onda Procedure di allestimento setup - Montaggio e studio componentistica Fibra ottica - Misure dimensioni fascio laser Guida d onda - Analisi NA e distanze di lavoro obiettivi Nanoposizionamenti piezoelettrici

13 Loss measurements: : cut-back Si 3 N 780nm rib 200 nm loaded TEOS 520 nm channel Si 3 N 4 BPSG (2000nm) Si 3 N 4 BPSG (2000nm) Si 3 N 4 BPSG (2000nm) Si-substrate Si-substrate Si-substrate Aim Production of rectangular waveguides Role of interface roughness Testing of different etching techniques: Si 3 N 4 : Tegal,Cobrain TEOS: wet or dry, wet and dry Loss measurements Sample G4

14 Perdite di propagazione in CAUSE: -Assorbimento -Diffusione I = I? 0 e -al Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione

15 Perdite di propagazione I = I 0 e -al in CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione

16 Perdite di propagazione I = I 0 e -al in Misura con tecnica cut-back Supponiamo accoppiamento omogeneo CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Laser in L 1 Guida Fotodiodo Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione I L 1 L

17 Perdite di propagazione I = I 0 e -al in Misura con tecnica cut-back Supponiamo accoppiamento omogeneo CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Laser in L 2 Guida Fotodiodo Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione I L 2 L 1 L

18 Perdite di propagazione I = I 0 e -al in Misura con tecnica cut-back Supponiamo accoppiamento omogeneo CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Laser in L 3 Guida Fotodiodo Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione I L 3 L 2 L 1 L

19 Perdite di propagazione I = I 0 e -al in Misura con tecnica cut-back Supponiamo accoppiamento omogeneo CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Laser in L 4 Guida Fotodiodo Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione I L 4 L 3 L 2 L 1 L

20 Perdite di propagazione I = I 0 e -al in Misura con tecnica cut-back I CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione L 4 L 3 L 2 ln (I)= ln(i 0 ) - al L 1 L

21 Perdite di propagazione I = I 0 e -al in Misura con tecnica cut-back ln(i) CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione L 4 L 3 L 2 ln (I)= ln(i 0 ) - al Fit lineare a L 1 L

22 Setup e metodo di misura Accoppiamenti omogenei Precisione Pulizia Riproducibilità Fotodiodo Beam splitter?=780nm Ottimizzazione accoppiamento mediante movimenti piezo: immagine frontale immagine dall alto massimizzazione I out

23 sample G1 rib waveguide (Tegal) Si 3 N nm sample G2 rib waveguide (Cobrain) BPSG 2000 nm Ln Trasmission Power [a.u.] Media Max Media Max Si 3 N 4 rib 780nm Length [mm] Ln Power [mw] Si 3 N 4 rib 780nm B Linear Fit of G0_B a = db/cm Length [mm]

24 Loss measurements: nm Sample G5 dry Sample G7 wet (BHF 7:1) Ln Trasmission Power [a.u.] Ln Trasmission Power [a.u.] Sample G6 Si3N4 loaded 780nm α =± db/cm α=1.6 db/cm 403 Media2 Max2 G6Media2 148 dry + wet Si3N4 loaded 780nm α=2.5 ±0.6 α = db/cm db/cm 403 media max fit Length [mm] Length [mm]

25 Top view: loss mesurements Light coupling in 200nm thick channel waveguide of Si 3 N 780 nm Coupling light into a 0.2 µm thick waveguide Intensity [a.u.] data linear fit Si 3 N 4 channel 780nm a = 0.1 ± 0.07 db/cm Length [mm]

26 Propagation losses On the basis of a careful comparison between different waveguide geometries and etching processes, the best choice in terms of propagation losses is the channel waveguides, which have shown losses of about db/cm, and good reproducibility as a function of time and channels. The choice of dry etching rather than wet etching is to be considered for smaller channel width.

27 aprile-maggio Mode Profiling ottobre dicembre - gennaio febbraio

28 Mode profiling Exper. Theory

29 Profilo di Fascio (Guida Si 3 N 4 BPSG (2000nm) Si-substrate Modo 1 di 32 Modo 6 di 32 Modo 10 di 32 - Si distinguono i modi di ordine superiore - Dimensioni laterali del canale molto elevate (10µm)