Guide d onda
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 loss @ 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
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.
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
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
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
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
the edge problem lapped edge clived edge bordo preparato nel processo (etching) on going
the cleaning ethanol? methanol? Acetone? effetti invecchiamento
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
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)
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
Loss measurements: : cut-back Si 3 N 4 @ 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
Perdite di propagazione in CAUSE: -Assorbimento -Diffusione I = I? 0 e -al Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione
Perdite di propagazione I = I 0 e -al in CAUSE: -Assorbimento -Diffusione Perché misurarle: Ottimizzazione dei materiali e dei processi di preparazione
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
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
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
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
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
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
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
sample G1 rib waveguide (Tegal) Si 3 N 4 200 nm sample G2 rib waveguide (Cobrain) BPSG 2000 nm Ln Trasmission Power [a.u.] 148 55 20 7 3 1 Media Max Media Max Si 3 N 4 rib G1 @ 780nm 5 10 15 20 25 30 35 Length [mm] Ln Power [mw] 148 55 20 7 3 1 Si 3 N 4 rib G0 @ 780nm B Linear Fit of G0_B a = 2.7+-0.3 db/cm 10 15 20 25 30 35 Length [mm]
Loss measurements: cut-back @780 nm Sample G5 dry Sample G7 wet (BHF 7:1) Ln Trasmission Power [a.u.] Ln Trasmission Power [a.u.] Sample G6 Si3N4 loaded G6 @ 780nm α =±0.3 1.6 +-0.3 db/cm α=1.6 db/cm 403 Media2 Max2 G6Media2 148 dry + wet Si3N4 loaded G5 @ 780nm α=2.5 ±0.6 α = 2.5 +-0.6 db/cm db/cm 403 media max fit 148 5 10 15 20 25 Length [mm] 30 35 40 5 10 15 20 25 Length [mm] 30 35 40
Top view: loss mesurements Light coupling in 200nm thick channel waveguide of Si 3 N 4 @ 780 nm Coupling light into a 0.2 µm thick waveguide Intensity [a.u.] data linear fit Si 3 N 4 channel G3 @ 780nm a = 0.1 ± 0.07 db/cm 0 5 10 15 20 25 30 35 Length [mm]
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 0.1-0.2 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.
aprile-maggio Mode Profiling ottobre dicembre - gennaio febbraio
Mode profiling Exper. Theory
Profilo di Fascio (Guida strip @780nm) 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)