Optimization and fabrication of a fiber-to-waveguide silicon-on-insulator grating coupler

Abstract

Utviklingen av miniatyriserte laboratoriesystemer har blitt et viktig forskningsområde innen integrert fotonikk de siste årene. Mange av disse systemene baserer seg på lysmodulerende strukturer som krever tilstrekkelig med lys for å fungere optimalt. Betydelige tap er dessverre også assosiert med prosessen der lys kobles inn i disse strukturene. Siden bruken av høyintensitetslasere øker produksjonskostnader og potensielt også kan skade integrerte strukturer, er det viktig å optimalisere koblingsteknikker slik at lyskilder med lav intensitet kan benyttes.

I denne masteroppgaven blir silisium-på-isolator-baserte optiske gitterkoblinger undersøkt ved hjelp av COMSOL Multiphysics – en programvare som utfører fysikksimuleringer ved bruk av elementmetoden. Både uniforme og apodiserte strukturer blir betraktet, og optimaliseringer blir gjort for å maksimere koblingseffektiviteten mellom en singelmodusfiber med en 8.2 µm kjernediameter og en rektangulær stripebølgeleder med et 220 nm x 500 nm tverrsnitt. Alle optimaliseringer blir gjort for TE-polarisert lys med 1550 nm bølgelengde, og koplingseffektiviteter på henholdsvis 44 % og 62 % blir demonstrert for uniforme og apodiserte optiske gitterkoblinger.

Uniforme optiske gitterkoblinger blir også laget på et laboratorium ved bruk av teknikker som plasma-forsterket kjemisk dampavsetting fra gassfase (PECVD), elektronstrålelitografi og induktivt koblet plasma-basert reaktiv ioneetsing (ICP-RIE). Krystallinske silisiumsubstrater med et 1 µm tykt lag av termisk grodd silisiumdioksid blir brukt som utgangspunkter for fabrikasjonsprosessen, og den høyeste koblingseffektiviteten som blir demonstrert for de tilvirkede strukturene er 19 %.

The development of miniaturized laboratory systems has become an important area of research for integrated photonics in recent years. Many of these systems are based on light-modulating structures that require sufficient amounts of light to function optimally. Unfortunately, significant losses are also associated with the process of coupling light into these structures. Since the use of high-intensity laser sources both increases production costs and has the potential to damage integrated structures, it is important to optimize coupling techniques such that low-intensity light sources can be used.

In this master's thesis, silicon-on-insulator grating couplers are examined through the use of COMSOL Multiphysics – a physics simulation software based on the finite-element method. Both uniform and apodized grating structures are considered, and optimizations are done to maximize the coupling efficiency between a single-mode optical fiber with a 8.2 µm core diameter and a strip waveguide featuring a 220 nm x 500 nm cross-section. All optimizations are done for TE-polarized light with a 1550 nm wavelength, and coupling efficiencies of 44 % and 62 % were demonstrated for uniform and apodized grating couplers, respectively.

Uniform grating coupler prototypes are fabricated using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), electron-beam lithography (EBL) and inductively coupled plasma reactive-ion etching (ICP-RIE) techniques. Crystalline silicon wafer substrates with a 1 µm layer of thermally grown silica are used as starting points for the fabrication process and the highest coupling efficiency demonstrated for fabricated grating couplers is 19 %.