Integrated photonic and plasmonic circuits for optical interconnect applications

Abstract

Living in the era of “BIG DATA” and Internet-Of-Things (IoT) optical interconnecttechnologies have been introduced as essential technological workhorse in scaling up thebandwidth of optical communications across several segments of networks with variousreach, spanning from inter-and intra- Data-Center (DC), rack-to-rack, board-to-board tochip-to-chip communication links. Photonic integration technologies employing SiliconPhotonics and Plasmonics continue to evolve with the prospect of revolutionizing futureoptical interconnects for multidisciplinary applications, by building up powerfulPhotonic-Integrated-Circuits (PICs), yet leveraging the existing CMOS infrastructures.The main research contributions of this thesis revolved around the development of novelsilicon photonic and plasmonic devices as well as circuits, addressing fundamentalrequirements imposed by optical interconnects for DCs and on-chip communications aswell as biosensing applications, complying with CMOS manufacturing standards andaiming at ultra-high performance.At first, a series of uni-directional and bi-directional fully etched Grating-Couplers(GCs) on 340 nm thick Si layer have been proposed aiming to face the challenge of 3Dintegrated Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser arrays on SOI substrates for futureActive-Optical-Cables. GCs designs that employ a 340 nm thick Si layer against otherapproaches that employ grating structures with ultra-fine feature sizes, customized Silayer thickness, thinned oxide buffers, a-Si overlays and more than one etching-stepskeeping the manufacturing complexity at high levels. By applying chirping andapodization techniques based on “meta-heuristic algorithms”, the experimental couplinglosses for a uni-directional, fully etched, apodized and TM operating GC reached 4.8 dBat 1547 nm. Going one step further and taking into account an almost unmodified 0.35μm CMOS Back-End-Of-Line process along with its dielectric stack, bi-directionalSWGCs (Sub-Wavelength Grating Couplers) for TE or TM polarization have beentheoretically proposed exhibiting sub-dB coupling loss values with high immunity tooptical back-reflections and increased alignment tolerance. Sub-wavelength engineeringbased on grating nanostructures has been incorporated for the first time in a bidirectionalGC layout in view of flip-chip bonded VCSEL arrays on SOI.Moving far deeper into the development of photonic integration technologies, aplasmo-photonic waveguide platform is presented, merging Si3N4 photonics with nobleand CMOS Surface-Plasmon-Polariton (SPP) waveguides in view of optical interconnectapplications for DCs and biosensing. More specifically, the co-integration of Si3N4 photonics with gold based slot and stripe SPP waveguides for biosensing applications,relied on butt and vertical directionally coupled Si3N4-to-plasmonic interfaces, thatdemonstrated experimental insertion losses around 2.5 dB in aqueous environment at1550 nm. The proposed interfaces facilitated the excitation of SPP modes on-chipwithout using bulk optics. Si3N4 photonics have been employed instead of Si, in anattempt to exploit their lower propagation losses and manufacturing cost. Finally, twotypes of plasmo-photonic waveguides incorporating stripe and slot based SPPwaveguides, have been demonstrated benchmarking their performance characteristicswith the prospect of being the sensing transducers of interferometric sensors. Followingthe successful co-integration of gold based SPP waveguides on Si3N4 platform, world’sfirst plasmo-photonic platform, merging Si3N4 photonics and Al based SPP waveguidesat telecom wavelengths using CMOS processes is demonstrated. The feasibility of cointegrating Al plasmonic waveguides with Si3N4 photonics employing fully CMOScompliant materials and processes has been demonstrated, by comparing theperformance characteristic of single mode Al SPP waveguides after being fabricatedusing two different fabrication processes. SPP propagation in air and aqueousenvironment has been also demonstrated with an Lspp of 64 μm in air at 1550 nm, whichis the highest reported so far among all the single mode Al based SPP counterparts.Finally, world’s first data traffic at 25 Gb/s over a CMOS SPP waveguide is alsopresented. The signal integrity characteristics of the Al SPP waveguide have beenvalidated through BER measurements showing error free operation with negligiblepower penalty. The proposed CMOS compatible plasmo-photonic platform, using Al asthe plasmonic material of choice due to its good balance between propagation losses anddurability to liquid claddings, revealed strong exploitation potential towardsrevolutionizing optical interconnects for both on-chip communications and biosensingapplications.

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.