Plasmo-photonic integrated circuits for interconnect and sensing applications

Abstract

Thanks to advanced semiconductor fabrication technology, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)-enabled Photonic Integrated Circuits (PICs) constitute a major driving force to address the requirements in a diverse range of applications, spanning from optical interconnects to optical biosensing. Nevertheless, as market demands continue to increase every day, modern photonic integrated devices are approaching their size and performance limits. In this context, a harmonic and balanced combination of silicon photonics with CMOS plasmonic elements has been proposed as the key enabling technology that is expected to bring a revolution in photonic integrated circuits. As such, the main contributions of this thesis focused on the development of novel plasmo-photonic waveguides and devices in alignment with CMOS fabrication standards towards on-chip communications and biosensing applications. Initially, the co-integration of Aluminum stripe plasmonic waveguides with Si3N4 photonics, employing fully CMOS compliant materials was investigated. Si3N4 photonics have been employed as an alternative dielectric platform instead of SOI, in an attempt to exploit their lower propagation losses, manufacturing cost and wavelength transparency. Experimental characterization on fabricated samples revealed SPP propagation length in air equal to 50 μm at 1550 nm telecom wavelength. The proposed co-integration scheme facilitated on-chip excitation of the SPP modes, relying on a butt-coupled Si3N4-to-Al interface with experimentally measured loss of 4.4 dB, avoiding the use of bulk optics. Furthermore, world’s first WDM data traffic experiment at 200 Gb/s over a CMOS aluminum SPP waveguide is also presented. The signal integrity characteristics of the aluminum SPP waveguide were validated via BER measurements revealing error free operation for all channels with negligible power penalties. Demarcating from on-chip optical communications, a CMOS plasmo-photonic platform in view of biosensing applications is presented. More specifically, the co-integration of Si3N4 photonics with open cladded and water loaded Al-based stripe and slot Surface Plasmon Polariton (SPP) waveguides was investigated, exploiting a butt and vertical directionally coupled Si3N4–to-plasmonic interfaces that demonstrated experimental insertion loss around 2.7 dB in aqueous environment at telecom wavelengths. Subsequently, a benchmarking between the performance characteristics of the two plasmo-photonic waveguides is presented, including metrics such as propagation length, effective mode area, phase change per unit length and bulk sensitivity when incorporated in MZI sensor. Moving far deeper into the development of plasmo-photonic circuits for sensing applications, a novel plasmonic-assisted Si3N4 refractive index sensor scheme with optimization and multifunctional capabilities is proposed. According to the results of the above benchmarking, stripe-based SPP waveguides shows higher Lspp values along with higher sensitivity characteristics. Therefore, the plasmonic stripe waveguide was selected to realize the sensing transducer of the proposed plasmo-photonic sensor. More specifically, the proposed sensor comprised of a Si3N4 based Mach-Zehnder Interferometer (MZI) that employs a 70 μm long open cladded SPP stripe waveguide in the sensing arm. The reference arm of the MZI sensor consist of a thermo-optic heater-based phase shifter for tuning the sensor’s resonance wavelengths followed by a Variable Optical Attenuator (VOA) as the means to maximize the Extinction Ration (ER) for increased spectral resolution. Gold (Au) was initially deployed as the reference material, considering its maturity in plasmonic biosensing applications. Experimental evaluation of the proposed sensing device revealed bulk sensitivity values up to 1930 nm/RIU, along with an extinction ratio of more than 35 dB, demonstrating the functional benefits of the co-integration of plasmonic and photonic waveguides. Following the successful demonstration of gold-based plasmo-photonic sensor, aluminum was employed as the metal material for the sensing transducer as the means to offer a CMOS compatible material platform, enabling volume manufacturing. Bulk sensitivity was evaluated with various aqueous solutions, showcasing record-high bulk sensitivity values of 4764 nm/RIU with clear potential to scale up the bulk sensitivity values even more by properly engineering the design parameters of the MZI, harnessing the sensing capabilities of a miniaturized (7μm 70μm) plasmonic transducer. In a nutshell, the proposed CMOS compatible plasmo-photonic platform, exploiting Al as the plasmonic metal, offer durability to liquid claddings, ultra-high bulk sensitivity values and validated WDM signal integrity characteristics, highlighting a clear roadmap for the development of future high-performance and low-cost devices in the areas of optical interconnects and biosensing.

Χάρη στην προηγμένη τεχνολογία κατασκευής ημιαγωγών, τα CMOS συμβατά ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα αποτελούν μια σημαντική κινητήρια δύναμη για την αντιμετώπιση των προκλήσεων σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, που εκτείνεται από τις οπτικές διασυνδέσεις έως τους οπτικούς βιοαισθητήρες. Ωστόσο, καθώς οι απαιτήσεις της αγοράς συνεχίζουν να αυξάνονται καθημερινά, οι σύγχρονες φωτονικές ολοκληρωμένες συσκευές πλησιάζουν τα όρια μεγέθους και απόδοσης. Σε αυτό το πλαίσιο, ένας αρμονικός και ισορροπημένος συνδυασμός μεταξύ της φωτονικής τεχνολογίας πυριτίου και πλασμονικών στοιχείων συμβατών με τα πρότυπα της κατασκευαστικής τεχνολογίας CMOS, έχει προταθεί ως η βασική τεχνολογία που αναμένεται να φέρει μια επανάσταση στα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Ως εκ τούτου, η έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη νέων πλασμο-φωτονικών κυματοδηγών και διατάξεων πλήρως συμβατών με τα πρότυπα κατασκευής της CMOS τεχνολογίας, λαμβάνοντας υπόψιν τις ανάγκες των οπτικών επικοινωνιών σε επίπεδο πλινθίου και τις ανάγκες βιοαισθητήρων. Αρχικά, διερευνήθηκε ο συγκερασμός πλασμονικών κυματοδηγών λωρίδας με βάση το αλουμίνιο με φωτονικούς κυματοδηγούς νιτριδίου-του-πυριτίου (Si3N4), αξιοποιώντας υλικά πλήρως συμβατά με τα κατασκευαστικά πρότυπα της τεχνολογίας CMOS. Η χρήση της πλατφόρμας νιτριδίου-του-πυριτίου έγινε ως εναλλακτική διηλεκτρική πλατφόρμα σε σχέση με την κλασική πλατφόρμα πυριτίου-σε-μονωτή, σε μια προσπάθεια εκμετάλλευσης των χαμηλότερων απώλειών διάδοσης, του κόστος κατασκευής και της ευρύτερης φασματικής λειτουργίας που διαθέτει το νιτριδίου-του-πυριτίου. Ο πειραματικός χαρακτηρισμός σε κατασκευασμένα δείγματα κατέδειξε μήκη πλασμονικής κυματοδήγησης (Lspp) της τάξης των 50 μm στον αέρα στα 1550 nm. Το προτεινόμενο σχήμα συγκερασμού των δύο τεχνολογιών επιτυγχάνει τη διέγερση των επιφανειακών κυμάτων που ονομάζονται πολαριτόνια επιφανειακού́ πλασμονίου (SPP) πάνω στο πλινθίο, μέσω απευθείας σύζευξης με την χρήση μιας διεπαφής Si3N4-to-Al και απώλειες 4.4 dB, αποφεύγοντας έτσι τη χρήση ογκωδών οπτικών συστημάτων. Επιπλέον, παρουσιάζεται το πρώτο πείραμα μεταφοράς δεδομένων σε ένα πλασμονικό κυματοδηγό αλουμινίου με την χρήση πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM) στα 200 Gb/s. Τα χαρακτηριστικά ακεραιότητας σήματος του κυματοδηγού αλουμινίου επικυρώθηκαν μέσω μετρήσεων-ρυθμού-σφαλμάτων (BER) που κατέδειξε λειτουργία χωρίς σφάλματα για όλα τα κανάλια με αμελητέες ποινές ισχύος. Οριοθετώντας από τις οπτικές επικοινωνίες σε επίπεδο πλινθίου, στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια πλασμο-φωτονική πλατφόρμα CMOS με εφαρμογές σε οπτικούς βιοαισθητήρές. Πιο συγκεκριμένα, διερευνήθηκε ο συγκερασμός φωτονικών κυματοδηγών νιτριδίου του πυριτίου με πλασμονικούς κυματοδηγούς λωρίδας και σχισμής σε υδάτινο περιβάλλον, αξιοποιώντας από άκρη-σε-άκρη και κατακόρυφων σχημάτων σύζευξης, με πειραματικές απώλειες εισαγωγής της τάξης των 2.7 dB στα 1550 nm. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται διερεύνηση και η συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ χαρακτηριστικών απόδοσης των δύο πλασμο-φωτονικών δομών, συμπεριλαμβανομένων μετρήσεων όπως το μήκος διάδοσης, η ενεργή περιοχή του πλασμονικού ρυθμού, η αλλαγή φάσης ανά μονάδα μήκους καθώς και η ευαισθησία μέσω ενσωμάτωσης σε ένα αισθητήρα MZI. Προχωρώντας πολύ πιο βαθιά στην ανάπτυξη πλασμο-φωτονικών κυκλωμάτων για εφαρμογές σε αισθητήρες, προτείνεται ένα νέο σχήμα πλασμο-φωτονικού αισθητήρα δείκτη διάθλασης, το οποίο διαθέτει πολύ-λειτουργικές δυνατότητες καθώς και περιθώρια βελτιστοποίησης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της προαναφερθείσας συγκριτικής αξιολόγησης, οι πλασμονικοί κυματοδηγοί τύπου λωρίδας εμφανίζουν υψηλότερες τιμές Lspp καθώς και υψηλότερα χαρακτηριστικά ευαισθησίας. Ως εκ τούτου, ο κυματοδηγός πλασμονικής λωρίδας επιλέχθηκε για να πραγματοποιήσει την περιοχή ανίχνευσης του προτεινόμενου πλασμο-φωτονικού αισθητήρα. Πιο συγκεκριμένα, ο προτεινόμενος αισθητήρας αποτελείται από ένα φωτονικό συμβολόμετρο τύπου Mach-Zehnder από νιτρίδιο του πυριτίου το οποίο ενσωματώνει έναν πλασμονικό κυματοδηγό λωρίδας και μήκους 70 μm στον κλάδο ανίχνευσης. Ο κλάδος αναφοράς του συμβολομετρικού αισθητήρα αποτελείται από έναν ολισθητή φάσης, που βασίζεται στο θερμο-οπτικό φαινόμενο για την ρύθμιση των μηκών κύματος συντονισμού του αισθητήρα, ακολουθούμενο από έναν οπτικό εξασθενητή με σκοπό τη μεγιστοποίηση του λόγου απόσβεσης (E.R). Ο χρυσός (Au) επιλέχθηκε αρχικά ως αναφορά για την χρήση στον πλασμονικό κυματοδηγό, λαμβάνοντας υπόψη την ωριμότητά του σε εφαρμογές πλασμονικών βιοαισθητήρων. Η πειραματική αξιολόγηση της προτεινόμενης διάταξης αποκάλυψε τιμές ευαισθησίας έως και 1930 nm/RIU, και λόγο απόσβεσης άνω των 35 dB, καταδεικνύοντας τα λειτουργικά οφέλη του συγκερασμού πλασμονικών και φωτονικών κυματοδηγών. Μετά την επιτυχή επίδειξη της λειτουργίας του πλασμο-φωτονικού αισθητήρα με βάση τον χρυσό, το αλουμίνιο χρησιμοποιήθηκε για τον πλασμονικό κυματοδηγό του αισθητήρα ώστε να προσφέρει μια πλατφόρμα που αποτελείται πλήρως από υλικά συμβατά με τα πρότυπα κατασκευής της τεχνολογίας CMOS, επιτρέποντας την μαζική παραγωγή τέτοιων αισθητηρίων. Η ευαισθησία αξιολογήθηκε με τη χρήση διαφόρων υδάτινων διαλυμάτων, παρουσιάζοντας τιμές ρεκόρ της τάξης των 4764 nm/RIU με σαφή δυνατότητα να κλιμακωθούν ακόμη περισσότερο μέσω της σωστής σχεδίασης των παραμέτρων του συμβολόμετρου, αξιοποιώντας μόνο έναν μικροσκοπικό (7μm 70μm) πλασμονικό κυματοδηγό για την περιοχή ευαισθησίας. Συνοψίζοντας, η προτεινόμενη CMOS πλασμο-φωτονική πλατφόρμα, αξιοποιώντας το αλουμίνιο ως μέταλλο για την κατασκευή πλασμονικών κυματοδηγών, προσφέρει ανθεκτικότητα σε υδάτινα περιβάλλοντα, εξαιρετικά υψηλές τιμές ευαισθησίας και ποιοτικά χαρακτηριστικά μετάδοσης δεδομένων, σκιαγραφώντας έτσι ένα σαφές μονοπάτι για την ανάπτυξη μελλοντικών διατάξεων υψηλής απόδοσης και χαμηλού κόστους στους τομείς των οπτικών διασυνδέσεων και των βιοαισθητήρων.