Simulations and design of photonic circuits and setups with the SiN platform

Abstract

The silicon nitride (Si3N4) platform for photonic integrated circuits has been the subject of intensive research efforts. Over the years it has exhibited low propagation losses, large transparency window, high tolerance to temperature variations, and low fabrication and processing cost, coming from its compatibility with the CMOS technology for the realization of integrated optical circuits. For this reason, the platform has contributed to the demonstration of Photonic Integrated Circuits (PICs) for a very large variety of applications such as refractive index sensors, microwave filters, multiplexers, and others, based on its elevated passive optical characteristics. In parallel, SOI-based photonics has invaded intra-Data-Center transmission systems with transceiver devices that can support high-speeds featuring low power consumption and cost. Nevertheless, the fabrication of Si3N4 transmitters for intra-Data-Center communication systems, providing elevated characteristics in comparison with Si, would require the co-integration of Si3N4 passive waveguides with active optical elements such as modulators, lasers, and amplifiers based on III-V materials and the ferroelectric barium titanate oxide material BaTiO3 (BTO). This PhD Thesis deals with the simulation and design of photonic integrated devices and circuits on the Si3N4 platform, towards its co-integration with active devices, for intra-Data-Center optical interconnect applications. Initially, the Thesis presents the analysis and design of an optical coupling configuration for efficient light transfer from an InP-based Quantum Dot (QD) laser to a Si3N4 waveguide. The demonstrated structures are ideal for the monolithic co-integration of lasers and passive waveguides on the same chip. The optimum device is based on a tri-layer Si-rich nitride intermediate waveguide, exhibiting coupling losses near 1dB and back-reflections below -52.6dB. Then, efficient light coupling between Si3N4 waveguides and heterogeneously integrated plasmonic BTO phase-shifters utilizing CMOS-compatible materials such as Copper (Cu) is thoroughly analyzed and simulated. The two plasmonic waveguides under study that perform the phase modulation are based on a Hybrid Plasmonic Waveguide (HPW) and a Plasmonic Slot Waveguide (MIM). Extensive simulations revealed that the optimum structure utilizes the MIM waveguide, achieving propagation losses of 0.78dB/μm, a confinement factor of 56.18%, and coupling losses below 1.29dB per interface. Finally, with the employment of MIM phase shifters, the design analysis of plasmo-photonic Mach-Zehnder in Ring (MZIR) modulators based on noble metals, gold (Au) and silver (Ag), and CMOS-compatible metals, Copper (Cu) is demonstrated. The modulators exhibit a reduction to the required voltage in comparison with traditional Mach-Zehnder Interferometers, close to 46% for Ag, 39% for Au, and 30% for the Cu-based MZIR. The devices can deliver 112Gbaud PAM-4 signals with only 2x1.3Vpp driving voltage retaining signal Q-Factors above 5. The whole work enables the realization of a Si3N4 high speed transmitter as an alternative low-cost solution to legacy SOI-based solutions for co-packaged optics.

Η πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου (Si3N4) για ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα έχει αποτελέσει αντικείμενο αυξημένης έρευνας λόγω πλεονεκτημάτων όπως χαμηλές απώλειες διάδοσης, διαφάνεια σε πολύ μεγάλο συχνοτικό εύρος, μεγάλη ανοχή σε θερμοκρασιακές μεταβολές, καθώς επίσης και χαμηλό κόστος κατασκευής και επεξεργασίας, λόγω της συμβατότητας με τη τεχνολογία CMOS για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η πλατφόρμα αυτή έχει οδηγήσει στη κατασκευή πολλών Φωτονικών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων που έχουν συμβάλλει σε πληθώρα εφαρμογών όπως αισθητήρες δείκτη διάθλασης, μικροκυματικά φίλτρα, πολυπλέκτες και άλλες, βάσει των βελτιωμένων παθητικών οπτικών χαρακτηριστικών της. Παράλληλα, η φωτονική πυριτίου (Si) έχει εισβάλλει σε συστήματα μετάδοσης μέσα σε κέντρα δεδομένων με διατάξεις οπτικών πομποδεκτών που υποστηρίζουν υψηλές ταχύτητες με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και χαμηλό κόστος. Εντούτοις, η κατασκευή οπτικών πομπών για συστήματα επικοινωνιών μέσα σε ένα κέντρο δεδομένων στη πλατφόρμα Si3N4, που θα προσέφερε βελτιωμένα χαρακτηριστικά σε σχέση με το Si, απαιτεί την συν-ολοκλήρωση των παθητικών κυματοδηγών Si3N4 με ενεργά στοιχεία, όπως διαμορφωτές, lasers, και ενισχυτές, βασισμένα σε ενεργά οπτοηλεκτρονικά υλικά, όπως υλικά της ομάδας III-V και το σιδηροηλεκτρικό υλικό BaTiO3 (BTO). Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη προσομοίωση και σχεδίαση φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και διατάξεων στην πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου (Si3N4), με στόχο τη συνολοκλήρωση της με ενεργές δομές, για εφαρμογές οπτικών διασυνδέσεων μέσα σε κέντρα δεδομένων. Αρχικά, η εργασία παρουσιάζει την ανάλυση και σχεδίαση ενός οπτικού συζεύκτη για τη βέλτιστη μεταφορά φωτός από ένα laser κβαντικών τελειών βασισμένο στο InP σε έναν κυματοδηγό Si3N4. Οι δομές που παρουσιάζονται είναι ιδανικές για την μονολιθική συν-ολοκλήρωση των lasers και των κυματοδηγών στο ίδιο chip. Η βέλτιστη δομή βασίζεται σε έναν τριών στρωμάτων κυματοδηγό νιτριδίου του πυριτίου με προσμίξεις πυριτίου (Si-rich nitride), παρουσιάζοντας απώλειες σύζευξης κοντά στο 1dB και ανακλάσεις στο laser κάτω από -52.6dB. Έπειτα, αναλύεται και προσομοιώνεται η σύζευξη φωτός μεταξύ κυματοδηγών Si3N4 με ετερογενώς ολοκληρωμένους πλασμονικούς διαμορφωτές φάσης βασισμένους στο υλικό BTO και αξιοποιώντας CMOS-συμβατά υλικά, όπως ο χαλκός (Cu). Οι δύο πλασμονικοί κυματοδηγοί υπό μελέτη που εκτελούν τη διαμόρφωση φάσης βασίζονται στον υβριδικό πλασμονικό κυματοδηγό (HPW) και τον πλασμονικό κυματοδηγό τύπου σχισμής (ΜΙΜ). H βέλτιστη δομή αξιοποιεί τον κυματοδηγό ΜΙΜ επιτυγχάνοντας απώλειες διάδοσης 0.78dB/μm με παράγοντα δέσμευσης οπτικής ισχύος ίσο με 56.18% και απώλειες σύζευξης κάτω από 1.29dB ανά διεπαφή σύζευξης. Τέλος, με τη χρήση διαμορφωτών φάσης MIM, παρουσιάζεται η ανάλυση και σχεδίαση συντονισμένων πλασμο-φωτονικών διαμορφωτών Mach-Zehnder in Ring (MZIR) με βάση ευγενή μέταλλα, χρυσό (Au) και άργυρο (Ag), καθώς και CMOS-συμβατά μέταλλα, όπως ο χαλκός (Cu). Οι διαμορφωτές παρουσιάζουν μείωση στην απαιτούμενη τάση σε σχέση με παραδοσιακά συμβολόμετρα Mach-Zehnder κατά 46% για τον Ag, 39% για τον Au και 30% για τον Cu. Οι διατάξεις είναι ικανές να μεταδώσουν σήματα 112Gbaud PAM-4 με μόλις 2x1.3Vpp τάση, διατηρώντας τιμές του παράγοντα Q μεγαλύτερες από 5.