Meandering loop mirrors and resonators in silicon photonic integrated circuits: Design, fabrication, and analysis

Abstract

Kıvrımlı halka yansıtıcıları ve kıvrımlı halka yansıtıcı tabanlı çınlaçların tasarımı, üretimi ve incelemesi, yakın kızılaltı telekomünikasyon bandındaki işlemler için, silikon tümleşik fotonik devre teknolojisi kullanılarak yapılmıştır. Optik dalgakılavuzları, yönlü bağlaştırıcılar, kıvrımlı halka yansıtıcılar, kıvrımlı çınlaçlar, simetrik olmayan kıvrımlı çınlaçlar, ayrıca simetrik ve simetrik olmayan yönlü bağlaştırıcılar ile birlikte simetrik kıvrımlı çınlaçlar tasarlanmış, üretilmiş, ve yönlü bağlaştırıcıların uzunluğuna bağlı taranarak istenen yakın kızılaltı dalgaboylarında incelenmiştir. Bir yalıtkan üstü silisyum düzlemi kullanılarak elde edilen şerit dalgakılavuzlarının enine elektrik kutbunda, ve tekil dalga kipinde çalışan yapısı gözlemlenmiştir. Yapılar, bir fotonik tasarım yazılımı yardımı ile sayısal benzeşimler kullanılarak tasarlanmış ve elde edilen yapı biçimleri bir fotonik taslak çizimine dönüştürülerek elektron ışını ışık yazımına hazır hale getirilmiştir. Şerit silisyum dalgakılavuzu yazılımından sonra, ve oksit çökeltmesinden önceki fotonik yapılar, üretilen aygıtların tanımlanması için taramalı elektron mikroskobu yardımı ile görüntülenmiştir.Tek kipli optik lifler yüzey ızgaraları kullanılarak bu fotonik yapılara bağlaştırılmıştır. Aygıt geçirgenliklerinin izge ölçümleri için uyarma kaynağı olarak 1500-1600 nm dalgaboyları arasında çalışan bir ayarlanabilir lazer kullanılmıştır. Logaritmik (dB) ölçekteki geçirgenlik sinyalleri aynı deneysel bölgede ölçeklendirilmiş yakın kızılaltı fotoalgılayıcılar ile ölçülmüştür. Veriler bir denetleme ve veri edinim bilgisayarı tarafından sağlanmıştır. Deneysel olarak ölçülen geçirgenlik izgeleri ile sayısal benzeştirilmiş geçirgenlik izgeleri karşılaştırılmıştır. Tepeleri öne çıkarmak için ölçütlendirilmiş doğrusal ölçek kullanılmıştır, ancak çukurları öne çıkarmak için logaritmik (dB) ölçek kullanılmıştır. Sonuçları okuyucuya daha iyi sunmak için, izgelerde bir renk kodlaması kullanılmıştır. Bu kodlamada ölçütlendirilmiş geçirgenlik şiddeti (ızgara bağlaştırıcılar harici) kahverengi ile, logaritmik (dB) ölçekteki geçirgenlik şiddeti (ızgara bağlaştırıcılar harici) kırmızı ile, logaritmik (dB) ölçekteki geçirgenlik şiddeti (ızgara bağlaştırıcılar dahil) mavi ile, ve geçirgenlik şiddeti (ızgara bağlaştırıcılar dahil) ise yeşil ile gösterilmiştir. Gerek deneysel sonuçlar gerekse sayısal benzeştirilmiş geçirgenlik izgeleri kullanılarak boş izge aralığı, incelik, nitelik katsayısı, ve söndürme oranı (dB) ölçülmüş, ve karşılaştırılarak birbirleri ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Asıl izge sonuçlarını anlamak için, öncelikle denenen aygıtın benzeştirilmiş izgeleri incelenmiştir. Üretilen aygıtların giriş ve çıkışları ızgara bağlaştırıcılara bağlı olduklarından, ve ölçülen sonuçlar, ızgara bağlaştırıcıların yanıtları tarafından sürekli kiplendirildiklerinden dolayı, geçirgenlik izgelerinin benzeştirilmiş sonuçları ile doğrudan karşılaştırılamaz. Bu karşılaştırmayı sağlayabilmek için benzeştirilmeler ızgara bağlaştırıcıları eklenmiş aygıtlar ile gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, yönlü bağlaştırıcıların dalgaboyu ile ilişkisi incelenmiştir, çünkü yönlü bağlaştırıcılar tasarımlarda kullanılan en temel unsurlardan biridir. Bağlaşmış ve iletilmiş kapı şiddetleri incelenmiş, ve ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra, bir yönlü bağlaştırıcıdan oluşan kıvrılan halka yansıtıcısının izge yanıtına bakılmıştır. Yönlü bağlaştırıcı, ve kıvrımlı halka yansıtıcıları için bir anlayış edinildikten sonra, kıvrımlı çınlaç, simetrik olmayan kıvrımlı çınlaç, ve simetrik kıvrımlı çınlaç gibi yapılar incelenmiştir.Kıvrımlı halka yansıtıcılar için ayarlanabilir aynaların genel yanıtları gözlemlenmiştir. Kıvrımlı çınlaçlar sıradan Fabry-Pérot yanıtı göstermiştir. Simetrik olmayan kıvrımlı çınlaçlar ise bağlaşmış çınlaç etkisiyle saydamlığa benzeyen bir izge göstermiştir. Bu durum elektromanyetik etkisiyle saydamlığın ortaya çıkarttığı izgenin bir benzeşimidir. Simetrik kıvrımlı çınlaçlar ise Rabi ayrıklı Fano çınlaması içeren izgeler sergiler.Sonuç olarak, kıvrımlı halka yansıtıcılar, ve kıvrımlı halka yansıtıcı tabanlı çınlaçlar, yeni ve gelecek vaat eden silikon tümleşik fotonik devre unsurları için bir tümleşik fotonik düzlemi olarak optik iletişim, hesaplama, ve algılama uygulamaları için kullanılabilir.

Meandering Loop Mirrors (MLMs) and resonators based on MLMs are designed, fabricated, and analyzed using silicon integrated photonics circuit (Si-PIC) technology for operation in the standard near-infrared (near-IR) telecommunication band. Optical waveguides, directional couplers (DCs), MLMs, meandering resonators (MRs), antisymmetric meandering resonators (AMRs), and symmetric meandering resonators (SMRs) with symmetric and antisymmetric DCs were designed, fabricated, and analyzed as a function of the DC length to scan the desired near IR telecommunication band. A silicon on insulator (SOI) platform is used to realize strip waveguides in transverse electric (TE) mode polarized single mode configuration. The structures' design is based on numerical simulations using a photonics design kit and resulting geometry of the structures were incorporated into the photonics layout for fabrication by e-beam lithography. After the writing of the silicon strip waveguide, and before oxide deposition, the photonic structures were imaged with scanning electron microscopy (SEM) to physically characterize the fabricated devices. Surface gratings are used to couple in and out of these photonic structures with single mode optical fibers. The excitation source for the spectral measurement of the device transmission is a tunable laser operating in the 1500 – 1600 nm wavelength range. The transmission signals in logarithmic (dB) scale are detected in the same experimental region using calibrated near-IR photodetectors. The data is acquired by a control and data acquisition computer. The experimentally measured transmission spectra are compared with the numerically simulated transmission spectra. The normalized linear scale is used to make the peaks more prominent, whereas the logarithmic (dB) scale is used to make the dips more prominent. To make the results more reader friendly, the spectra are color coded: the normalized transmission intensity (excluding grating couplers) are plotted in brown, the transmission intensity in logarithmic (dB) scale (excluding grating couplers) are plotted in red, the transmission intensity logarithmic (dB) scale (including grating couplers) are plotted in blue, whereas the transmission intensity (including grating couplers) are plotted in green. The free spectral range (FSR), finesse (F), quality factor (Q factor), and extinction ratio (ER) are deduced from both the experimentally measured, and the numerically simulated transmission spectra, and were found to be in good agreement. To understand the actual spectral response, we first analyze the simulated spectra, for the device under test. Since the input and outputs of the devices had to be connected to the grating couplers, to couple in and out from the optical fibers, the measurement responses are always modulated by the grating coupler responses, and thus cannot be directly compared to the numerical simulations. To make our simulation spectra comparable to the measurement spectra, we also simulated the transmission spectra of the devices including the grating couplers. First we analyze the wavelength dependence of a DC, one of the basic elements used in our designs. We look at the coupled and the transmitted port intensities, and compare them with the measurement results. Then we look at the MLM spectral response, which incorporates a DC. After developing the understanding of DC and the MLM, we move to the analysis of the spectral responses of more complex structures, e.g., MR, AMR, SMR.The general response of a tunable mirror is observed for the MLMs. MRs show the typical Fabry Pérot response. The AMRs show the typical spectra similar to the coupled resonator induced transparency (CRIT), the analogue of the electromagnetically induced transparency (EIT) spectral responses. Whereas the SMRs show the Rabi split Fano resonance spectral responses. All in all, MLMs and resonators based on MLMs show promise as a novel integrated photonics platform for Si-PIC elements for optical communication, computation, and sensing.