Design and fabrication of optical isolators for photonic integrated circuits

Abstract

Son zamanlarda, fotonik tümleşik devreler üzerinde yapılan çalışmalar yoğunlaşmıştır. Birden çok aygıtın tem bir yonga üzerinde bir araya getirilmesi ile elde edilen bu yapılarda, ışığı tel yönlü iletmesinden dolayı optik izolatörler kaçınılmaz bileşenlerdir.Bu çalışmada, silisyum ve cam üzerine oluşturulan silisyum nitrat (S3N4) ve çinko oksit (ZnO) öz tabakalar içeren dalga kılavuzları tasarlanmıştır. Bu yapılarda manyetooptik Kerr etkisi (MOKE) gösteren ince nikel (Ni) film ve ZnO:Ni kompozit malzemelerin etkilerinden yaralanarak ışığı tek yönlü ileten, fakat ters yönde soğuran dalga kılavuzları tasarlanmıştır. Ayrıca, dalga kılavuzlarında ilerleyen enine elektrik (TE) ve enine manyetik (TM) modlarının etkin indeks farkından yararlanılarak dalga kılavuzu polarizör tasarımı ve üretimi yapılmıştır. Dalga kılavuzunda ilerleyen modların davranışlarını incelemek için 1-D WAVEGUIDE ve 2-D WMM mode çözücüler kullanılmıştır. Aygıtların üretim aşamasında gerekli maskeler tasarlanmış, yapıyı oluşturan katmanlar büyütülmüş ve optik karakterizasyonları yapılmış, aygıtlar temizoda ortamında üretilerek, kurmuş olduğumuz optik kuplaj düzeneğinde test edilmişlerdir.Yapılan test çalışmalarının sonucunda, dalga kılavuzu optik polarizör yapının TE modunu ilettiği, fakat TM modunu soğurarak elediği görülmüştür. Optik izolatör dalga kılavuzlarının manyetik alan altında testlerinde, kılavuzda ilerleyen TM modu için fark görülmesi hedeflenmiş, fakat üretilen yapının katmanlarına ait parametrelerin çok sıkı kontrol edilememesinden dolayı, bu etkinin oluşacağı şartlar sağlanamamıştır.Anahtar Kelimeler: Optik izolatör, MOKE, dalga kılavuzu, polarizör

Recently, there has been extensive research on the integration of photonic devices. The optical isolators, which allows light only in one direction, are indispensable components in the integration of photonic devices formed by bringing many devices on a single chip.In this thesis, waveguides containing silicon nitride (S3N4) and zinc oxide (ZnO) cores have been fabricated on silicon and glass wafers. These waveguides contain nickel (Ni) thin films or ZnO:Ni composite films exhibiting magneto-optic Kerr effect (MOKE) and the devices have been designed to utilize this effect to allow the light to propagate in one direction and to absorb the light in the reverse direction. Furthermore, waveguide polarizers, which are exploiting the difference in the effective indices of transverse electric (TE) and transverse (TM) modes, have been designed and fabricated. 1-D WAVEGUIDE and 2-D WMM mode solvers have been used to investigate the behavior of the modes propagating in the waveguides. The mask sets have been designed for the fabrication processes; the layers that constitute the structures have been grown and optically characterized; devices have been fabricated in the cleanroom and tested on the coupling experiment setup established.Waveguide polarizer devices have been tested and it shows that these devices allow light for TE modes, but they do not permit the TM mode light by attenuating it. The waveguide isolators were designed for TM mode light to observe change in light intensity under the magnetic field. However, the conditions to observe this effect could not be reached due to the tight requirements of layer parameters in the structure.Keywords: Optical isolator, MOKE, waveguide, polarizer