Addressing the Challenges of Silicon Waveguides with Subwavelength Nanostructures

• Main Author: Bock, Przemek J.
• Other Authors: Hall, Trevor J.
• Language: en
• Published: Université d'Ottawa / University of Ottawa 2011
• Online Access: http://hdl.handle.net/10393/20076; http://dx.doi.org/10.20381/ruor-4656

Planar waveguide devices have been made progressively smaller, resulting in higher integration density, more functions on a single chip, greater yields and lower cost. In particular, the high refractive index contrast (Δn ~ 2) of the silicon-on-insulator (SOI) material platform permits waveguide bend radii as small as a few micrometers, thereby markedly reducing device size. However, high field intensity at the waveguide core-cladding boundary increases scattering loss from fabrication imperfections on the waveguide sidewall. For dispersive devices based on array waveguide gratings, this high field intensity at the waveguide core-cladding boundary results in phase error accumulation in the waveguide array ultimately limiting crosstalk performance. As devices become more complex, waveguide crossings are increasingly important to facilitate connectivity and minimize device footprint. However, due to the large numerical aperture of SOI waveguides the insertion loss and crosstalk to the intersecting waveguide is large. The high-refractive index contrast also results in inefficient coupling between waveguides of different geometries, which is a problem for array waveguide gratings and echelle gratings. The goal of this thesis is to address these challenges by using periodic dielectric nanostructures at a subwavelength scale to create an effective homogeneous medium. This solution is innovative because it is based on geometric properties requiring no added fabrication complexity, process refinement or new materials. In fact, the new materials created are composite nanostructures made by interlacing silicon segments with SU-8 polymer at varying pitch, width and duty cycle on a silica substrate. What has been achieved is the first experimental demonstration that these subwavelength gratings are efficient waveguides, can cross each other with minimal loss and crosstalk can facilitate mode coupling between different waveguide geometries. Experimental demonstration of a new dispersive device based on blazed waveguide sidewall gratings indicates superior performance to array waveguide gratings and echelle gratings (on SOI), and is only possible by utilizing subwavelength gratings as efficient mode transformers. This work is relevant because of the interest in leveraging the vast silicon microelectronics fabrication infrastructure. Here, subwavelength gratings provide a means to implement different refractive index materials without changing the microelectronics fabrication process. === La possibilité de fabriquer des dispositifs à guides d’ondes de plus en plus petits a résulté en une plus grande densité d'intégration, une augmentation du nombre de fonctions par puce et un meilleur rendement tout en réduisant les coûts. En particulier, le saut d’indice élevé (Δn ≈ 2) du matériau silicium-sur-isolant (SOI) permet de réaliser des guides d’ondes courbes ayant des rayons courbures aussi petits que quelques micromètres, réduisant de façon remarquable la taille des dispositifs. Cependant la grande intensité du champ électrique à la frontière cœur-gaine augmente considérablement l’atténuation due aux imperfections des parois du guide d’ondes. Dans le cas des éléments dispersifs basés sur des réseaux de guides d’ondes phasés (AWG), cette interaction du champ avec l’interface résulte en une accumulation d’erreurs de phase dans le réseau de guides qui en dégrade les performances en augmentant la diaphonie. À mesure que les dispositifs augmentent en complexité, le croisement des guides devient une solution de plus en plus importante pour simplifier la connectivité et minimiser la taille des dispositifs. Cependant, en raison de la grande ouverture numérique des guides en SOI, la perte d’insertion et le couplage avec le guide d’ondes de l’intersection sont grands. Le grand saut d’indice a aussi pour conséquence un couplage inefficace entre les guides de différentes géométries, ce qui constitue un problème sérieux pour les réseaux de guides d’ondes phasés et les réseaux échelles. Le but de cette thèse est de relever ces défis en employant des nanostructures périodiques de diélectriques en régime sub-longueur d'onde pour créer un milieu homogène effectif. Cette solution est novatrice parce qu'elle est basée uniquement sur des propriétés géométriques qui ne requièrent aucune complexité supplémentaire de fabrication, ni raffinement de procédés, ni de nouveaux matériaux. En fait, les nouveaux matériaux ainsi formés sont des nanostructures composites fabriquées en alternant, sur un substrat de verre, des segments de silicium et de polymère SU-8 de pas, d'épaisseur et de cycle utile variables. Nous avons établi, pour la première fois, la preuve expérimentale que ces réseaux sub-longueur d'ondes sont des guides d'ondes efficaces, qu'ils peuvent s'entrecroiser avec un minimum de pertes et d'interférence et qu'ils peuvent faciliter le couplage de modes entre des guides d'ondes de géométries différentes. La démonstration expérimentale d'un nouvel élément dispersif constitué d'un réseau blazé sur la paroi d'un guide d'ondes indique des performances supérieures à celles des réseaux de guides d'ondes phasés et des réseaux échelles sur SOI; ce nouveau dispositif n'est réalisable qu'en utilisant un réseau sub-longueur d'ondes comme transformateur de modes efficace. Ce travail est important puisqu'il permet d'utiliser la vaste infrastructure de fabrication microélectronique au profit de composants optiques. De plus, les réseaux sub-longueur d'ondes permettent de réaliser des matériaux de différents indices de réfraction sans changer le processus de fabrication de la microélectronique.