Silicon grating structures for optical fiber interfacing and III-V/silicon opto-electronic components

In this paper, we review our work on efficient, broadband and polarization independent interfaces between a silicon-on-insulator photonic IC and a single-mode optical fiber based on grating structures. The high alignment tolerance and the fact that the optical fiber interface is out-of-plane provide opportunities for easy packaging and wafer-scale testing of the photonic IC. Next to fiber-chip interfaces we will discuss the use of silicon grating structures in III-V on silicon opto-electronic components such as integrated photodetectors and microlasers

A review of silicon subwavelength gratings: building break-through devices with anisotropic metamaterials

Abstract Silicon photonics is playing a key role in areas as diverse as high-speed optical communications, neural networks, supercomputing, quantum photonics, and sensing, which demand the development of highly efficient and compact light-processing devices. The lithographic segmentation of silicon waveguides at the subwavelength scale enables the synthesis of artificial materials that significantly expand the design space in silicon photonics. The optical properties of these metamaterials can be controlled by a judicious design of the subwavelength grating geometry, enhancing the performance of nanostructured devices without jeopardizing ease of fabrication and dense integration. Recently, the anisotropic nature of subwavelength gratings has begun to be exploited, yielding unprecedented capabilities and performance such as ultrabroadband behavior, engineered modal confinement, and sophisticated polarization management. Here we provide a comprehensive review of the field of subwavelength metamaterials and their applications in silicon photonics. We first provide an in-depth analysis of how the subwavelength geometry synthesizes the metamaterial and give insight into how properties like refractive index or anisotropy can be tailored. The latest applications are then reviewed in detail, with a clear focus on how subwavelength structures improve device performance. Finally, we illustrate the design of two ground-breaking devices in more detail and discuss the prospects of subwavelength gratings as a tool for the advancement of silicon photonics

MAGNETO-PHOTONIC CRYSTALS FOR OPTICAL SENSING APPLICATIONS

Among the optical structures investigated for optical sensing purpose, a significant amount of research has been conducted on photonic crystal based sensors. A particular advantage of photonic crystal based sensors is that they show superior sensitivity for ultra-small volume sensing. In this study we investigate polarization changes in response to the changes in the cover index of magneto-optic active photonic band gap structures. One-dimensional photonic-band gap structures fabricated on iron garnet materials yield large polarization rotations at the band gap edges. The enhanced polarization effects serve as an excellent tool for chemical sensing showing high degree of sensitivity for photonic crystal cover refractive index changes. The one dimensional waveguide photonic crystals are fabricated on single-layer bismuth-substituted rare earth iron garnet films ((Bi, Y, Lu)3(Fe, Ga)5O12 ) grown by liquid phase epitaxy on gadolinium gallium garnet substrates. Band gaps have been observed where Bragg scattering conditions links forward-going fundamental waveguide modes to backscattered high-order waveguide modes. Large near-band-edge polarization rotations which increase progressively with backscattered-mode order have been experimentally demonstrated for multiple samples with different composition, film thickness and fabrication parameters. Experimental findings are supported by theoretical analysis of Bloch modes polarization states showing that large near stop-band edge rotations are induced by the magneto-photonic crystal. Theoretical and experimental analysis conducted on polarization rotation sensitivity to waveguide photonic crystal cover refractive index changes shows a monotonic enhancement of the rotation with cover index. The sensor is further developed for selective chemical sensing by employing Polypyrrole as the photonic crystal cover layer. Polypyrrole is one of the extensively studied conducting polymers for selective analyte detection. Successful detection of aqueous ammonia and methanol has been achieved with Polypyrrole deposited magneto-photonic crystals

Guided Wave Optics

Phenomena associated with the propagation and manipulation of light in thin-film dielectric waveguides are presently the object of considerable research effort, directed toward possible applications in communications and information processing. The theory of dielectric waveguide modes is reviewed, and the topics of directional coupling, input-output coupling, modulation, and distributed feedback laser sources are treated on the basis of coupled-mode theory. A summary of experimental results for each of the guided-wave optical phenomena covered by the theory is also presented

Grating-based optical fiber interfaces for silicon-on-insulator photonic integrated circuits

In this paper, we review our work on efficient interfaces between a silicon-on-insulator photonic IC and a single-mode optical fiber based on grating structures. Several device configurations are presented that provide high efficiency, polarization insensitive, and broadband optical coupling on a small footprint. The high alignment tolerance and the fact that the optical fiber interface is out-of-plane provide opportunities for easy packaging and wafer-scale testing of the photonic IC. Finally, an optical probe based on a grating structure defined on the fiber facet is described

Nanophotonic circuits for single photon emitters

Ziel dieser Arbeit war es grundlegende Elemente vollständig integrierter nanophotonischer Schaltkreise zu entwickeln, zu simulieren und herzustellen und Einzelphotonenquellen an diese zu koppeln. Ein solcher Aufbau wird ermöglicht durch individuell optimierte passive photonische Bauteile, verbunden durch Nanowellenleiter auf dem Chip und evaneszent gekoppelte Photonenquellen. Die Hauptanforderungen an diese Hybridsysteme aus passiver Photonik und aktiven Emittern sind die folgenden: effiziente Einkopplung des emittierten Lichts in den Wellenleiter, Herausfiltern des Pumplichts zur Anregung der Quelle und die Einbindung der photostabilen Einzelphotonenquelle auf dem Chip mit hoher Quantenausbeute. Die verwendete Materialplattform in dieser Arbeit für die photonischen Schaltkreise war Siliziumnitrid, welche geringe Verluste und ein breites optisches Transmissionsspektrum vom sichtbaren Licht bis ins nahe Infrarot bietet. Der hohe Brechungsindexunterschied zwischen Siliziumnitrid und Siliziumdioxid ermöglicht zudem ein geringes Modenvolumen. Durch Einbetten des Emitters in einen photonischen Kristall kann die Kopplungseffizienz auf Grund des hohen Qualitätsfaktors und dem kleinen Modenvolumen durch den Purcell-Effekt drastisch erhöht werden. Daher wurden neuartige freistehende 1D photonische Kristallkavitäten (PhC Kavitäten) entwickelt, die eine Wellenleiterkreuzung beinhalten. Diese werden benutzt um Einzelphotonenquellen, wie insbesondere Nanodiamanten (NDs), evaneszent an die Kavität zu koppeln. Neu ist hierbei, dass das abgestrahlte Licht über den Wellenleiter, der die PhC Kavität enthält, eingesammelt wird, während der kreuzende Wellenleiter für die optische Anregung verwendet wird. Die PhC Kavitäten wurden auf zwei Arten optimiert: durch mehrere Zyklen numerischer Simulationen der Geometire, sowie durch die experimentelle Evaluation der hergestellten Strukturen. Beide Vorgehensweisen zeigten eine gute Übereinstimmung, was sich in den Qualitätsfaktoren der Kavität zeigt. Weitere Simulationen zielten darauf ab die optimale Position der Quelle innerhalb der Kavität zu finden, um eine größtmögliche Purcell-Verstärkung zu erreichen. Die wurde durch die Berechnung der lokalen Zustandsdichte (LDOS) realisiert. Durch die Platzierung eines Einzelphotonenemitters an der entsprechend optimierten Position konnte eine Verbesserung der Einkoppeleffizienz β erreicht werden. Diese beträgt =71% im Vergleich zu einer Effizienz von 41% für den Fall, dass keine PhC Kavität in der Kreuzungsstruktur verwendet wird. Um das Anregungssignal zu blockieren und gleichzeitig das abgestrahlte Fluoreszenzsignal zu transmittieren, wurden integrierte, durchstimmbare Filter für den sichtbaren Spektralbereich entwickelt, die auf hintereinandergeschalteten Mach-Zehnder Interferometern (MZIs) basieren. Die Regelung der Filter beruht hierbei auf dem thermo-optischen Effekt. Die Konstruktion, d.h. die Geometrie und Form der Bauteile wurde mithilfe von thermo-optischen Messungen optimiert, um einen geringen Energieverbrauch (12.2 mW Schaltleistung im Falle von spiralförmigen Mikroheizern), eine große Filtertiefe sowie geringe optische Verluste zu erreichen. Das neuartige Design mit doppelten Mikroheizern auf beiden Armen der MZIs (sowohl bei einzelnen MZIs, als auch bei hintereinandergeschalteten MZIs) ermöglicht eine Verdopplung der Verschiebung der Interferenzstreifen. Die vorgeführte Bauteilarchitektur ist multifunktional, da sie sowohl die Blockierung als auch die Transmission von gewünschten Wellenlängen in einem großen Spektralbereich ermöglicht. Insbesondere wurde eine Filtertiefe von 36.5 dB bei einer Wellenlänge von 532 nm erreicht bei gleichzeitiger Transmission von Licht bei einer Wellenlänge von 738 nm. Diese zwei Wellenlängen entsprechen der Anregungs- und der Emissionswellenlänge von Silizium-Fehlstellen-Farbzentren in Diamant. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Ovvyan, A. P.; Gruhler, N.; Ferrari, S.; Pernice, W. H. P. Cascaded Mach-Zehnder interferometer tunable filters. Journal of Optics 2016, 18, 064011. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/6/064011 Ein weiterer Filter mit sich nicht wiederholendem Stopband und einigen Nanometern Bandbreite wurde ebenfalls innerhalb dieser Arbeit realisiert. Dazu wurde ein nicht gleichförmiges Bragg-Gitter mit neuartiger doppelt Gaußscher Apodisation entwickelt, das in einem einzelnen Lithographieschritt hergestellt werden kann. Der so optimierte Bragg-Filter ermöglicht ein Unterdrückungsverhältnis von 21 dB und eine 3-dB Bandbreite von 5.6 nm bei vernachlässigbarer Einfügedämpfung. Eines der ersten hybriden Systeme zur Kopplung organischer Dibenzoterrylene (DBT) Moleküle an nanophotonische Schaltkreise wurde in dieser Arbeit präsentiert. DBT ist eine lichtbeständige Einzelphotonenquelle im nahinfraroten Spektralbereich sowohl bei Raumtemperatur als auch bei extrem tiefen Temperaturen mit einer nahezu unitären Quantenausbeute. Um das Molekül vor Oxidation zu schützen, wurde DBT in eine Gastmatrix eingebettet, die aus einem dünnen Anthracen-Kristall besteht und wodurch die Lichtbeständigkeit verbessert wurde. Es wurden Gitterkoppler, die um einen Spiegel ergänzt wurden, als Schnittstelle am Ende der Si3N4 Wellenleiter verwendet. Damit wurden einzelne Photonen detektiert, die bei Raumtemperatur vom DBT Molekül in die geführten Moden des Wellenleiters gekoppelt wurden. Die Schnittstellen wurden für Wellenleiterstrukturen auf einem transparenten Glassubstrat entwickelt, um Licht durch die Rückseite des Chips auszukoppeln. Die Gitterkoppler wurden verwendet, um das optische Signal der Monomoden-Wellenleiter bei einer Wellenlänge von λ=785 nm auszulesen. Die DBT Moleküle wurden evaneszent an die Wellenleiter gekoppelt, wodurch die einzelnen ausgesandten Photonen (bei optischer Anregung der Moleküle) zu den Gitterkopplern geführt wurden. Mithilfe eins Hanbury Brown und Twiss-Aufbaus wurde ein ausgeprägter Antibunching-Effekt gemessen, welches die Quantennatur des ausgekoppelten Fluoreszenzlichts bestätigt. Dies bestätigt die Quantennatur des abgestrahlten Fluoreszenzsignals. Sowohl die simulierte, als auch die gemessene Kopplungseffizienz der einzelnen Photonen in die Wellenleitermode betrug =42%. Die Resultate wurden veröffentlicht in P. Lombardi*, A. P. Ovvyan*, S. Pazzagli, G. Mazzamuto, G. Kewes, O. Neitzke, N. Gruhler, O. Benson, W. H. P. Pernice, F. S. Cataliotti, and C. Toninelli. Photostable Molecules on Chip: Integrated Sources of Nonclassical Light. ACS Photonics 2018, 5, 126−132, DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00521. * P. Lombardi und A. P. Ovvyan trugen in gleicher Weise zu dieser Arbeit bei. Die entwickelten nanophotonischen Bauteile integriert in optische Schaltkreise gekoppelt mit Einzelphotonenemittern auf dem Chip erlauben es gleichzeitig sowohl das emittierte Licht durch Kopplung in die resonante PhC Mode zu verstärken, um das Anregungslicht räumlich von der Einzelphotonenemission zu trennen, als auch das Pumplicht herauszufiltern. Die Verstärkung der Emissionsrate führt zu einem signifikanten Anstieg der Kopplungseffizient in die Kavität. Vorher durchgeführte numerische Simulationen waren ein essentieller Schritt für das Designen, Herstellen und Optimieren der Architektur der nanophotonischen Bauteile. Besonders wichtig für die exakte Positionierung der Quelle in der Kavität waren Berechnungen der lokalen Zustandsdichte, um eine maximale Verstärkung der Emissionsrate zu erreichen. Zur Auswertung der Transmissions-Kopplungs-Effizienz des emittierten Lichts in die Kavität (β - Faktor) wurde ein zusätzlicher Simulationslauf durchgeführt. Die integrierten photonischen Elemente, die in dieser Arbeit untersucht und optimiert wurden, werden ferner zur Realisierung von hybriden photonischen Schaltkreisen mit integrierten Einzelphotonenquellen angewandt: SiV, NV-Zentren in Diamant sowie einzelne organische Moleküle und halbleitende einwandige Kohlenstoffnanoröhren

Metamateriales sub-longitud de onda para microdispositivos fotónicos de altas prestaciones

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, leída el 28-04-2020Photonics has become of paramount importance in many areas of our everyday life owing to its inherent potential to develop not only telecom and datacom solutions, but also many other applications such as metrology [DeMiguel’18], energy generation and saving [Polman’12, Miller’17], spectrometry [Velasco’13a], sensing [Rodríguez-Barrios’10], medicine [Morgner’00] and industrial manufacturing [Malinauskas’16], to name a few. Particularly, integrated optics has attracted increasing industrial attention and scientific efforts to implement photonic integrated circuits (PICs) capable of tackling all abovementioned tasks in compact and efficient systems.Among all the available materials, silicon photonics leverages the maturity of the fabrication techniques reached by the microelectronics industry, enabling cost-effective mass production [Chen’18]. Different material platforms with a high refractive index contrast have been proposed for silicon photonics to achieve higher integration levels and perform more complex functions in a single chip, such as silicon-on-insulator (SOI) and silicon nitride (Si3N4, commonly simplified to SiN). The increased integration capacity of silicon photonics has enabled to tackle one of our greatest technological challenges: global data traffic inside data centers. Besides short-range optical interconnects for telecom and datacom applications, the progress in silicon photonics also encompasses many other untapped applications that are being explored by academia and industry: absorption spectroscopy and bio-sensing [Herrero-Bermello’17, Wangüemert-Pérez’19], light detection and ranging (LIDAR) [Poulton’17a], quantum computing [Harris’16], microwave and terahertz photonics [Marpaung’19, Harter’18], nonlinear optics [Leuthold’10], and many others...La fotónica ha adquirido una importancia fundamental en muchos ámbitos de nuestra vida cotidiana debido a su potencial intrínseco para desarrollar soluciones no sólo en el campo de las telecomunicaciones y las interconexiones de corto alcance, sino también en otras muchas áreas como la metrología [DeMiguel’18], la generación de energía [Polman’12, Miller’17], la espectrometría [Velasco’13a], la detección [Rodríguez-Barrios’10], la medicina [Morgner’00] y la fabricación industrial [Malinauskas’16]. En particular, la óptica integrada ha atraído tanto la atención de la industria como los esfuerzos científicos para implementar circuitos fotónicos integrados (PICs, Photonic Integrated Circuits) capaces de abordar todas las tareas mencionadas anteriormente en sistemas compactos y eficientes. Entre todos los materiales disponibles, la fotónica de silicio aprovecha la madurez de las técnicas de fabricación alcanzadas por la industria de la microelectrónica, permitiendo una producción en masa rentable [Chen’18]. Para maximizar su densidad de integración y poder realizar funciones más complejas en un único chip, diferentes plataformas materiales con un alto contraste de índice de refracción se han propuesto, como por ejemplo las plataformas de silicio sobre aislante (SOI, Silicon-On-Insulator) y de nitruro de silicio (Si3N4, comúnmente simplificada a SiN, Silicon Nitride). Esta mayor densidad de integración ha permitido abordar uno de nuestros mayores desafíos tecnológicos hasta la fecha: el tráfico de datos global dentro de los centros de datos. Además de las interconexiones ópticas de corto alcance, el progreso de la fotónica de silicio también comprende muchas otras aplicaciones inexploradas que están siendo estudiadas en el ámbito académico e industrial como, por ejemplo, la espectroscopía de absorción y biodetección [Herrero-Bermello’17, Wangüemert-Pérez’19], LIDAR (Light Detection And Ranging) [Poulton’17a], computación cuántica [Harris’16], fotónica de microondas y terahercios [Marpaung’19, Harter’18], óptica no lineal [Leuthold’10], y muchas otras...Fac. de Ciencias FísicasTRUEunpu