Development of SOI platform integrated circuits and optical interfaces for applications in optical communications networks

Ο πρώτος βασικός άξονας της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ολοκληρωμένων φωτονικών διατάξεων με σκοπό την υιοθέτηση τους σε οπτικά δίκτυα επικοινωνιών επόμενης γενιάς. Η υιοθέτηση αυτών των διατάξεων, θα επιτρέψει την ευρεία και σε βάθος ηλεκτρο-οπτική ολοκλήρωση, ενεργοποιώντας την οπτική διασύνδεση υπερ-υψηλών ταχυτήτων και χαμηλής κατανάλωσης λειτουργία για χρήση τόσο στο telecom όσο και στο datacom δίκτυο. Τα στοιχεία αυτά, θα υιοθετηθούν ευρέως ως βασικά κυκλώματα σε αμιγώς οπτικά συστήματα μεταγωγής για χρήση σε οπτικούς κόμβους, επιτρέποντας την υλοποίηση τοπολογιών ελαστικών οπτικών δικτύων. Δεύτερος βασικός άξονας της διατριβής αυτής, είναι η δημιουργία διατάξεων οπτικής διεπαφής υψηλής απόδοσης κυκλωμάτων πυριτίου, ανεκτικών σε αστοχίες που εισάγονται κατά τα στάδια κατασκευής και συναρμολόγησης. Το πρώτο σημαντικό θέμα που μελετήθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής, ήταν ο σχεδιασμός στοιχείων φίλτρων κατασκευαςμένων σε τεχνολογία ολοκλήρωσης πυριτίου, με σκοπό την υιοθέτησή τους σε τοπολογίες ελαστικών οπτικών δικτύων. Επιτεύχθηκε σχεδιασμός δομής σειριακά συζευγμένων θερο-οπτικά ελεγχόμενων δομών δακτυλίων μεταβλητού λόγου σύζευξης αξιοποιώντας δομές ΜΖΙ, για λειτουργία προσαρμοστικού εύρους ζώνης και μεταβλητού μήκους κύματος συντονισμού. Σχεδιάστηκε επίσης αναβαθμισμένη έκδοσή τους αξιοποιώντας εγκοπές αέρα για ενίσχυση των φασματικών τους χαρακτηριστικών, διαμέσου της αποδοτικότερης θερμικής απομόνωσης μεταξύ των κυματοδηγών. Η πειραματική τους αξιολόγηση κατέδειξε την άριστη συμπεριφορά τους ως μεταβλητά στοιχεία φίλτρων. Το δεύτερο σημαντικό θέμα που μελετήθηκε, ήταν ο σχεδιασμός οπτικής διάταξης για χρήση οπτικού συζεύκτη διεπαφής φωτονικών κυκλωμάτων πυριτίου με πολυμερικούς κυματοδηγούς και οπτικές ίνες. Ο σχεδιασμός βασίστηκε σε δημιουργία κωνικής δομής κυματοδηγού πυριτίου, αξιοποιώντας το κριτήριο των σταθερών απωλειών της ζεύξης ανά μονάδα μήκους διάδοσης. Ο αδιαβατικός οπτικός συζεύκτης, χαρακτηρήστηκε από χαμηλό αριθμό απωλειών, μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, και ικανοποιητική ανοχή σε ατέλειες που εισάγονται στα στάδια κατασκευής και συναρμολόγησης. Τέλος, το τρίτο σημαντικό θέμα που μελετήθηκε, ήταν ο σχεδιασμός τρισδιάστατου οπτικού συζεύκτη για οπτική διασύνδεση κυματοδηγών πυριτίου με κυματοδηγό εγχαραγμένο σε πλατφόρμα ολοκλήρωσης γυαλιού, για λειτουργία και στις δύο πολωτικές καταστάσεις αξιοποιώντας τεχνικές παθητικής ευθυγράμμισης. Ο σχεδιασμός βασίζεται στη δημιουργία κωνικής δομής κυματοδηγού πυριτίου για σύζευξη οπτική ισχύος σε υπό γωνία κυματοδηγό γυαλιού, βασισμένης στην αρχή σταθερών απωλειών ανά μονάδα μήκους. Η προσομοιωτική μελέτη κατέδειξε υψηλή απόδοση σύζευξης ισχύος, ενώ η συνολική διάταξη χαρακτηρήστηκε από ευρυζωνικότητα και μεγάλη αντοχή σε κατασκευαστικές ατέλειες και ατέλειες που εισάγονται στο στάδιο της συναρμολόγησης

Miniaturized silicon photonics multi-sensor operating at high temperatures for use in composite materials industrial applications

Composite materials offer significant performance advantages due to their lightweight, high-strength, and high stiffness. This led to their adoption in several industrial sectors with particular emphasis on the aerospace industry which has undergone a transformation towards a composite-dominated new standard. In order to respond to the increased demand, it is mandatory to focus on an efficient and well-controlled curing cycle of the resin, which will lead to a significant reduction of cost and an increase in production speed. Currently, manufacturers use filling and curing cycles with high safety margins which can be optimized by applying process monitoring techniques, which up to now use thermocouples and dielectric sensors. However, these electric solutions suffer in terms of operating capabilities and the facilitation of integrating them in composite materials (due to their size and electrically conductive aspect when using carbon fibers). We present the design and evaluation of a miniaturized novel photonic integrated sensor, fabricated in 220 nm top SOI platform, capable of measuring key monitoring values that facilitate optimization of the curing process. The operation principle is the spectral shift of a silicon Bragg grating component's resonant wavelength. Bragg grating design and post-processing of the integrated chip allows for measuring different key values such as temperature, refractive index and pressure all in similar to 1.5 mm diameter. The fabricated temperature sensors achieve a significant 0.084 nm/degrees C thermo-optic efficiency with high accuracy (0.5 degrees C) and repeatability across a very wide dynamic range (temperature 27 to 180 degrees C)

Integrated polymer polarization rotator based on tilted laser ablation

P

Laser-fabricated ball lens optical interface for back side coupling to a silicon photonics sensor chip

We propose a simple optical interface for coupling between a single mode fiber and a grating on a Photonic Integrated Circuit (PIC), by coupling from the back side using a ball lens. This way, the top side of the PIC remains accessible for sensing

Demonstration of photonic temperature sensor for RTM-6 composite manufacturing process (180°C) integrated with PMOC system

We demonstrate a sensing platform for composite manufacturing (RTM-6) process based on silicon photonics, being controlled by novel Process Monitoring Optimization Control (PMOC) system. The photonic multi-sensor is based on bragg grating components, allowing measurements of temperature, pressure and refractive index, and is packaged employing a ball lens fiber-to-chip interface. We present results of the packaged temperature photonic sensor regarding bandwidth, linearity and thermo-optic efficiency, being controlled by our PMOC system. We experimentally achieve 0.074 nm/C with R^2 = 0.995 linearity for temperature up to 180°C (RTM-6 compatible) with 1 kHz data acquisition and 0.2°C accuracy

A fully packaged silicon photonic Bragg grating temperature sensor with a compact back side interface based on a ball lens

With the increased interest in silicon photonics, smart integration and packaging technologies are essential to transform photonic integrated circuits (PICs) into functional photonic systems. Especially for sensing, the currently existing standard packaging technologies are too expensive and bulky. We developed a solution for integrating a 1 mm x 1 mm sensor PIC with a single mode fiber and packaging it in a 1.5 mm inner-diameter metal protective tube. The concept relies on interfacing a grating coupler with a fiber from the back side of the PIC employing a 300 μm ball lens mounted in a laser-fabricated fused silica precision holder. It is shown that the additional insertion loss caused by the ball lens interface is very limited. A packaged sensor was achieved by sequentially mounting the holder on a ceramic ferrule, then the PIC on the holder and finally gluing a metal tube surrounding the assembly, taking care that the PIC surface is flush with the end face of the tube. The back side fiber interface ensures that the PIC’s surface remains accessible for sensing, while the tube protects the fiber-to-PIC interface. We demonstrated this concept by realizing a packaged phase shifted silicon Bragg grating temperature sensor operating around 1550 nm, which could be read out in reflection using a commercial interrogator. A temperature sensitivity of 73 pm/°C was found, and we demonstrated sensor functionality up to 180°C

Demonstration of photonic temperature sensor for RTM-6 composite manufacturing process (180°C) integrated with PMOC system

We demonstrate a sensing platform for composite manufacturing (RTM-6) process based on silicon photonics, being controlled by novel Process Monitoring Optimization Control (PMOC) system. The photonic multi-sensor is based on bragg grating components, allowing measurements of temperature, pressure and refractive index, and is packaged employing a ball lens fiber-to-chip interface. We present results of the packaged temperature photonic sensor regarding bandwidth, linearity and thermo-optic efficiency, being controlled by our PMOC system. We experimentally achieve 0.074 nm/C with R^2 = 0.995 linearity for temperature up to 180°C (RTM-6 compatible) with 1 kHz data acquisition and 0.2°Caccuracy.We demonstrate a sensing platform for composite manufacturing (RTM-6) process based on silicon photonics, being controlled by novel Process Monitoring Optimization Control (PMOC) system. The photonic multi-sensor is based on bragg grating components, allowing measurements of temperature, pressure and refractive index, and is packaged employing a ball lens fiber-to-chip interface. We present results of the packaged temperature photonic sensor regarding bandwidth, linearity and thermo-optic efficiency, being controlled by our PMOC system. We experimentally achieve 0.074 nm/C with R^2 = 0.995 linearity for temperature up to 180°C (RTM-6 compatible) with 1 kHz data acquisition and 0.2°Caccuracy.C