Integrated Optics Technology on Silicon: Optical Transducers

Abstract

El camp de l'òptica integrada es presenta com un dels mes prometedors a curt-mig plaç degut als clars avantatges que presenta amb respecte de l'electrònica tradicional. El fet d'utilitzar la llum com a medi vehicular, la qual no es veu afectada per les possibles pertorbacions electromagnètiques, entre altres propietats, fan que aquest camp sigui una de les sortides mes viables als greus problemes de congestió de les vies de telecomunicacions que es preveuen en un futur proper. Per altra part, l'ús de l'òptica integrada per a la realització de sensors ofereix unes prestacions superiors a la majoria de transductors actuals: La resistència a condicions hostils, la mesura sense contacte directe i la seguretat en ambients perillosos, fan que aquests siguin de gran interès pel mon industrial.<br/>Dels diferents materials aptes per a la realització de components òptics integrats, únicament el silici, amb l'ampli bagatge de processos altament desenvolupats, derivats de la micromecanització i la microelectrònica, permet la fabricació de grans sèries a preus reduïts. Tot i que les propietats òptiques d'aquest element son limitades, la seva abundància, baix preu, elevada puresa, estabilitat química i rigidesa mecànica, fan d'aquest el substrat ideal per a la realització d'estructures híbrides, on les diferents funcions, òptiques i electròniques es combinen sobre el silici, utilitzant tècniques de muntatge superficial amb interconnexió òptica, a través de guies d'ona, dels diferents elements.<br/>El confinament òptic amb estructures ARROW es basa en la reflexió total interna a l'interfase amb l'aire i l'elevada reflectivitat que provoquen les capes subjacents al nucli. L'índex de refracció i el gruix d'aquestes capes es sintonitza de manera que el mode fonamental presenti un mínim de pèrdues, mentre que els modes superiors pateixen una elevada atenuació. D'aquesta manera, és possible obtenir guies d'ona monomode amb tamany similar a la fibra òptica, encarregades d'injectar la llum, minimitzant les pèrdues d'inserció. Aquesta propietat fa que aquest tipus de guies siguin les candidates òptimes per a la fabricació de transductors òptics, els quals es basen en la idea que qualsevol alteració d'una propietat física o química produïda a un medi pot detectar-se a partir del canvi que produeix a las característiques de propagació de la llum a través d'ell.<br/>En aquest treball s'han desenvolupat les eines necessàries per a la caracterització dels transductors òptics integrats: s'ha posat a punt els programes de simulació de diferències finites amb xarxa no-uniforme (NU-FDM) i el Mètode de propagació del feix (BPM), que permeten analitzar el comportament tridimensional de tota l'estructura. La tecnologia de Sala Blanca ha estat acondicionada per tal d'aconseguir els requeriments que necessitava l'Òptica Integrada. A aquest fet, l'obtenció de capes per PECVD amb diferents índexs de refracció, així com l'optimització de les tècniques de gravat RIE, han permès realitzar tota una sèrie de transductors òptics amb unes característiques notables. Les guies d'ona han estat mesurades en potència i longitud d'ona. Així, s'ha pogut comprovar com la configuració ARROW es trobava ben sintonitzada, a la longitud d'ona de treball (633nm) tant en gruix com en índex de refracció, validant la tecnologia emprada.<br/>Gràcies als punts anteriors, s'han pogut realitzar tres tipus de transductors. El primer d'ells consisteix en un interferòmetre Mach-Zehnder (MZI), el qual basa el seu principi de funcionament en la modificació del camí òptic a una de les seves branques, obtenint un patró interferomètric. A partir d'aquest, és possible determinar la variació en la part real de l'índex de refracció. El segon transductor es basa en la modificació de la part imaginaria de l'índex de refracció. Entremig de dues guies es situa una membrana selectiva, la qual té com a característica principal la modificació de la seva transmissió, a una certa longitud d'ona, a mesura que absorbeix un determinat ió. A partir de l'atenuació mesurada al final del dispositiu, és possible conèixer la quantitat d'ions absorbits. Finalment, el tercer transductor es basa en l'obstrucció del camí òptic amb un material absorbent mòbil. La posició d'aquest absorbent ha estat dissenyada per variar amb l'acceleració, obtenint un accelerómetre òptic.

Integrated optics is one of the most interesting research fields in the short-mid term due to the clear advantages that it has as compared to the traditional electronics. Using light as the carrier of information, which is unaffected to electromagnetic perturbations, cause this field to be one of the most viable solutions concerning the telecommunications bottleneck. In addition, the application of integrated optics in the sensor field offers a better response as compared to the transducers used nowadays: Its capability to resist harsh environments, the measurement without direct contact and the safety in explosive media cause this to be of huge interest for the industry.<br/>Between the different materials available to be used for integrated optics, only silicon, with the great knowledge of their technological aspects, allows the mass low-cost fabrication. Although its limited optical properties, its abundance, high purity, chemical stability and mechanical stiffness cause it to be ideal for hybrid integration, where the optical an electrical parts of the device are combined on silicon, using surface mounting techniques and with optical interconnection, using waveguides, between them.<br/>The optical confinement with ARROW structures is based on the total internal reflection at the upper interface and the ultra-high reflectivity that cause the layers beneath the core. The refractive index and the thickness of these layers is tuned in such a way that the lowest order mode has a minimum of losses, while the rest of the modes suffer from high attenuation. Then, it is possible to obtain single mode waveguides with core thickness comparable to the single-moded fiber optics, minimizing the insertion losses. Then, these waveguides seem to be the most promising candidates for the fabrication of optical transducers, which are based on the idea that any variation of a physical or chemical property caused to a media can be detected form a the change that is produced on the light path across it.<br/>In this thesis it has been developed the necessary tools to characterize the integrated optical transducers: It has been implemented the simulation programs based on non-uniform finite-difference method (NU-FDM) and the Beam propagation method (BPM), that allows analyzing the 3D behavior of any structure. The technological steps have been arranged so as to meet the integrated optics requirements. Concretely, the deposition of PECVD layers with different refractive index, together with the optimization of the RIE process, has allowed obtaining several optical transducers with excellent properties. Their waveguides have measured, both in power and in wavelength, showing that the ARROW structure was tuned in according to specifications.<br/>With the basis of the waveguides, it has been possible to define three different optical transducers: A Mach-Zehnder Interferometer, an absorption sensor and an optical accelerometer.