Development of silicon photonic structures for sensing and signal processing

Abstract

(English) Silicon photonics is the opportunity that one of the most amazing materials in nature, silicon, has offered once its electronic technological possibilities are reaching its limit. The transparency of this material in the near and mid infrared, along with the extensively developed manufacturing processes, opens the door to the miniaturisation of complex optical systems used in innumerable applications. Ultra-fast communications with low power consumption or highly selective and sensible sensors are some of the most promising ones.

In this thesis the optical properties of silicon have been exploded from two differentiated perspectives: the study of macroporous silicon photonic crystals applied to selective gas detection, and the development of in-house fabrication process for integrated silicon photonic circuits. In the first part of the thesis, devoted to macroporous silicon photonic crystal, efforts have been focused on understanding the multiple sources of distortion of the optical response of the same as well as the improvement of some figures of merit such as bandgap width, quality factor or transmittance. The improvement of these figures of merit could lead to the obtaining of photonic structures with potential selective light filtering market applications, in our case, focused to spectroscopic gas detection.

On the other hand, in the second part of the thesis, a prospective work on the development of a standardised in-house fabrication-simulation-measurement process has been performed. In our group, and as far as I now at UPC, there was no previous knowledge on the fabrication of these devices. Therefore, we have had to develop all the fabrication/measurement protocols and measurement tools. With these processes optimized, different resonating optical structures have been obtained with high quality factors and relatively low losses. This thesis opens the door to the in-house fabrication of more complex optical circuits, which can be used to many applications, such as integrated optical gas sensors or beam stirring of THz antennas.

(Català) La fotónica del silici és l'oportunitat que un dels materials més sorprenents de la naturalesa, el silici, ha ofert una vegada que les seves possibilitats tecnológiques dintre de l'electrónica estan arribant al seu límitº La transparencia d'aquest material en l'infraroig próxim i mitja, juntament amb els processos de fabricació ampliament desenvolupats, obre la porta a la miniaturització de complexos sistemes óptics utilitzats en innombrables aplicacions. Les comunicacions ultrarapides amb baix consum d'energia o els sensors altament selectius i sensibles són algunes de les més prometedores. En aquesta tesi s'han explotat les propietats óptiques del silici des de dues perspectives diferenciades: l'estudi dels cristalls fotónics de silici macroporosos aplicats a la detecció selectiva de gasos, i el desenvolupament d'un procés de fabricació propi per als circuits fotónics integrats de silici. En la primera part de la tesi, dedicada al cristall fotónic de silici macroporoso, els esforços s'han centrat en la comprensió de les múltiples fonts de distorsió de la resposta óptica d'aquest, així com en la millora d'algunes figures de merit com l'augment del bloqueig de les bandes laterals, el factor de qualitat o la transmitancia. La millora d'aquestes figures de merit podria conduir a l'obtenció d'estructures fotóniques amb possibles aplicacions en el mercat de filtrat selectiu de llum infraroja, en el nostre cas, enfocades a la detecció espectroscópica de gasos. D'altra banda, en la segona part de la tesi s'ha fet un treball prospectiu sobre el desenvolupament d'un procés normalitzat de fabricació-simulació-mesurament propi. Al nostre grup, i dintre del nostre coneixement, a la UPC, no hi havia cap experiencia previa sobre la fabricació d'aquests dispositius Per tant, hem hagut de desenvolupar tant els protocols de fabricació/mesurament com les eines de mesura. Amb aquests processos optimitzats, s'han obtingut diferents estructures óptiques ressonants amb alts factors de qualitat i perdues relativament baixes. Aquesta tesi obre la porta a la fabricació propia de circuits óptics més complexos, que poden utilitzar-se per a moltes aplicacions, com els sensors óptics de gas integrats o l'agitació de feix d'antenes THz.