Diseño e implementación de dispositivos fotónicos integrados en silicio para distintas aplicaciones tecnológicas

Abstract

Desde la llegada de la fibra óptica en los años 60, sustituyendo a los tradicionales hilos de cobre por sus bajas pérdidas de transmisión y su alta capacidad, se ha puesto mucho esfuerzo en el desarrollo de componentes y sistemas aprovechando la naturaleza electromagnética de la luz. La fotónica de silicio ha surgido como una tecnología madura que se espera que desempeñe un papel clave en aplicaciones emergentes críticas, incluidas las comunicaciones ópticas de muy alta velocidad, sensores espectroscópicos y biológicos, la detección de distancias para vehículos autónomos, tecnología espacial y el procesamiento de información cuántica. El éxito de la fotónica de silicio ha sido posible gracias a la combinación única de alto rendimiento y capacidad de volumen, que sólo se puede lograr mediante la estandarización de la tecnología de fabricación. Un chip fotónico integrado es un dispositivo que combina múltiples componentes fotónicos en una única plataforma, utilizan la luz para transmitir y procesar información a nivel micro/submicrométrico de manera eficiente y compacta. Representan una evolución tecnológica clave, que combina las ventajas de la óptica y la electrónica para satisfacer las crecientes demandas de velocidad, capacidad y eficiencia en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas avanzadas. En esta tesis se desarrollaron múltiples dispositivos fotónicos integrados en chips (PICs) con la tecnología del silicio. Para lograrlo, fue necesario comprender los fenómenos físicos que los gobiernan, utilizando métodos numéricos para el diseño, modelado, optimización y enrutamiento de los circuitos ópticos, finalmente se profundizaron y caracterizaron los procesos de micro-fabricación. Primero se profundizó el estado del arte y los componente fundamentales de la fotónica del silicio, esto mediante sucesivas simulaciones numéricas hasta con-seguir una versión realista de los dispositivos de interés en este trabajo. En una primera etapa se desarrollaron divisores de potencia ópticos 1x2 integrados, y luego fueron escalados a divisores 1x4 y 1x8, además se diseñaron distintos tipos de estructuras fotónicas para caracterizar pérdidas por curvaturas y propagación en guías de onda. Luego, mediante herramientas de dibujo asistido y programas automatizados para la generación de layout de componentes, los patrones de los dispositivos fueron transferidos a una fotomáscara que fue fabricada mediante procesos litográficos. Esto fue el preámbulo para profundizar sobre las técnicas litográficas convencionales de los procesos de fabricación con tecnología CMOS, en donde el material de soporte para el desarrollo de estos dispositivos fue el nitruro de silicio (SiNx). Las técnicas más relevantes caracterizadas en este trabajo fueron: depósito de fotoresinas, exposición UV, procesos de revelado y ataques físicos/químicos (etching). Además, en esta tesis también se trabajó con otro de los soportes claves de la fotónica del silicio, el Silicio Sobre Aislante (Silicon- On-Insulator, SOI). Se de-muestra la implementación de divisores de potencia integrados 1x2, 1x4 y 1x8. La geometría del divisor fue reducida considerablemente ingresando un interferómetro multimodal en la entrada (MMI) y las ramas de las salidas fueron diseñadas a partir del acoplamiento coherente simplificado (SCC). Luego, una vez más median-te distintos enfoques de simulaciones numéricas, los parámetros sensibles fueron optimizados. Los divisores de potencia fueron fabricados por la foundrie COR-NESTONE. Posteriormente el chip fotónico que contiene los divisores propuestos, fueron caracterizados y comparados con otros divisores de potencia convencio-nales, que también fueron integrados en el mismo chip. Para caracterizar chips fotónicos, es necesario contar con un sistema fiable que nos permita adquirir y pro-cesar la potencia óptica y respuesta espectral de los dispositivos integrados, motivo por el cual en este trabajo se desarrolló un sistema de micro-posicionamiento automático, para la adquisición y el análisis de las potencias ópticas transmitidas de los dispositivos fotónicos. Por otro lado, se presenta y describe cuidadosamente el proceso de empaquetado de un divisor de potencia MMI+SCC 1x8, que implica la pre-alineación y el acoplamiento de la señal óptica al chip, como así también la integración de todos los componentes. Además, diseñamos el hausing del sistema teniendo en cuenta los componentes internos y externos del dispositivo final, don-de se han incluido las interfaces de I/O compatibles con fibra óptica SM. Para el último paso, todos los componentes y la carcasa se fabricaron mediante impresión 3D. La siguiente etapa de esta tesis aborda el diseño de dispositivos demultiplexores de longitud de onda (Arrayed Waveguide Gratings, AWG), nos enfocamos en las plataformas del silicio sobre aislante (SOI) y nitruro de silicio (SiNx). Primero se detalla el principio de funcionamiento de este sistema y la respuesta espectral del mismo, luego mediante distintos métodos numéricos se hace un análisis de los parámetros sensibles y la influencia que tienen en el rendimiento del AWG. Se escalaron AWGs 1x8 y 1x16 en ambas plataformas tecnológicas. Luego, se enviaron a fabricar diseños preliminares a CORNESTONE y se caracterizaron con el sistema de micro-posicionamiento previamente desarrollado. Finalmente, se desarrolla el diseño de un sensor espectroscópico de alta resolución para la detección de gases en la banda NIR, que resulta de la combinación de sistemas de anillos resonadores-CROW y AWGs. Se estudian sus comportamientos espectrales y se escalan ambos sistemas para que el Free Spectral Range del sistema de anillos-CROW, coincida con el espaciado de canales del AWG. A partir de este análisis se propone una topología optimizada para la detección de gases basado en la teoría de la espectroscopia del NIRs. Las etapas de los sub-sistemas del sensor espectroscópico, son verificadas mediante simulaciones numéricas, y se muestran los resultados espectrales y la resolución alcanzada.