Ontwerp en Fabricage van een Geïntegreerde Zender voor Fiber-To-The-Home (FTTH) Optische Netwerken. Diedrik Vermeulen

Ontwerp en Fabricage van een Ge¨ıntegreerde Zender voor Fiber-To-The-Home (FTTH) Optische Netwerken Diedrik Vermeulen

Promotor: Prof. dr. ir. D. Van Thourhout Begeleider: dr. ir. G. Roelkens

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk natuurkundig ingenieur

Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Paul Lagasse Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008

Ontwerp en Fabricage van een Ge¨ıntegreerde Zender voor Fiber-To-The-Home (FTTH) Optische Netwerken Diedrik Vermeulen

Promotor: Prof. dr. ir. D. Van Thourhout Begeleider: dr. ir. G. Roelkens

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk natuurkundig ingenieur

Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Paul Lagasse Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008

De auteur en promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. The author and promotor give the permission to use this thesis for consultation and to copy parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically the source must be extensively specified when using from this thesis.

Gent, Juni 2008 De auteur

Diedrik Vermeulen

Dankwoord Deze thesis kon enkel tot een goed einde gebracht worden met de hulp van een heleboel collega’s, familie en vrienden. Eerst en vooral wil ik mijn begeleider Gunther bedanken. Tijdens de les Fotonica gaf hij een boeiende presentatie over FTTH zodat de keuze van mijn thesisonderwerp snel gemaakt was. Het voorbije jaar heb ik veel van hem opgestoken en leren denken als een echte fotonicus. Ik denk dat onze nauwe samenwerking ertoe geleid heeft dat de realisatie van een volwaardige ge¨ıntegreerde FTTH transceiver weer iets dichter is gekomen. Ook bedank ik mijn promotor, prof. Dries Van Thourhout, voor de nodige ondersteuning om deze thesis tot een goed einde te brengen. Verder zijn er nog een heleboel mensen uit de fotonica groep die ik wil bedanken. Peter Bienstman en Lieven voor hun expertise in Camfr en Meep. Wim en Pieter voor de hulp met PICAZZO. Joost voor de hulp bij het ontwerpen van een PCG. Jonathan, aka de FIB master, en Liesbet voor de FIB sessies en voor problemen met Omnisim. Tom, Frederik, Stijn, Shankar, Dirk en Danae voor de hulp met vanalles en nog wat. Joris, voor de meetweetjes. Jeroen, voor de ontelbare logins en paswoorden en voor het in orde brengen van de thesiskamer. Steven, voor de interferometrie en ellipsometrie uitleg. Roel Baets, voor de lessen microfotonica. Ook alle mede-thesisstudenten ben ik zeer dankbaar. Zij zorgden steeds voor een plezante sfeer in de thesiskamer. De ondersteunende hulp van mijn ouders (Henk en Rita) hebben ervoor gezorgd dat ik mijn studies tot een goed einde kon brengen, waarvoor bedankt.

Diedrik Vermeulen Gent (België), 1 Juni 2008

iv

v

Ontwerp en Fabricage van een Ge¨ıntegreerde Zender voor Fiber-To-The-Home (FTTH) Optische Netwerken door Diedrik Vermeulen

Scriptie voorgedragen tot het behalen van de graad van Burgerlijk natuurkundig ingenieur Academiejaar 2007–2008 Begeleider: dr. ir. G¨ unther Roelkens Promotor: prof. dr. ir. Dries Van Thourhout Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen Voorzitter: prof. dr. ir. Paul Lagasse Vakgroep Informatietechnologie

Samenvatting Fiber To The Home (FTTH) is een veelbelovende technologie voor datacommunicatie. Het volledige netwerk bestaat uit glasvezel waardoor er een grote en symmetrische bandbreedte kan gerealiseerd worden. Typisch worden 1310nm en 1490nm voor data uitwisseling en 1550nm voor CATV gebruikt. De optische componenten in een FTTH netwerk, zoals de optische triplexer, zijn echter niet geschikt voor massaproductie. In deze scriptie werd onderzocht hoe we deze optische componenten kunnen integreren op een ’Silicon On Insulator’ (SOI) chip. SOI technologie is CMOS-compatibel waardoor massaproductie mogelijk wordt. Verder zorgt de hoge brekingsindex van Silicium ervoor dat de ontwerpen uiterst compact zijn zodat er meer chips per wafer kunnen gefabriceerd worden. Met behulp van glasvezel roosterkoppelaars wordt het licht langs boven ingekoppeld. Hierdoor kunnen we de verschillende chips testen zonder de wafer te klieven. In eerste instantie hebben we enkel het passief optisch gedeelte ge¨ıntegreerd van de FTTH transceiver. De actieve componenten, lasers en fotodetectoren, flipchippen we op de SOI chip. Een eerste prototype van een FTTH transceiver werd gerealiseerd. Trefwoorden: Fiber To The Home (FTTH), Silicon-On-Insulator (SOI), Duplexer, Particle Swarm Algoritme (PSO), Roosterkoppelaar, Polarisation Diversity Loss (PDL), Planar Concave Grating (PCG), Polarisatie invariantie

Silicon-on-Insulator Nanophotonic Waveguide Circuit for Fiber-to-the-Home Transceivers

vi

D. Vermeulen(1), G. Roelkens(1), J. Brouckaert(1), D. Van Thourhout(1), R. Baets(1) R. Duijn(2), E. Pluk(2), G. Van den Hoven(2) 1: Photonics Research Group, Ghent University-IMEC, Sint-Pietersnieuwstraat 41, B-9000 Ghent – Belgium e-mail: [email protected] 2: GENEXIS B.V., Lodewijkstraat 1a, 5652 AC Eindhoven, The Netherlands e-mail: [email protected] Abstract We present a SOI nanophotonic waveguide circuit for FTTH transceivers. A grating duplexer and planar concave grating are combined to couple and demultiplex the 1310, 1490 and 1550nm communication channels. Introduction Silicon-on-insulator technology has many advantages for the realization of photonic integrated circuits. First of all the platform is CMOS-compatible and due to the high refractive index contrast, the designs are very compact. Furthermore, out-of-plane coupling can be realized by the use of a diffractive grating [1]. This makes wafer scale testing feasible. By unifying these advantages it is possible to fabricate nanophotonic integrated circuits in large volumes at a low cost. Point-to-point Fiber-to-the-Home optical access networks require large volume and low-cost optical transceivers, both at the subscriber and the central office side. From the perspective of the transceiver at the subscriber side, 1310nm is the upstream channel and 1490nm and 1550nm are the downstream channels for data and CATV. The passive optical part of a fiber-to-the-home transceiver has to couple and demultiplex these three communication channels.

This circuit is fabricated using standard CMOS technology, on a silicon wafer with a 220 nm thick silicon waveguide core and a 2µm thick buried oxide layer. Grating Duplexer In order to couple and at the same time split the upstream and downstream wavelength bands, we use a 1-dimensional grating duplexer. The working principle is shown in Figure 2. Under a certain angle of the optical fiber, the Bragg condition is fulfilled for both wavelengths λ1 and λ2 and the 2 wavelength bands will couple in opposite directions. The grating period, duty cycle and number of periods have been optimized using a particle swarm optimization algorithm, in order to achieve maximum coupling efficiency for both the upstream and downstream wavelength bands.

In this paper, we report on the design and fabrication of a nanophotonic waveguide circuit realizing this optical coupling and demultiplexing. With a grating duplexer [2] the light is coupled into the chip and the 1310nm upstream channel is spatially separated from the downstream channels.

Figure 2: Operation principle of a grating duplexer. λ1 represents the upstream wavelength band, λ2 represents the downstream wavelength band. Figure 1: Microscope image of a grating duplexer in combination with a Planar Concave Grating (PCG) demultiplexer for FTTH applications With a planar concave grating demultiplexer [3], the downstream channels 1490nm and 1550nm are splitted and the 1310nm wavelength channel is filtered to reduce the crosstalk levels. A microscope image of the fabricated structure is shown in Figure 1.

The duplexer has been designed in a way that the upstream band around 1310 nm is coupled in the forward direction and the downstream band around 1520 nm is coupled backwards. The measurement results of the grating duplexer are plotted in Figure 3. The period of the grating is 520 nm and the grating duty cycle is 40%. The etch depth is 70nm. The number of grating periods is 20. Index matching fluid was applied between the optical fiber facet and the

grating duplexer to avoid reflections at the fiber facets and the fiber was tilted under an angle of 10 degrees. Standard single mode fiber was used for the experiments. The experiments were performed using TE polarized light. Making the grating duplexer polarisation independent can be done by using a two dimensional grating structure [2].

vii

Figure 4: Transmission spectrum of the planar concave grating demultiplexer The maxima of the transmission efficiencies are -5.4 dB for 1485 nm and -7.6 dB for 1542 nm and are limited by the Fresnel reflection at the Silicon/Air interface. The crosstalk at these maxima is about -30 dB and -40 dB respectively. Filtering of the 1310 nm channel is as good as -40 dB. Several techniques to reduce the insertion loss of this demultiplexer exist; for example with high reflectivity Bragg reflectors, as described in [5], the insertion loss can be reduced by 4 dB. Conclusions

Figure 3: Transmission spectrum of the grating duplexer for the upstream band (upper graph) and the downstream band (lower graph) The coupling efficiencies of the central wavelengths are -6 dB for 1300 nm and -4 dB for 1520 nm. At the communication wavelengths 1310, 1490 and 1550 nm the coupling efficiencies are respectively -7 dB, -6 dB and -8 dB. Decreasing these losses can be done by first depositing an extra silicon layer prior to defining the grating [4]. Simulations show that efficiencies of -1.9 dB are possible for both central wavelengths. Planar Concave Grating Demultiplexer Demultiplexing the downstream band is accomplished by using a planar concave grating demultiplexer (PCG) [3]. In order to avoid possible crosstalk from the grating duplexer as shown in figure 2, we also have to filter the 1310 nm wavelength in both downstream channels. This was done by adjusting the free spectral range of the grating demultiplexer. Measurements of the grating demultiplexer are shown in Figure 4.

We have demonstrated how to couple, demultiplex and filter 1310 nm, 1490 nm and 1550 nm with the use of just 2 integrated optical components. A grating duplexer couples the light and splits the upstream/downstream bands. The PCG separates the 1490 nm and 1550 nm while filtering 1310 nm. In addition we have suggested how to increase the performance of these components and make the device polarisation independent. The proposed configuration contains all functionalities for the passive optical part of an SOI FTTH transceiver, while exploiting all advantages of the silicon-on-insulator platform. We believe that this proof of concept is a stepping stone for future low cost SOI fiber-to-thehome transceiver chips. References 1. D. Taillaert et al IEEE Photonics Technology Letters, 15 (2003), pages 1249-1251 2. G. Roelkens et al Optics Express, 15 (2007), pages 10091-10096 3. J. Brouckaert et al Journal Of Lightwave Technology, 25 (2007), pages 1269-1275 4. G. Roelkens et al Applied Physics Letters, 92 (2008), page 131101 5. J. Brouckaert et al IEEE Photonics Technology Letters, 20 (2008), pages 309-311

viii

Inhoudsopgave 1 Fiber-To-The-Home (FTTH) 1.1 Algemeen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Fiber to the X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Architecturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 PTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Protocollen en Standaards . . . . . . . . . . . . . 1.5 Electronische/Optische Conversie . . . . . . . . . 1.6 FTTH zender/ontvanger op basis van ’Silicon On 1.6.1 Transceiver in de Centrale . . . . . . . . . 1.6.2 Transceiver bij de Klant . . . . . . . . . . 1.6.3 Lasers en Fotodetectors . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Insulator’ technologie (SOI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Optimalisatie Algoritmes 2.1 Particle Swarm Optimalisatie (PSO) . . . . 2.2 Genetisch Algoritme (GA) . . . . . . . . . . 2.3 Vergelijking tussen het Genetisch Algoritme goritme (PSO) . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Fitness Functie . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (GA) en het Particle Swarm Al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 1-Dimensionale Rooster Koppelaar 3.1 Bragg Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Rooster Koppelaar . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 De ’Standaard’ Rooster Koppelaar . 3.2.2 Bandbreedte . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Breedte van de Golfgeleider . . . . . 3.3 Simulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Hoog-efficiënte Roosterkoppelaars . . . . . . 3.4.1 Goudspiegel . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Luchtspiegel . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Silicium Laagje . . . . . . . . . . . . 3.5 Fabricage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 FIB poging . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Metingen van SOI-chips gefabriceerd

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bij LETI

ix

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

1 1 1 2 3 3 4 5 6 6 9 9 10 10 12 13 13 16 16 18 18 18 21 23 26 28 29 30 40 41 43

Inhoudsopgave 3.5.3 3.5.4

x Metingen van SOI-chips gefabriceerd bij IMEC . . . . . . . . . . . . . Laagje Silicium onder de Rooster Koppelaar . . . . . . . . . . . . . . .

4 Duplexers 4.1 Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Duplexer: 1310/1550 nm . . . . . . . 4.2.1 TE Duplexer . . . . . . . . . 4.2.2 Metingen . . . . . . . . . . . 4.3 Polarisatie Splitter voor 1310 nm . . 4.4 Combinatie van de 1310/1550nm TE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Duplexer en

5 2-Dimensionale Roosters 5.1 Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 2-dimensionale Rooster Duplexer . . . . . 5.3 PDL van een 2D Rooster Duplexer . . . . 5.3.1 PDL Metingen van een 2D Rooster

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polarisatie Splitter

. . . . . . . . . . . . . . . . . . Duplexer

6 Demultiplexers en Filters 6.1 PCG: 1490/1550nm demultiplexer en 1310nm filter 6.2 Demultiplexen van 1310nm TM en 1550nm TE . . 6.2.1 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Directionele Koppelaar . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . .

44 45

. . . . . .

47 47 49 51 53 55 56

. . . .

59 59 61 62 62

. . . .

67 67 69 69 71

A Hoog-effici¨ ente Rooster Koppelaars: Meting

76

B FTTH Artikel

80

Bibliografie

83

Hoofdstuk 1

Fiber-To-The-Home (FTTH) Referenties: Huang et al. (2007)

1.1

Algemeen

Fiber to the Home (afgekort tot FTTH) is een techniek waarmee datacommunicatie mogelijk wordt gemaakt door middel van een glasvezelverbinding naar woningen. Bij andere technieken zoals kabel of ADSL is het zo dat het grootste gedeelte van het netwerk wel uit glasvezelverbindingen bestaat, maar het laatste stukje, van wijkcentrale/straatverdeler tot aan de woning, is koperkabel. Bij FTTH is ook dat laatste stukje glasvezel. Het meest gebruikte medium voor FTTH is single-mode glasvezel. De belangrijkste eigenschappen van een glasvezelverbinding zijn de grote bandbreedte en de grote afstand waarover deze snelheid gerealiseerd kan worden. Er zijn glasvezelverbindingen mogelijk tot wel 10 Gbit/s, over een afstand van vele kilometers. Vaak worden FTTH-abonnementen geleverd met snelheden variërend van 10 tot 100Mbit/s. Een groot verschil met bijvoorbeeld ADSL of kabel, is dat de geleverde snelheden meestal symmetrisch zijn, wat wil zeggen dat zowel up- als download snelheid gelijk zijn. Ook de netwerkvertraging (ook wel latency of ping genoemd) is veel lager.

1.2

Fiber to the X

Fiber to the X (FTTX) is een generische term voor elk netwerk type dat gebaseerd is op glasvezel en dat momenteel toegepast wordt om het bestaande koper telecommunicatie netwerk geheel of gedeeltelijk te vervangen. De vier technieken, in volgorde van totaal bereik zijn (zie Figuur 1.1): • Fiber to the node / neighborhood (FTTN) / Fiber to the cabinet (FTTCab)

1

Hoofdstuk 1. Fiber-To-The-Home (FTTH)

2

• Fiber to the curb (FTTC) • Fiber to the building (FTTB) • Fiber to the Home (FTTH)

Figuur 1.1: Een schematische voorstelling van de FTTX architectuur varianten m.b.t. de afstand tussen de glasvezel en de eindverbruiker. Het gebouw aan de linkerkant is het centrale gebouw, of knooppunt, het gebouw aan de rechterkant is een van de gebouwen dat service afneemt van het centrale gebouw. De splitsing aan de rechterkant is een voorbeeld van de aanwezigheid van consumenten en zakelijk gebruik in hetzelfde gebouw.

1.3

Architecturen

De meest gebruikte architecturen voor FTTH zijn Point-To-Point (PTP) netwerken en Passive Optical Networks (PON). Beiden hebben hun voor-en nadelen gebaseerd op finaniciële, bandbreedte en component gebaseerde criteria.


1.3.1

3

PTP

De PTP architectuur is de meest éénvoudige. Elke gebruiker heeft zijn eigen rechtstreekse glasvezelverbinding met de centrale. De volledige bandbreedte is dus ter beschikking van de gebruiker. In Figuur 1.2 is dergelijke architectuur schematisch voorgesteld.

Figuur 1.2: Een schematische voorstelling van de PTP architectuur. (1 op 1 glasvezelverbinding tussen de centrale en de klant-aansluiting)

1.3.2

PON

Bij de PON architectuur wordt één enkele glasvezelkabel in de centrale gedeeld door 16 tot 32 eindgebruikers. In Figuur 1.3 is de PON architectuur schematisch voorgesteld. Met behulp van een vermogensplitter wordt het signaal verdeeld onder de verschillende eindgebruikers. Deze optische splitsing introduceert een groot vermogen verlies. Een PON netwerk zal dus een kleiner bereik hebben dan een PTP netwerk. Langs de andere kant is er minder glasvezel nodig waardoor de kost daalt. Bovendien is bij een PON archtitectuur de maximale afstand tussen de centrale en de eindgebruiker 20 km. Dit betekent dat men in dicht bevolkte gebieden 98% van de populatie kan bereiken. Bij FTTH bedrijven zijn er hevige discussies omtrent de keuze van de architectuur. In theorie is het voordelig om gebruik te maken van een PON architectuur in dicht bevolkte gebieden. In praktijk blijkt dit minder goed te kloppen. Meestal zijn er slechts enkele van de 16 tot 32 mogelijke eindgebruikers wel degelijk geabonneerd.


4

Figuur 1.3: Een schematische voorstelling van de PON architectuur. (een optische splitter verdeelt het signaal over meerdere eindpunten)

1.4

Protocollen en Standaards

Er bestaan verschillende soorten protocollen (BPON,EPON,GPON) en standaards (ITU-T G983, IEEE803.2ah, ITU-TG.984) om informatieoverdracht tussen centrale en eindgebruiker te verwezenlijken. In Figuur 1.4 zijn de specifacaties weergegeven van de verschillende protocollen. Al deze protocollen en standaards maken gebruik van dezelfde 3 golflengtes, behalve EPON die er slechts twee gebruikt. Vanuit het perspectief van de gebruiker is 1310 nm de upstream golflengte en 1490/1550 nm de downstream golflengtes.1 1310nm/1490nm worden gebruikt voor data uitwisseling en 1550nm voor TV signalen.

Figuur 1.4: De meest gebruikte protocollen en standaards. 1

Er bestaan ook protocollen en standaards die enkel 1490 nm als downstream golflengte gebruiken.


1.5

5

Electronische/Optische Conversie

De conversie van optische signalen naar elektrische signalen en omgekeerd wordt gedaan met behulp van lasers en fotodetectors. We moeten wel eerst het licht demultiplexen in zijn verschillende golflengtes. Standaard gebruikt men hiervoor aan de gebruikerskant een optische triplexer, zoals in Figuur 4.8. Deze component bevat 2 dichro¨ısche spiegels die telkens 1 golflengte filteren, 2 fotodetectors om de 1490/1550nm signalen te detecteren en 1 laser om 1310nm signalen te verzenden. Analoge componenten bestaan voor in de centrale electrooptische conversie te bewerkstelligen.

Figuur 1.5: De standaard gebruikte optische triplexer. (gebruikerskant)

In Figuur 1.6 zien we een doorsnede van deze standaard optische triplexer. In het rood zijn de 6 elementen omcirkelt die gealigneerd dienen te worden. Deze alignatie moet echter zeer nauwkeurig zijn, wat ervoor zorgt dat massaproductie onmogelijk is.


6

Figuur 1.6: Een doorsnede van een standaard optische triplexer. De 6 elementen die gealigneerd moeten worden zijn in rood omcirkelt.

1.6

FTTH zender/ontvanger op basis van ’Silicon On Insulator’ technologie (SOI)

Om de kost van de optische componenten in een FTTH netwerk te drukken, stellen we voor om deze te integreren op een ’Silicon on Insulator’ (SOI) chip. Deze technologie is CMOScompatibel waardoor massaproductie mogelijk wordt. Verder zorgt de hoge brekingsindex van Silicium ervoor dat de ontwerpen uiterst compact zijn zodat er meer chips per wafer kunnen gefabriceerd worden. Met behulp van glasvezel roosterkoppelaars kunnen we het licht langs boven inkoppelen. Hierdoor kunnen we de verschillende chips testen zonder de wafer te klieven, wat de kost nog verder zal verlagen. In de volgende paragrafen wordt de strategie voorgesteld die we zullen volgen om de transceiver te realiseren. We beperken ons hier tot een korte bespreking van de verschillende elementen. In latere hoofdstukken zal elk element uitgebreid besproken worden.

1.6.1

Transceiver in de Centrale

Voor de ge¨ıntegreerde transceiver in de centrale is 1310nm de downstream golflengte en 1490/1550 nm de upstream golflengtes.


7

Figuur 1.7: Werking van de Rooster Duplexer.

Om het licht van de single-mode glasvezel te koppelen in de SOI chip gebruiken we een rooster duplexer. In Figuur 1.7 is de werking van de rooster duplexer getekend. Twee centrale golflengtes koppelen2 in de SOI chip in tegengestelde richting. De 3dB-bandbreedte van het ingekoppelde licht rond een centrale golflengte is typisch 100nm. De duplexer stelt ons dus in staat om alle communicatie golflengtes 1310nm, 1490nm en 1550nm in te koppelen en tegelijkertijd de downstream golflengte 1310nm en de upstream golflengtes 1490/1550 nm te splitsen. Voor een 1-dimensionaal rooster zal 1310nm voorwaarts inkopplen en 1490/1550 nm achterwaarts. Aangezien de effectieve brekingsindex in SOI verschillend is voor verschillende polarisaties, zal een 1-dimensionale roosterkoppelaar slechts optimaal werken voor 1 polarisatie. Er bestaan twee methodes om polarisatie invariantie te verkrijgen. De traditionele oplossing is het rooster 2-dimensionaal maken, zoals te zien is in Figuur 1.8. Bij benadering kunnen we dit beschouwen als de superpositie van twee 1-dimensionale roosterkoppelaars. 2

Wegens reciprociteit gebruiken we inkoppelen en uitkoppelen door elkaar.


8

Figuur 1.8: (a) 1-dimensionale roosterkoppelaar (b) 2-dimensionale roosterkoppelaar

Een tweede methode is het zorgvuldig ontwerpen van de rooster duplexer zodat deze de TE polarisatie voorwaarts inkoppelt en de TM polarisatie achterwaarts. Dergelijk polarisitie splitsend rooster is in deze thesis enkel ontworpen voor 1310nm en niet voor 1550nm. In Figuur 1.9 is de werking voorgesteld van een 1-dimensionale duplexer met polarisatie invariantie voor 1310nm.3 De 1310nm TM en 1490/1550 nm TE golflengtes kunnen na inkoppeling gesplitst worden met een directionele koppelaar.

Figuur 1.9: 1-dimensionale polarisatie invariante rooster duplexer voor 1490/1550 nm (rode en blauwe pijlen) en 1310 nm (groene pijlen)

De upstream golflengtes 1490nm en 1550nm multiplexen kunnen we bijvoorbeeld met een ’Planar Concave Grating Demultiplexer’ (PCG) doen. 3

De pijlen staan ter hoogte van de Si02 laag maar koppelen wel degelijk in de Si toplaag.


1.6.2

9

Transceiver bij de Klant

Voor de ge¨ıntegreerde transceiver bij de klant is 1310nm de upstream golflengte en 1490/1550 nm de downstream golflengtes.

Figuur 1.10: Rooster duplexer in combinatie met een PCG voor 1490/1550 nm (rode en blauwe pijlen) en 1310 nm (groene pijl)

In Figuur 1.10 is de combinatie voorgesteld van een 1-dimensionale rooster duplexer met een PCG die 1490nm en 1550nm splitst. Voor de upstream golflengte moeten we steeds rekening houden met de mogelijke overspraak van de rooster duplexer (zie Figuur 1.7). De PCG kan echter zo ontworpen worden dat deze 1490nm en 1550nm splitst en de 1310nm overspraak filtert. Polarisatie invariantie voor de downstream golflengtes 1490/1550 nm kan enkel gerealiseerd worden met een 2-dimensionaal rooster.

1.6.3

Lasers en Fotodetectors

In eerste instantie kunnen we de lasers en fotodetectors flipchippen. Dit betekent dat we voorgefrabiceerde lasers en fotodetectors op de chip integreren, bijvoorbeeld met een polymere lijm, genaamd BCB. Koppeling tussen chip en fotodetector/laser gebeurd met behulp van een rooster koppelaar. BCB is maar één van de opties. Solderen met AuSn is een meer gebruikelijke methode.

Hoofdstuk 2

Optimalisatie Algoritmes Het SOI platform is een hoge brekingsindex contrast technologie. Toch kunnen we nog gebruik maken van benaderde theorieën voor lage brekingsindex contrasten om de grote lijnen van een component te berekenen. Voor het optimaliseren van de component maakt men gebruik van een optimalisatie algoritme in combinatie met rigoureuse modesolvers. In dit hoofdstuk worden 2 verschillende optimalisatie algoritmes besproken. Beiden zijn populatie gebaseerde evolutionaire computer algoritmes. We starten steeds met een aantal willekeurige deeltjes en berekenen hiervan de fitness. Met een deeltje bedoelt men een verzameling van karakteriserende parameters voor een bepaalde component. De fitness is een functie die de parameterruimte omzet in een oplossingsruimte waarvan we het optimum proberen te vinden. Een gepaste fitness functie is dus uitermate belangrijk. De fitness keuze wordt op het einde van het hoofdstuk besproken.

2.1

Particle Swarm Optimalisatie (PSO)

Het Particle Swarm Optimalisatie algoritme, afgekort PSO, is gebaseerd op het sociaal gedrag van een zwerm vogels of een school vissen. We beginnen met een aantal willekeurige deeltjes met een willekeurige snelheid in de parameterruimte. Alle deeltjes hebben een fitness waarde welke berekend worden met de fitness functie. Bij elke iteratie worden deze fitness waarden geëvalueerd en aan de hand ervan worden de nieuwe snelheden en plaatsen berekend van de deeltjes. (zie vergelijking 2.1 en 2.2) De snelheid van een deeltje wordt niet alleen bepaald door zijn eigen fitness waarden maar ook door het beste tot dan toe gevonden deeltje. Het is hierin dat we het sociaal aspect terugvinden van dit algoritme. Er wordt dus bij elke iteratie informatie uitgewisseld tussen de verschillende deeltjes. v[] = w ∗ v[] + c1 ∗ rand()(pbest[] − present[]) + c2 ∗ rand()(gbest[] − present[])(2.1) present[] = present[] + v[]

(2.2)

10

Hoofdstuk 2. Optimalisatie Algoritmes

11

v[] is de snelheid van het deeltje in de parameterruimte, present[] zijn de parameters van het huidige deeltje. gbest[] zijn de parameters van het beste tot dan toe gevonden deeltje ooit. pbest[] zijn de beste parameters ooit van het deeltje zelf. rand() is een willekeurig getal tussen 0 en 1. c1 en c2 zijn de leerfactoren. Meestal zijn deze ongeveer gelijk aan 2. c1 noemt men de cognietieve factor en c2 de sociale factor. w is een getal kleiner dan 1. Ook belangrijk is het instellen van een maximale snelheid voor een deeltje: vmax . De pseudo code van het algoritme ziet er als volgt uit: DO (voor elk deeltje) Initialiseer deeltje END DO (tot maximum iteraties of wanneer een fout criterium bereikt is) DO (voor elk deeltje) bereken fitness waarde IF fitness is beter dan beste fitness in de geschiedenis v.h. deeltje de berekende fitness waarde is de nieuwe pbest END kies deeltje met de beste fitness waarde ooit als gbest DO (voor elk deeltje) bereken de nieuwe snelheid van het deeltje bereken de nieuwe positie van het deeltje END END Om de nieuwe snelheden en posities te berekenen wordt gebruik gemaakt van vergelijkingen 2.1 en 2.2. Om lokale optima beter te vermijden bestaan er verschillende uitbreidingen van het algoritme. Bijvoorbeeld een repulsieve kracht invoeren tussen de deeltjes zodat het onmogelijk wordt dat alle deeltjes vast komen te zitten in een lokaal optimum. Nog een uitbreiding is het starten met een zeer grote populatie aan deeltjes waarvan het grootste deel wordt geëlimineerd wegens een te kleine fitness waarde. In Figuur 2.1 is een PSO optimalisatie te zien in één dimensie.1 In Figuur 2.2 is een PSO optimalisatie weergegeven voor twee dimensies. We zien dat alle deeltjes een snelheid hebben die min of meer in de richting is van het voorlopig beste gevonden deeltje. 1

Op tijdstap 1 wordt hier de globale beste niet bepaald.


12

Figuur 2.1: PSO optimalisatie in 1 dimensie.

Figuur 2.2: PSO algoritme in 2 dimensies.

2.2

Genetisch Algoritme (GA)

Het Genetisch Algoritme, afgekort GA, is gebaseerd op de evolutie theorie en is het meest gebruikte algoritme voor optimalisatie procedures. Het belangrijkste verschil met PSO is dat elke tijdstap uit de beste deeltjes kinderen gecreëerd worden met behulp van mutatie en crossover.


13

De pseudo code van het algoritme ziet er als volgt uit: DO (voor elk deeltje) Initialiseer deeltje END DO (tot maximum iteraties of wanneer een fout criterium bereikt is) DO (voor elk deeltje) bereken fitness waarde END kies de 2 deeltjes met de beste fitness waarde (ouders) DO (tot het aantal kinderen bereikt is) cre¨ eer nieuw deeltje (kind) met behulp van mutatie en crossover END END Een nieuw deeltje (kind) wordt gecreëerd door het uitwisselen van de parameters van de ouders (crossover). Bij enkele willekeurige parameters introduceert men verder een fout (mutatie).

2.3

Vergelijking tussen het Genetisch Algoritme (GA) en het Particle Swarm Algoritme (PSO)

Zowel PSO als GA zijn krachtige algoritmes om snel een component te optimaliseren. Er is echter een fundamenteel verschil tussen de twee algoritmes wat hun toepassingsgebied complementair maakt. Het PSO algoritme gaat uit van een zwerm deeltjes die het optimum omsluiten. Het kan dus enkel toegepast worden voor niet al te veel parameters. Teveel parameters zou betekenen dat we zeer veel deeltjes moeten hebben. Het PSO algoritme is weinig onderhevig aan lokale optima en vindt dus meestal de optimale oplossing. Het GA evolueert als groep naar de optimale oplossing. Het kan toegepast worden in zeer complexe oplossingsruimten en voor veel parameters. Het GA is zeer gevoelig voor lokale optima, maar zal steeds een lokaal optimum vinden hoe groot en complex de parameterruimte ook is. Het PSO algoritme is dus uitermate geschikt om bijvoorbeeld uniforme roosters te optimaliseren. Het GA daarentegen is dan weer geschikt om niet-uniforme roosters te optimaliseren.

2.4

Fitness Functie

Het is belangrijk om de fitness functie zorgvuldig te kiezen. Deze functie moet de parameterruimte omzetten in de oplossingsruimte zodat:


14

• Het optimum heeft de grootste fitness • De oplossingsruimte is continu Als we slechts 1 bepaald aspect willen optimaliseren is de fitness meestal voor de hand liggend. De fitness functie bepalen wordt pas moeilijker als we meerdere aspecten willen optimaliseren en als die verschillende aspecten een bepaalde rangorde hebben. Bijvoorbeeld het optimaliseren van 2 aspecten x en y waarbij x en y maximaal moeten zijn met als voorwaarde dat x en y gelijk zijn. De fitness functie f (x, y) = x + y is weergegeven in Figuur 2.3 We zien duidelijk dat deze niet voldoet aan onze gestelde voorwaarden. Voor x en y gelijk aan 1 is f wel maximaal, maar het is niet geweten of deze oplossing fysisch mogelijk is.

Figuur 2.3: Fitness functie f (x, y) = x + y

Een betere fitness functie is g(x, y) = x ∗ y, zoals voorgesteld in Figuur 2.4. Hierbij worden oplossingen waarbij x en y gelijk zijn bevoordeeld tegenover andere oplossingen.


15

Figuur 2.4: Fitness functie g(x, y) = x ∗ y

Willen we een aspect x maximaliseren en een ander aspect y minimaliseren, dan is de fitness functie h(x, y) = x ∗ (1 − y) de meest geschikte, zoals voorgesteld in Figuur 2.5.

Figuur 2.5: Fitness functie h(x, y) = x ∗ (1 − y)

Hoofdstuk 3

1-Dimensionale Rooster Koppelaar Referenties: Taillaert et al. (2002), Schrauwen et al. (2006), Roelkens et al. (2006), Van Laere et al. (2007), Scheerlinck et al. (2007), Roelkens et al. (2008), He-Jun & Jin-Zhong (2005) Met behulp van een rooster duplexer kunnen we alle communicatie golflengtes inkoppelen en tegelijkertijd 1310nm en 1490nm/1550nm splitsen. Een goede kennis van de rooster duplexer begint bij het bestuderen van de 1-dimensionale roosterkoppelaar voor het inkoppelen van een single-mode glasvezel naar de golfgeleider van de SOI chip.1

3.1

Bragg Diagram

Voor platformen met een lage brekingsindex contrast kunnen we het rooster zien als een kleine perturbatie van de golfgeleider en eenvoudig de Bragg conditie toepassen, zie Figuur 3.1: kwg = kin,proj + K

(3.1)

met kwg de effectieve golfvector van de SOI golfgeleider, K de reciproque roosterconstante van het rooster en kin de golfvector van het invallend licht. 1

Met golfgeleider bedoelen we steeds de lucht/Si/SiO2 golfgeleider van de SOI chip en niet de glasvezel als golfgeleider.

16

Hoofdstuk 3. 1-Dimensionale Rooster Koppelaar

17

Figuur 3.1: Bragg diagram voor een 1ste orde roosterkoppelaar.

Voor een 1-dimensionaal rooster wordt dit 2π 2π 2π nef f = nomg sin(θ) + λ0 λ0 Λ

(3.2)

met nef f de effectieve brekingsindex van de ongeperturbeerde golfgeleider, λ0 de golflengte in het vacu¨ um, nomg de brekingsindex van de omgeving, Λ de periode van het rooster en θ de hoek tussen de glasvezel en de normaal van het rooster. Voor roosters met een groot brekingsindex contrast is dit niet meer geldig. De nef f in (3.2) kan nu niet meer benaderd worden door deze van de golfgeleider en moet vervangen worden door de nef f van het rooster zodat krooster = kin,proj + K (3.3) met krooster = 2π λ0 nef f,rooster . Er bestaan verschillende mogelijkheden om de effectieve brekingsindex van het rooster te schatten. Men kan bijvoorbeeld de effectieve brekingsindex van de verschillende slabs van het rooster eerst apart berekenen en dan het gewogen gemiddelde


18

hiervan nemen met de vulfactor als gewicht: nef f,rooster = vulf actor ∗ nef f,1 + (1 − vulf actor) ∗ nef f,2

(3.4)

Een andere mogelijkheid is eerst het gewogen gemiddelde nemen van de verschillende slabs en dan pas de effectieve brekingsindex berekenen. Bijvoorbeeld voor een rooster in SOI met een silicium kern van 220nm, etsdiepte 70nm en vulfactor 50% heeft de gemiddelde slab een siliucum kern van 220nm − 0.5 ∗ 70nm = 195nm De effectieve brekingsindex van deze gemiddelde slab is dan onze schatting voor de effectieve brekingsindex van het rooster. Het blijkt dat deze benadering zeer accuraat is en de periode van een rooster voorspelt met een nauwkeurigheid die kleiner is dan de fabricagenorm.

3.2 3.2.1

Rooster Koppelaar De ’Standaard’ Rooster Koppelaar

Standaard gebruikt men voor het fabriceren van roosterkoppelaars een Silicium wafer met 2µm SiO2 cladding2 en een Silicium kern van 220nm. De single-mode glasvezel mode heeft standaard een 1/e2 breedte van 10.4µm. De ’standaard’ rooster koppelaar in SOI heeft een etsdiepte van 70nm en een vulfactor van 50%. De glasvezel is 10° getilt tegenover de normaal van het rooster en het medium van de omgeving is lucht(nomg = 1.0). De breedte van de golfgeleider is 12µm. In onderstaande tabel staan de standaard roosters samengevat voor verschillende golflengtes en polarisaties:

periode (µm) vulfactor n.o.p.

1550nm (TE)

1550nm (TM)

1310nm (TE)

0.63 0.5 25

1.04 0.5 20

0.52 0.5 30

met n.o.p. de ’number of periods’ of het aantal perioden dat het rooster lang is. De gemiddelde koppelingsefficiëntie van deze roosters is ongeveer 35%. De 1-dB bandbreedte is 40nm en de 3-dB bandbreedte is 70nm.

3.2.2

Bandbreedte

Een rooster is steeds ontworpen voor een bepaalde golflengte. Dit betekent dat de periode van het rooster zo gekozen is dat de Bragg voorwaarde voldaan is voor een bepaalde hoek van de vezel en voor een bepaalde golflengte λc . We vragen ons af welke golflengtes rond λc ook nog substantieel inkoppelen. Het is duidelijk dat de Bragg voorwaarde niet meer voldaan is voor 2

Het komt ook voor dat deze cladding 1µm dik is.


19

een golflengte verschillend van λc . Deze zal dus uitkoppelen onder een verschillende hoek dan de vezelhoek. Als deze hoek niet te veel verschilt van de vezelhoek zal er toch nog een deel dθ van het licht ingekoppeld worden, afhankelijk van de NA van de glasvezel. De grootheid dλ kunnen we dan beschouwen als een maat voor de bandbreedte van het rooster. Des te kleiner dθ , des te groter is de bandbreedte. dλ We beginnen voor de afleiding eerder algemeen bij de totale afgeleide van θ. θ is een functie van nef f , λ en nomg . De totale afgeleide is dus: ∂θ ∂θ ∂θ dθ = dnomg (3.5) dnef f + dλ + ∂nef f λ,nomg ∂λ nef f ,nomg ∂nomg λ,nef f De reden waarom we nomg niet direct constant kunnen nemen is het feit dat nef f ook afhankelijk is van nomg . Bovenstaande formule is dus exact. In principe kan men deze formule volledig uitrekenen met een mode oplosser zoals Camfr. Voor de gemakkelijkheid stellen we nu nomg = constant en nef f (λ) = nef f (λc ). Formule 3.5 wordt dan ∂θ dλ (3.6) dθ = ∂λ nef f ,nomg Verder is dλ = d(λc + ∆λ) = d(∆λ). Rekening houden met 3.2 krijgen we nomg sin(θ) − nef f dθ = dλ λc nomg cos(θ)

(3.7)

Voor een standaard SOI wafer hebben we met nomg = 1.0 (lucht) en nomg = 1.45 (IMF): nef f (nomg = 1.45) TE polarisatie TM polarisatie nef f (nomg = 1.0) TE polarisatie TM polarisatie

1550nm

1310nm

2.852 2.062

2.968 2.377

1550nm

1310nm

2.835 1.898

2.956 2.274

De nef f ’s in deze tabel zijn de nef f voor de golfgeleider en niet voor het rooster. In principe zou men deze van het rooster moeten nemen, maar later zal blijken dat als we een extra laagje silicium deponeren alvorens het rooster te definiëren, de efficiëntie stijgt en bij benadering nrooster = ngolf geleider is. Aan de hand van de getabelleerde waarden en vergelijking 3.7 hebben we Figuur 3.2 geplot.


20

Figuur 3.2: Afgeleide van de vezelhoek naar de golflengte in functie van de vezelhoek.

We kunnen uit deze grafiek bepaalde zaken inzien. Een TM koppelend rooster voor een bepaalde golflengte zal steeds een grotere bandbreedte hebben dan een TE koppelend rooster voor dezelfde golflengte. Als er zich IMF (index matching fluid) tussen glasvezel en roosterkoppelaar bevindt, zal de bandbreedte stijgen voor een rooster bij dezelfde golflengte en polarisatie. Verder zal de bandbreedte snel dalen als de hoek van de vezel zeer negatief wordt. Een negatieve hoek betekent dat het licht achterwaarts zal inkoppelen. Deze bandbreedte vermindering blijkt ook uit simulaties. Bij een vezelhoek van -50° is de bandbreedte gereduceerd tot 30nm (1-dB) en 40nm (3-dB). Opmerkelijk is dat er een hoek bestaat waarbij de bandbreedte maximaal is voor een bepaalde golflengte, polarisatie en nomg . Voor 1550nm TE is deze 22 graden. Wat nog opvalt is dat bepaalde grafieken elkaar snijden bij een bepaalde hoek. Het zal blijken (zie polarisatie invariante 1-dimensionale duplexers) dat voor deze hoek de bragg voorwaarde vervuld is voor beide golflengtes zodat beide golflengtes tegelijkertijd inkoppelen in dezelfde richting. Een ander praktisch inzicht uit vergelijking 3.7 en Figuur 3.2 is dat als we een rooster dat ontworpen is voor een bepaalde golflengte en vezelhoek, uitmeten onder een kleinere vezelhoek, de golflengte waarvoor er maximale transmissie is, zal stijgen. Omgekeerd zal deze golflengte dalen als de hoek vergroot wordt. Deze stelling is nogal verwarrend omdat we ook met negatieve hoeken werken. Daarom herformuleren we deze met behulp van |θ| tot: • voorwaartse koppeling: λ stijgt als |θ| daalt en λ daalt als |θ| stijgt


21

• achterwaartse koppeling: λ daalt als |θ| daalt en λ stijjgt als |θ| stijgt Dit betekent dat als we de vezelhoek van een duplexer verkleinen, de golflengtes waarvoor er duplexing is tegengesteld zullen opschuiven. De achterwaarts koppelende golflengte zal dalen en de voorwaartse zal stijgen totdat de vezelhoek 0° bereikt en er geen duplexing meer zal zijn.

3.2.3

Breedte van de Golfgeleider

De koppelingsefficiëntie van golfgeleider naar glasvezel kan men berekenen aan de hand van de volgende overlapintegraal: 2 Z Z ∗ E × H glasvezel .dS (3.8) η= S

met oppervlakte S het facet van de vezel. Voor TE polarisatie kunnen we deze integraal schrijven als: Z 2 Z 2 (x−x0 )2 (z−z0 )2 − − 2 2 w0 w0 η = Anormering E(x)e dx E(y, z)e dz = η1 η2 (3.9) Deze overgang is niet vanzelfsprekend, voor meer uitleg verwijzen we naar de doctoraatsthesis van Dirk Taillaert. De y-as staat loodrecht op het rooster, de x-as staat loodrecht op de golfgeleider en de z-as is evenwijdig met de golfgeleider. We zien dat (3.9) ontkoppelt. We kunnen de breedte van de golfgeleider apart optimaliseren, zonder enige kennis van het rooster zelf. Enkel de vezelhoek en golflengte moeten gedefinieerd zijn. Het is namelijk ook belangrijk dat we rekening houden met de diffractie van het licht. In plaats van de overlapintegraal aan het facet van de glasvezel te berekenen, doen we dit aan het rooster. De diffractie manifesteert zich dan in een verbrede gaussische bundel zodat s 2y 2 w0 → w(y) = w0 1 + (3.10) kw02 met y een functie van de vezelhoek θ en w0 = 5.2µm. De glasvezel heeft een veel dikkere cladding dan de dikte van de vezelkern. De glasvezel is 125µm breed terwijl de kern slechts 9µm breed is. De vezelkern kan dus niet oneindig dicht het rooster naderen aangezien de cladding in de weg zit bij niet schuin afgepolijste vezels. We kunnen schrijven dat y=

125µm tg(θ) 2

(3.11)

Verder is omdat we in een hoge indexcontrast golfgeleider bezig zijn E(x) ∝ cos(πx/b)

(3.12)


22

met b de breedte van de golfgeleider. De vergelijking die we willen maximaliseren wordt dan: Z

+b/2

−

cos(πx/b)e

(x)2 w(62.5 tg(θ))2

dx

(3.13)

−b/2

Deze is na normalisatie geplot in Figuur 3.3. Voor een vezelhoek van 10° is de optimale breedte van de golfgeleider 15.08µm. Voor een vezelhoek van 20° stijgt de optimale breedte tot 16.01µm.

Figuur 3.3: Bepaling van de optimale breedte van de golfgeleider voor een vezelhoek van 10°.

In plaats van deze optimale breedte analytisch te bereken, kunnen we ook de overlapintegraal η1 van (3.9) berekenen aan de hand van een simulatieprogramma. We hebben dit gedaan met Camfr en de breedte van golfgeleider geoptimaliseerd met behulp van het PSO algoritme. De bekomen optimale breedte is hierbij exact gelijk aan de analytisch berekende breedte. Uit de metingen in Figuur 3.4 van standaard 1550nm roosterkoppelaars met een verschillende golfgeleiderbreedte kunnen we besluiten dat de koppelingsefficiëntie stijgt bij verbreding van de golfgeleider. Bij een breedte van 15µm is de koppelingsefficiëntie -4dB of 40%.


23

Figuur 3.4: Het spectrum van een standaard roosterkoppelaar voor verschillende golfgeleiderbreedtes.

3.3

Simulatie

De tweede factor η2 in (3.9) kunnen we met een simulatieprogramma berekenen. Om de roosterkoppelaar te optimaliseren kiezen we Camfr, een simulatie programma gebaseerd op 2D eigenmode expansie methoden. Om de uiteindelijke efficiëntie nauwkeurig te berekenen in functie van de golflengte, gebruiken we een FDTD (Finite Difference in Time Domain) programma, genaamd Omnisim. Als optimalisatie algoritme gebruiken we het PSO algoritme aangezien dit ideaal is voor uniforme roosters. Normaal wordt de overlapintegraal berekend door de elektrische velden op een horizontale lijn aan het rooster te nemen en deze dan te corrigeren met een fasefactor. Dit is te zien in Figuur 3.5. Het voordeel hiervan is dat men slechts een beperkt aantal elektrische velden moet berekenen om de efficiëntie te bepalen voor alle mogelijke vezelhoeken.


24

Figuur 3.5: Traditionele berekeningswijze van de overlapintegraal in Camfr. De elektrische velden worden opgevraagd aan de rode lijn.

Bij hoog-efficiënte roosterkoppelaars blijkt deze methode echter niet meer te werken. De koppelingsefficiëntie varieert voor verschillende hoogtes van de lijn (rode lijn) waar de elektrische velden berekend worden. Ook na optimaliseren (met behulp van een PSO algoritme) van de PML, modes en dimensies van het simulatievenster, blijft de koppelingsefficiëntie een variatie vertonen van 10%. Dit is uiterst ongunstig om een roosterkoppelaar te optimaliseren. Als we de koppelingsefficiëntie plotten in functie van de hoogte van de rode lijn (de hoogte waarop de elektrische velden worden geëvalueerd), blijkt het dat deze sinuso¨ıdaal varieert. In eerste instantie kunnen we ons probleem oplossen door de gemiddelde koppelingsefficiëntie als schatting te gebruiken. Dit is echter zeer rekenintensief voor de computer en is nog altijd niet ideaal omdat we met een statistisch gemiddelde werken. In plaats van de velden op een horizontale lijn te berekenen en te corrigeren met een fasefactor, kunnen we ook rechtstreeks de velden aan de vezel evalueren, zie Figuur 3.6. Dit blijkt de oplossing te zijn voor ons probleem. De hoogte variatie in de efficiëntie bestaat nu niet meer. Nadeel hiervan is dat we voor een verschillende vezelhoek een nieuwe lijn elektrische velden moeten berekenen, wat de simulatietijd drastisch zal verhogen. Na optimaliseren van de resolutie van de overlapintegraal naar de snelheid van een simulatie blijkt de simulatietijd nog goed mee te vallen.


25

Figuur 3.6: Berekeningswijze van de overlapintegraal in Camfr. De elektrische velden worden opgevraagd aan de rode lijn.

Zoals eerder vermeld, is de afstand tussen de glasvezelkern en het rooster bepaald door de dikte van de glasvezel. Deze afstand is voor een vezelhoek van 10° ongeveer 15µm. Dit is belangrijk aangezien het licht diffracteert, wat betekent dat de lichtbundel gaat verbreden en het fasefront gebogen zal zijn. In een simulatieprogramma is dit gemakkelijk in rekening te brengen door de overlapintegraal te berekenen voor een bepaalde vezelhoek op zijn overeenkomstige hoogte, zoals te zien is in Figuur 3.7.

Figuur 3.7: Berekeningswijze van de overlapintegraal in Camfr. De elektrische velden worden opgevraagd aan de rode lijn. De diffractie is in rekening gebracht.


26

Voor de controle en het nauwkeurig berekenen van het spectrum van de roosterkoppelaar, gebruiken we het FDTD programma Omnisim. De simulatiemethode is te zien in Figuur 3.8. We exciteren de gaussische glasvezel mode onder een bepaalde hoek. Hieronder zetten we een referentie-sensor om het uitgestraalde vermogen te meten. Met een mode-sensor meten we het ingekoppelde vermogen in de golfgeleider. De koppelingsefficiëntie in functie van de golflengte is dan het ingekoppelde vermogen genormaliseerd met het uitgestraalde vermogen.

Figuur 3.8: Simulatiemethode in Omnisim voor het berekenen van het spectrum van een roosterkoppelaar.

3.4

Hoog-effici¨ ente Roosterkoppelaars

De koppelingsefficiëntie van ’standaard’ roosterkoppelaars, 70nm diep geëtst rooster in een 220nm SOI golfgeleider, is beperkt tot 35%. Dit is een groot probleem voor FTTH componenten. Des te groter het verlies in de optische chip, des te kleiner is het bereik van een centrale. Het grootste verlies van de ’standaard’ roosterkoppelaar is het naar onder uitgestraalde vermogen. We zullen nu enkele methoden bespreken om het naar onder uitgestraalde vermogen te beperken, zodat de koppelingsefficiëntie drastisch zal verhogen.


27

Figuur 3.9: Het elektrisch veldprofiel van een roosterkoppelaar.

Figuur 3.10: Overlapintegraal van een gaussisch veldprofiel met een exponentieel veldprofiel. 2α is koppelingssterkte van het rooster met als koppelingslengte Lc = (2α)−1 .

Voor uniforme roosterkoppelaars kunnen we een theoretische bovengrens voor de koppelingsefficiëntie afleiden. Als we het elektrisch veldprofiel van een roosterkoppelaar, zie Figuur 3.9, in eerste instantie benaderen door een exponentiële curve, zie Figuur 3.10, hetgeen het geval is voor een laag contrast rooster, en hiervan de overlapintegraal berekenen met het gaussisch


28

veldprofiel van de glasvezel, dan vinden we een maximale overlap van ongeveer 80%. De koppelingsefficiëntie van een laag contrast uniforme roosterkoppelaar is dus beperkt tot 80%. Aangezien het veldprofiel in het hoog indexcontrast geval niet echt exponentieel is, is het in theorie mogelijk meer dan 80% koppelingsefficiëntie te behalen met een uniform rooster.

3.4.1

Goudspiegel

De meest voor de hand liggende methode om het naar onder koppelend vermogen toch in de glasvezel te koppelen, is het aanbregen van een goudlaagje onder de roosterkoppelaar. Deze zal het verloren licht reflecteren zodat het toch ingekoppeld wordt in de glasvezel. Het blijkt echter niet vanzelfsprekend om dit goudlaagje aan te brengen. Verschillende strategieën zijn ontwikkeld om het goudlaagje te verwezenlijken. De afstand tussen het goudlaagje en het rooster is cruciaal. Het deel van het licht dat gereflecteerd wordt door de goudspiegel zal interfereren met het naar boven gekoppelde licht door de roosterkoppelaar. Voor een bepaalde hoek van de vezel moeten we dus de afstand zo kiezen zodat er constructieve interferentie is tussen de twee bundels. Anderzijds bestaat er voor een bepaalde afstand van de goudspiegel steeds een vezelhoek waarvoor er constructieve interferentie optreedt. Voor het aanbrengen van de goudspiegel stellen we voor om eerst het silicium substraat aan de onderkant weg te etsen en dan een goudlaagje te deponeren. Het goudlaagje bevindt zich dan 2µm (de dikte van de SiO2 laag) onder de roosterkoppelaar. Na optimaliseren van deze structuur vinden we een koppelingsefficiëntie van 80%. Het geoptimaliseerd rooster heeft een vulfactor 0.366, periode 0.50µm, etsdiepte 61nm en 31 periodes. De vezelhoek is hierbij -24.8°. Hierbij is geen rekening gehouden met de diffractie van het licht. Deze efficiëntie is zeer hoog, maar het is niet gemakkelijk om zulk rooster te fabriceren. Eerst moeten we het substraat wegetsen, wat geen simpele taak is. Vervolgens moeten we het goudlaagje deponeren. Goud is echter een zogenaamde CMOS-killer, wat betekent dat een goudlaagje niet CMOS compatibel is.3 Voor een enkel prototype is deze methode nog aanvaardbaar, maar ze is echter minder geschikt voor massaproductie. Er bestaan alternatieve productie technieken om toch massaproductie mogelijk te maken. Bijvoorbeeld eerst een laagje BCB bovenop de roosterkoppelaar leggen en dan het goudlaagje deponeren. Inkoppeling gebeurt dan langs onder door het substraat weg te etsen. Deze techniek is wel geschikt voor massaproductie maar vergt een groot aantal productiestappen. Nog een mogelijkheid is niet beginnen met een voorgefabriceerde SOI wafer maar met een Si substraat wafer. Hierop legt men het goudlaagje waarna men de 2µm dikke Si02 laag en 0.22µm Si kernlaag toevoegt. 3

Er bestaan andere metalen die wel CMOS compatibel zijn en een optie zijn om als spiegel te gebruiken.


3.4.2

29

Luchtspiegel

De TIR hoek van het Si02 /lucht scheidingsoppervlak is θT IR = sin−1 nnlucht = 43.6°. Als we Si02 nu de vezelhoek vergroten tot bijvoorbeeld 50°, dan zal al het naar onder gediffracteerde licht reflecteren aan dit scheidingsoppervlak. Het is dan niet meer nodig om een goudlaagje te deponeren om totale reflectie te verwezenlijken. Deze opstelling is te zien in Figuur 3.11.

Figuur 3.11: Hoog-efficiënte roosterkoppelaar waarbij men gebruik maakt van de TIR aan de SiO2 /lucht scheidingsoppervlak.

Het verhogen van de efficiëntie van een roosterkoppelaar vergt dan maar 1 stap, namelijk het wegetsen van het Si substraat onder de roosterkoppelaar. De 50° vezelhoek zorgt echter voor problemen. Door de dikke cladding van de glasvezel, zal de vezelkern zich veel te ver van het rooster bevinden. In dit geval zijn we dus verplicht om met afgeschuinde vezels te werken. De gesimuleerde efficiëntie van deze luchtspiegel roosterkoppelaar is 78% zoals te zien is in Figuur 3.12. Het geoptimaliseerd rooster heeft vulfactor 0.46, periode 0.407µm, etsdiepte 70nm en 40 periodes bij een vezelhoek van -50°.


30

Figuur 3.12: Spectrum van een hoog-efficiënte roosterkoppelaar waarbij men gebruik maakt van de TIR aan het SiO2 /lucht scheidingsoppervlak.

3.4.3

Silicium Laagje

Een meer elegante methode om de koppelingsefficiëntie te verhogen is het deponeren van een extra silicium laagje alvorens het rooster te definiëren, zie Figuur 3.13. Het is dergelijke roosterkoppelaar die we nu zullen bestuderen.

Figuur 3.13: Roosterkoppelaar in SOI met een extra gedeponeerd silicium laagje.

Na optimalisatie bekomen we een koppelingsefficiëntie van ongeveer 80%. In Figuur 3.14 en 3.15 is het spectrum getoond voor optimale roosterkoppelaars met een extra laagje silicium en met 1550nm als centrale golflengte. Het rooster dat overeenkomt met Figuur 3.14 heeft


31

een periode 0.637µm, vulfactor 0.375, extra laagje silicium 0.14µm, etsdiepte 0.219µm en 20 periodes. De vezelhoek is hierbij 10° en het medium van de omgeving is lucht. Het rooster dat overeenkomt met Figuur 3.15 heeft een periode 0.703µm, vulfactor 0.27, extra laagje silicium 0.182µm, etsdiepte 0.269µm en 26 periodes. De vezelhoek is hierbij 15° en het medium van de omgeving is IMF. Het blijkt dat deze hoge efficiëntie voor alle mogelijke golflengtes en zowel voor voorwaarts als achterwaarts koppelende roosters kan bereikt worden. In Figuur 3.16 is het elektrisch veld getoond voor een optimaal voorwaarts koppelend rooster.

Figuur 3.14: Hoog-efficiënte roosterkoppelaar d.m.v. een extra gedeponeerd silicium laagje. (nomg = 1.0)


32

Figuur 3.15: Hoog-efficiënte roosterkoppelaar d.m.v. een extra gedeponeerd silicium laagje. (nomg = 1.45)

Figuur 3.16: Elektrisch veld van een hoog-efficiënte roosterkoppelaar door excitatie van de golfgeleider mode.

In Figuur 3.18 hebben we de dikte van het extra laagje geplot in functie van de brekingsindex van het extra silicium en dit telkens na optimalisatie van het rooster voor golflengte 1550nm. De bijhorende etsdiepte van deze optimale roosters is te zien in Figuur 3.19. Als we nu de


33

optische weglengte L van een tand berekenen, zie Figuur 3.17, L = nSi (e − d) + ndepo d

(3.14)

met ndepo de brekingsindex van het gedeponeerd Silicium, dan blijkt dat L steeds gelijk is aan 750nm of de halve golflengte waarvoor het rooster is geoptimaliseerd. Dit betekent dat we te maken hebben met een interferentieverschijnsel. Het extra laagje silicium zorgt er namelijk voor dat bijna al het licht naar boven wordt gediffracteerd.

Figuur 3.17: Doorsnede van een rooster met gedeponeerd Silicium.

Figuur 3.18: Dikte van het gedeponeerd silicium in functie van zijn brekingsindex voor optimale roosterkoppelaars.


34

Figuur 3.19: Etsdiepte in functie van de brekingsindex van het gedeponeerd Silicium voor optimale roosterkoppelaars.

Bij de standaard roosterkoppelaars is er steeds een discontinu¨ıteit in de brekingsindex bij de overgang van golfgeleider naar rooster. Dit zorgt voor ongewenste diffractie. Bij een roosterkoppelaar met extra laagje silicium is de effectieve brekingsindex van het rooster en deze van de golfgeleider echter gelijk. Naast het gunstige interferentie-effect zorgt het extra laagje silicium er dus ook voor dat de ongewenste diffractie aan het begin van het rooster wordt geminimaliseerd.4 In Figuren 3.20, 3.21, 3.22 zijn de optimale waarden voor de etsdiepte, vulfactor en periode in functie van de dikte van het extra laagje silicium uitgezet. Deze optimale waarden behoren bij elkaar en de vezelhoek is vast gezet op 12°. De efficiëntie van al deze optimale roosters is ongeveer 80%. 4

Aangezien de effectieve brekingsindex van golfgeleider en rooster in dit geval ongeveer gelijk zijn, klopt de Bragg-voorwaarde beter dan bij een standaard roosterkoppelaar als we nef f benaderen door deze van de golfgeleider.


35

Figuur 3.20: Optimale etsdiepte in functie van de dikte van het extra laagje silicium bij een vezelhoek van 12°.

Figuur 3.21: Optimale vulfactor f f in functie van de dikte van het extra laagje silicium bij een vezelhoek van 12°.


36

Figuur 3.22: Optimale periode in functie van de dikte van het extra laagje silicium bij een vezelhoek van 12°.

We merken op dat de etsdiepte stijgt naarmate de dikte van het laagje silicium stijgt. De reden hiervoor is dat ongeveer alle licht dient uitgekoppeld te zijn na 10µm. De vulfactor blijft ongeveer gelijk. De periode daalt in functie van de dikte van het laagje silicium. Dit komt waarschijnlijk omdat de nef f van het rooster stijgt naarmate de dikte van het laagje silicium stijgt. Uit dΛ dnef f,rooster

=−

λ < 0 (nef f,rooster − nomg sin(θ))2

(3.15)

zien we dat de periode Λ dan moet dalen. Robuustheid Uit de Bragg voorwaarde (3.2) vinden we bij een constante vezelhoek, nomg en periode Λ van het rooster dat dλ =Λ > 0 (3.16) dnef f,rooster Verder weten we dat als de dikte van het laagje silicium stijgt, ook de nef f,rooster zal stijgen. Met (3.16) kunnen we besluiten dat de centrale golflengte van het koppelingsspectrum zal stijgen als de dikte van het gedeponeerd silicium stijgt. Een samenvatting is weergegeven in Figuur 3.23.


37

Figuur 3.23: Kwalitatieve schets van de spectrumshift bij variatie in de dikte van het gedeponeerd silicium (extra).

Een analoge redenering kunnen we toepassen op de vulfactor5 als we weten dat nef f,rooster stijgt als de vulfactor stijgt. In Figuur 3.24 en Figuur 3.25 is de verschuiving van het spectrum en de daling in de koppelingsefficiëntie weergegeven voor een verandering in de etsdiepte en in de vulfactor. Het optimale rooster had hierbij een extra laagje silicium van 0.15µm, een vulfactor 0.36, periode 0.645µm, etsdiepte 0.227µm onder een vezelhoek van 12°. 5

De vulfactor definiëren we als het percentage niet geëtst silicium.


38

Figuur 3.24: Tolerantie analyse voor de etsdiepte van het rooster.

Figuur 3.25: Tolerantie analyse voor de vulfactor van het rooster.

De etsdiepte en de dikte van het gedeponeerd silicium zijn dus cruciaal voor een goede werking van de roosterkoppelaar. De vulfactor heeft een grotere tolerantie. De daling van de koppelingsefficiëntie is beperkt. Het verschuiven van het spectrum zorgt er echter voor dat de efficiëntie voor de gewenste golflengte sterk zal dalen.


39

Masker Alignatie Het deponeren van het silicium en het etsen van het rooster gebeurt met verschillende maskers. Typisch is de nauwkeurigheid van de maskeralignatie 50nm. We vragen ons nu af hoe deze alignatie een invloed heeft op de koppelingsefficiëntie. In Figuur 3.26 is de koppelingseffic¨ıëntie berekend in functie van de breedte van de 1ste tand. Als deze te smal wordt, zal dit geen invloed hebben op de efficiëntie. Als deze te breed wordt, zal de efficiëntie sterk dalen.

Figuur 3.26: Invloed van de breedte van de 1ste tand op de koppelingsefficiëntie.

Door ervoor te zorgen dat de lengte van het gedeponeerd silicium iets kleiner is dan de optimale lengte, vermijden we dat 1ste tand te breed kan worden door een slechte alignatie van de maskers. Goudspiegel in combinatie met een Silicium Laagje Als we zowel een goudspiegel als een extra silicium laagje gebruiken om de efficiëntie van de roosterkoppelaar te vergroten, bekomen we na optimalisatie een efficiëntie van 90%. Bij een roosterkoppelaar met extra silicium laagje wordt nog steeds ongeveer 10% van het licht naar onder gediffracteerd. Met behulp van een goudspiegel kunnen we ook dit licht in de glasvezel koppelen. Tot nu toe lukt dit enkel voor een afgeschuinde vezelhoek van 30°. Dit is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat het door de goudspiegel gereflecteerde licht op een andere plaats zal inkoppelen in het rooster. Door de hoek te variëren kan men dus het veldprofiel aan het rooster be¨ınvloeden. Het aantal processtappen om deze 90% efficiëntie te bereiken is te veel om dit als realistische roosterkoppelaar te laten doorgaan. Het geoptimaliseerd rooster heeft een periode 0.48µm,


40

vulfactor 0.46, extra laagje silicium 0.10µm, etsdiepte 0.14µm en 30 periodes. De vezelhoek is hierbij -30° en het medium van de omgeving is lucht.

3.5

Fabricage

Er bestaan verschillende manieren om het extra laagje silicium te fabriceren. De meest voor de hand liggende is een voorgefabriceerde SOI wafer nemen en hierop silicium groeien. In Figuur 3.27 is het resultaat van een dergelijk proces te zien.6

Figuur 3.27: Gedeponeerd Silicium

Een tweede manier is om een dikke laag silicium te deponeren. Dit is dan wel amorf silicium en de brekingsindex is niet noodzakelijk gelijk aan deze van het gegroeid silicium van de golfgeleider. Daarna polijst men deze laag tot de gewenste dikte bereikt is, zie Figuur 3.28. 6

De bovenste laag is een Pt laag. Deze is nodig om met een ionenstraal de dwarsdoorsnede te maken zonder de structuur te beschadigen.


41

Figuur 3.28: CMOS-compatibel fabricage proces van een roosterkoppelaar met extra laagje gedeponeerd silicium.

3.5.1

FIB poging

Met behulp van de FIB hebben we geprobeerd het optimaal koppelingsrooster met een efficiëntie van 80% te maken. We starten met een rooster waarop 150nm silicium is gegroeid, zie Figuur 3.27. Hierop deponeren we een Al2 O3 laagje. De dikte hiervan was 70nm. Hierbovenop deponeren we een metaal laag (Ti). Met de ionenstraal van de FIB definiëren we nu het rooster in de metaallaag. Vervolgens nat-etsen we het Al2 O3 laagje, waarna we droogetsen om het rooster in het Si te definiëren. Het resultaat is te zien in Figuur 3.29


42

Figuur 3.29: FIB proces om een roosterkoppelaar te fabriceren.

De gemeten koppelingsefficiëntie was echter minder dan een ’standaard’ roosterkoppelaar. Dit is te wijten aan verschillende oorzaken. Eerst en vooral was het rooster te diep geëtst. Een tweede oorzaak is dat de wanden van het roostertanden niet recht zijn, zoals te zien is in Figuur 3.30. Dit zorgt voor ongunstige diffractie. De reden hiervoor is dat de optimale Al2 O3 laag 40nm is. Als deze te dik wordt, zal er te veel ondergeëtst worden bij de natte ets. (zie Figuur 3.31) De Al2 O3 die het rooster definieert is dus zeer dun en de minste variatie in de dikte zal aanleiding geven tot een grote variatie in de breedte van het geëtst silicium gedeelte.

Figuur 3.30: Bovenaanzicht van het gefabriceerde rooster.


43

Figuur 3.31: Natte ets probleem bij een te dikke Al2 O3 laag.

3.5.2

Metingen van SOI-chips gefabriceerd bij LETI

Bij LETI is men in staat om een extra laagje silicium op de silicium golfgeleider te groeien. Het gefabriceerde rooster is te zien in Figuur 3.32(a). Als we aannemen dat de vulfactor 50%, de periode 0.61µm, de etsdiepte 220nm en de dikte van het extra laagje gegroeid silicium 150nm is, dan voorspellen FDTD simulaties, rekening houdend met de breedte van de golfgeleider (10µm), dat de koppelingsefficiëntie 66% is voor golflengte 1.55µm en dit bij een vezelhoek van 10°. Uit de FIB doorsnede van het gefabriceerde rooster in Figuur 3.32(b) kunnen we besluiten dat het gegroeide extra silicium laagje 180nm is en de etsdiepte 250nm. Houden we rekening met deze parameters, dan is de gesimuleerde efficiëntie 59% voor TE gepolariseerd licht. De eerste tand van het rooster is door een misalignatie te klein. Dit zal echter geen invloed hebben op de koppelingsefficiëntie. Door de glasvezel naar glasvezel transmissie efficiëntie te meten van twee identieke roosterkoppelaars verbonden door een 6mm lange golfgeleider, kunnen we het rooster karakteriseren. Index matching fluid (IMF) was aangebracht tussen glasvezel en rooster om reflecties aan het glasvezel facet te verminderen. Het licht was lineair gepolariseerd met het elektrisch veld parallel aan de roosterlijnen. Als we aannemen dat de koppelingsspectra van beide roosterkoppelaars identiek zijn en als we het verlies in de 6mm lange golfgeleider verwaarlozen, vinden we een ondergrens voor de koppelingsefficiëntie van het rooster. Het koppelingsspectrum is te zien in Figuur 3.33. De koppelingsefficiëntie is 55% bij golflengte 1525nm en komt overeen met de gesimuleerde efficiëntie. De 1dB-bandbreedte is 50nm en de 3dB-bandbreedte is 100nm.


44

Figuur 3.32: (a) SEM foto van het gefabriceerde rooster op een 10µm brede SOI golfgeleider (b) FIB doorsnede van het gefabriceerde rooster

Figuur 3.33: Experimentele koppelingsspectrum van de gefabriceerde roosterkoppelaars. De koppelingsefficiëntie is 55% bij 1525nm en 1dB-bandbreedte is 50nm.

Deze meetresultaten zijn gepresenteerd in bijgevoegd artikel, zie Bijlage A.

3.5.3

Metingen van SOI-chips gefabriceerd bij IMEC

Bij IMEC deponeert men amorf silicium, zie productieproces in Figuur 3.28. De gemeten roosterkoppelaars (en duplexers) hadden echter een gelijkaardige efficiëntie als de ’standaard’ roosterkoppelaars. Dit komt omdat het extra laagje silicium slechts 80nm was, zie Figuur 3.34.


45

Figuur 3.34: Roosterkoppelaars gefabriceerd in IMEC

3.5.4

Laagje Silicium onder de Rooster Koppelaar

Een laagje silicium onder de rooster koppelaar blijkt gemakkelijker te fabriceren dan een laagje erboven. Men gaat hierbij als volgt te werk: • stap 1: Si-substraat/SiO2 wafer • stap 2: etsen in de SiO2 laag • stap 3: silcium deponeren • stap 4: het silicium polijsten tot een dikte van 220nm • stap 5: etsen van het rooster De dwarsdoorsnede van de bekomen structuur, is te zien in Figuur 3.35.

Figuur 3.35: Roosterkoppelaar met een laagje silicium onder de rooster koppelaar.

Na optimalisatie geeft deze roosterkoppelaar een efficiëntie van bijna 70%. Het geoptimaliseerd rooster heeft een periode 0.538µm, vulfactor 0.513, extra laagje silicium 0.113µm,


46

etsdiepte 0.218µm en 24 periodes. De vezelhoek is hierbij -15.8° en het medium van de omgeving is lucht. We zouden hier ook alvorens het amorf silicium te deponeren, een CMOS compatibel metaallaagje kunnen deponeren, om het naar onder gediffracteerde licht te reflecteren. Dit is wel echter niet verder onderzocht.

Hoofdstuk 4

Duplexers Referenties: Roelkens et al. (2007) De centrale component voor een SOI ge¨ıntegreerde FTTH transceiver is de rooster duplexer. Hiermee kunnen we alle communicatie golflengtes inkoppelen en tegelijkertijd de downstream en upstream golflengtes scheiden. In dit hoofdstuk zullen we de 1-dimensionale rooster duplexer bestuderen.

4.1

Theorie

De duplexer is een rooster koppelaar waarvoor de Bragg voorwaarde 3.2 voldaan is voor λ1 bij een vezelhoek θ en voor een andere golflengte λ2 bij een vezelhoek −θ. Dit betekent dat deze twee golflengtes in tegengestelde richting zullen inkoppelen1 , zoals te zien is in Figuur 1.7. We moeten hiervoor het volgende stelsel oplossen: 2π nef f (λ1 , f f ) = λ1 2π nef f (λ2 , f f ) = λ2

2π 2π nomg sin(θ) + λ1 Λ 2π 2π nomg sin(−θ) + λ2 Λ

(4.1) (4.2)

Als θ positief is, betekent dit dat λ1 voorwaarts inkoppelt en λ2 achterwaarts. Is θ negatief, dan zal λ1 achterwaarts inkoppelen en λ2 voorwaarts. Met nef f bedoelen we de effectieve brekingsindex van het rooster en deze is een functie van de golflengte en van de vulfactor f f van het rooster.2 Oplossen van het stelsel naar de vezelhoek θ geeft ons sin(θ) = 1 2

nef f (λ1 ,f f ) λ1

+

nef f (λ2 ,f f ) λ2

nomg (λ1 + λ2 )

of uitkoppelen wegens reciprociteit We veronderstellen hier een ’standaard’ roosterkoppelaar. De etsdiepte ligt dus vast op 70nm.

47

(4.3)

Hoofdstuk 4. Duplexers

48

Met de gevonden vezelhoek kunnen we dan de overeenkomstige periode Λ van het rooster bepalen. Als we nef f onafhankelijk stellen van de vulfactor f f , zal er slechts 1 oplossing bestaan waarvoor de Bragg voorwaardes voldaan zijn. Doordat de nef f wel afhankelijk is van de vulfactor, kunnen er misschien meerdere oplossingen mogelijk zijn. Door het deponeren van een extra laagje silicium alvorens het rooster te definiëren, kunnen we de efficiëntie van de duplexer verhogen. nef f wordt nu ook afhankelijk van de dikte (extra) van het gedeponeerde silicium en van de etsdiepte (ets) van het rooster. nef f (λ, f f ) → nef f (λ, f f, extra, ets)

(4.4)

Door het groot aantal vrijheidgraden wordt het ontwerpen van een rooster duplexer zeer flexibel. Er bestaan namelijk verschillende roosters met dezelfde koppelings efficiëntie. We zouden nef f kunnen berekenen in functie van zijn variabelen. Dit is echter te complex en we laten het rekenwerk over aan de computer door de rooster duplexer te simuleren. Voor het optimaliseren van een duplexer gebruiken we het PSO algoritme. Optimalisatie gebeurt met Camfr en het berekenen van het spectrum doen we door FDTD simulaties met Omnisim. Wegens de overlapintegraal (3.9) is het belangrijk dat het aantal periodes niet te groot wordt genomen. Het veldprofiel aan het rooster zal voor de verschillende golflengtes bij benadering een exponentiële zijn maar dan met tegengestelde afgeleide. (zie Figuur 4.1) Een te lang rooster zorgt ervoor dat het gaussisch veldprofiel van de glasvezel niet meer goed overlapt met deze exponentiële veldprofielen voor een zelfde positie van de glasvezel. Er bestaat een optimale lengte van het rooster waarvoor beide veldprofielen een goede overlap vertonen. Deze lengte is verschillend naargelang de parameters van het rooster.

Figuur 4.1: Veldprofielen aan het rooster van een duplexer.


49

De parameters die we voor een rooster duplexer moeten optimaliseren zijn: • periode (Λ) • vulfactor (f f ) • dikte van het laagje silicium (extra) • etsdiepte (ets) • vezelhoek (θ) • aantal periodes (n.o.p.) Het discreet zijn van het aantal periodes is echter een probleem voor een optimalisatie algoritme. De oplossingsruimte is dan niet meer continu. We kunnen van het aantal periodes een reële parameter maken en bij de simulatie van de roosterduplexer het grootste natuurlijk getal nemen dat kleiner is dan deze parameter. Dit is niet ideaal maar blijkt min of meer te werken.

4.2

Duplexer: 1310/1550 nm

We willen een duplexer ontwerpen die 1310nm en 1550nm splitst bij inkoppeling. Dit kan op verschillende manieren. Om een goed overzicht te krijgen tabelleren we alle mogelijke periodes voor het rooster berekend met behulp van de Bragg voorwaarde. In Tabel 4.1 en 4.2 is dit gedaan voor nef f de effectieve brekingsindex van een rooster met vulfactor 50%, etsdiepte 70nm en een vezelhoek van respectievelijk 10° (i.e. voorwaartse koppeling) en −10° (i.e. achterwaartse koppeling). θ = 10°

TE

TM

1310nm 1520nm

0.49 0.60

0.76 1.03

Tabel 4.1: Periodes (uit Bragg voorwaarde) bij een vezelhoek θ. (nef f = nef f,rooster )

θ = −10°

TE

TM

1310nm 1520nm

0.44 0.53

0.64 0.84

Tabel 4.2: Periodes (uit Bragg voorwaarde) bij een vezelhoek θ. (nef f = nef f,rooster )

Als we er rekening mee houden dat bij vergroten van de vezelhoek, de periode voor achterwaartse koppeling zal verkleinen en deze voor voorwaartse koppeling zal vergroten, kunnen


50

we de mogelijke duplexers samenstellen door vergelijking van de periodes voor inkoppeling bij een vezelhoek van 10° en −10°. Dit is gedaan in Tabel 4.3. duplexers

voorwaarts

achterwaarts

TE duplexer TE/TM duplexer TM duplexer

1310nm TE 1520nm TE 1310nm TM

1520nm TE 1310nm TM 1520nm TM

Tabel 4.3: Mogelijke duplexers aan de hand van de Bragg voorwaarde. (nef f = nef f,rooster )

Om te weten welke inkoppelingsschema’s mogelijk zijn bij rooster koppelaars met een extra laagje silicium, herhalen we voorgaande analyse (zie Tabel 4.4,4.5 en 4.6) maar dan met nef f de effectieve brekingsindex van de golfgeleider, aangezien die voor een optimaal rooster ongeveer gelijk is aan de effectieve brekingsindex van de toegangsgolfgeleider. θ = 10°

TE

TM

1310nm 1550nm

0.47 0.58

0.62 0.90

Tabel 4.4: Periodes (uit Bragg voorwaarde) bij een vezelhoek θ. (nef f = nef f,wg )

θ = −10°

TE

TM

1310nm 1550nm

0.42 0.52

0.54 0.75

Tabel 4.5: Periodes (uit Bragg voorwaarde) bij een vezelhoek θ. (nef f = nef f,wg )

duplexers

voorwaarts

achterwaarts

TE duplexer TE/TM duplexer TM duplexer

1310nm TE 1550nm TE 1310nm TM

1550nm TE 1310nm TM 1550nm TM

Tabel 4.6: Mogelijke duplexers aan de hand van de Bragg voorwaarde. (nef f = nef f,wg )

Naast de duplexers vinden we ook nog dat het mogelijk is om een 1310nm polarisatie splittend rooster te ontwerpen en een roosterkoppelaar die tegelijkertijd 1310nm TM en 1550nm TE achterwaarts koppelt. Deze zijn weergegeven in onderstaande tabel.


1310nm splitter 2 golflengtes

51 voorwaarts

achterwaarts

1310nm TE

1310nm TM 1310nm TM 1550nm TE

Tabel 4.7: Inkoppelingsmogelijkheden aan de hand van de Bragg voorwaarde. (nef f = nef f,wg )

Vanaf nu concentreren we ons op de TE duplexer die 1310nm TE voorwaarts koppelt en 1550nm TE achterwaarts. Daarna bestuderen we het 1310nm polarisatie splittend rooster, de roosterkoppelaar die zowel 1310nm TM als 1550nm TE achterwaarts koppelt en de combinatie van deze twee.

4.2.1

TE Duplexer

Na optimalisatie van een ’standaard’ rooster, i.e. geen extra laagje silicium en etsdiepte 70nm, bekomen we het spectrum in Figuur 4.2 waarbij we lucht als omgevingsmedium hebben gekozen. Het rooster dat hiermee overeenkomt heeft een periode 0.528µm, vulfactor 0.364, etsdiepte 70nm en 14 periodes. De vezelhoek is hierbij 15.8°. Met IMF als omgevingsmedium bekomen we het spectrum in Figuur 4.3 voor een rooster met periode 524nm, vulfactor 40.9%, 16 periodes en een vezelhoek van 11.2°. De belangrijkste reden voor het verschil in efficiëntie is dat bij een duplexer met lucht als omgevingsmedium, de optimale vezelhoek 5° graden groter is t.o.v. de vezelhoek 11.2° in het geval van IMF. Hierdoor staat de vezelkern veel verder van het rooster. De etsdiepte hebben we vast genomen op 70nm, terwijl dit de belangrijkste parameter is, naast de vulfactor van het rooster, die diffractie (verbreding van de lichtbundel) kan compenseren.


52

Figuur 4.2: Optimalisatie van een ’Standaard’ TE duplexer met nomg = 1.0.

Figuur 4.3: Optimalisatie van een ’Standaard’ TE duplexer met nomg = 1.45.

Om de efficiëntie te verhogen kunnen we een rooster gebruiken met een extra laagje silicium. Hierdoor zal de efficiëntie stijgen tot 65% voor beide centrale golflengtes, zie Figuur 4.4. De overspraak van 1310nm is 20%. Het optimale rooster heeft een periode 0.515µm, vulfactor


53

0.393, extra laagje silicium 0.141µm, etsdiepte 0.193µm en 18 periodes. De vezelhoek is hierbij 17.6° en het medium van de omgeving is lucht.

Figuur 4.4: Optimalisatie van een TE duplexer met extra laagje silicium.

4.2.2

Metingen

Een rooster duplexer met 20 periodes van 520nm, vulfactor 39% en etsdiepte 70nm werd gefabriceerd in IMEC. Deze rooster duplexer koppelt 1310nm TE voorwaarts en 1520nm TE achterwaarts zodat beide golflengtes gesplitst worden, zie Figuur 4.5. Na uitmeten onder een vezelhoek van 10° met IMF tussen de glasvezel en de rooster duplexer, bekomen we de koppelingsspectra in Figuur 4.6. Eerst hebben we de positie van de glasvezel geoptimaliseerd voor maximale inkoppeling bij 1520nm. Daarna hebben we de koppelingsefficiëntie voor 1310nm uitgemeten en dit zonder de positie van de glasvezel te wijzigen, wat noodzakelijk is voor een goede duplexer werking. De breedte van de toegangsgolfgeleider is 13µm. De koppelingsefficiëntie is voor 1310nm -6dB en voor 1520nm -4dB. Voor de communicatie golflengtes 1490nm en 1550nm hebben we respectievelijk een koppelingsefficiëntie van -7dB en -8dB. Deze metingen zijn ook gepresenteerd in bijgevoegd artikel, zie Bijlage B.


54

Figuur 4.5: Microscoop foto van een roosterduplexer in combinatie met een Planar Concave Grating (PCG) demultiplexer.

Figuur 4.6: Koppelingsspectra voor de roosterduplexer. (voor dezelfde positie van de glasvezel)


4.3

55

Polarisatie Splitter voor 1310 nm

Uit voorgaande analyse blijkt dat het ook mogelijk is om met een 1-dimensionaal rooster, beide polarisaties van 1310nm in te koppelen en te splitsen. Hierbij zal 1310nm TE voorwaarts inkoppelen en 1310nm TM achterwaarts. In Figuur 4.7 is het spectrum na optimalisatie van dit rooster met extra laagje silicium weergegeven. Het optimale rooster heeft een periode 0.52µm, vulfactor 0.37, extra laagje silicium 0.139µm, etsdiepte 0.203µm en 16 periodes. De vezelhoek is hierbij 12.6° en het medium van de omgeving is IMF. De ’Polarisation Diversity Loss’ (PDL) is 10% bij 1310nm. De efficiëntie waarmee de verschillende polarisaties inkoppelen kan gemakkelijk gelijk gemaakt worden door met de lengte van het rooster te spelen, zodat deze PDL gemakkelijk kan verbeterd worden. De golflengte verschuiving van de centrale golflengte voor de verschillende polarisaties blijkt echter een moeilijker probleem. Om de PDL tot nul te reduceren, zou men na inkoppelen beide polarisaties kunnen roteren zodat na uitkoppelen door een ander rooster met identieke parameters, de PDL nul is. Beide polarisaties hebben dan immers een identieke weg afgelegd. Deze polarisatie rotatie zou evenwel extra verliezen kunnen introduceren.

Figuur 4.7: Optimalisatie van een Polarisatie Splitsende roosterkoppelaar voor 1310nm met nomg = 1.45.


4.4

56

Combinatie van de 1310/1550nm TE Duplexer en Polarisatie Splitter

Na optimalisatie van een rooster met extra laagje silicium, waarbij 1310nm TE voorwaarts koppelt en 1310nm TM en 1550nm TE achterwaarts, bekomen het spectrum te zien in Figuur 4.8. In Figuur 4.9 is de inkoppelingsrichting van de verschillende golflengtes en polarisaties schematisch voorgesteld. Het optimaal rooster heeft een periode 0.507µm, vulfactor 0.34, extra laagje silicium 0.141µm, etsdiepte 0.19µm en 16 periodes. De vezelhoek is hierbij 11.6° en het medium van de omgeving is IMF. Door het groot aanbod aan te optimaliseren parameters, schijnt het dus mogelijk te zijn om een 1-dimensionale duplexer te ontwerpen die bijna dezelfde functionaliteit biedt als een 2dimensionale duplexer en dit met een hoge efficiëntie. In Figuur 4.10 is een tolerantie analyse geplot voor de dikte van het extra laagje silicium en voor de etsdiepte. Eerst en vooral merken we op dat beide spectra 1310nm TE en 1310nm TM in dezelfde richting verschuiven door een afwijking in de etsdiepte en dikte van het extra laagje silicium. Het spectrum voor 1310nm TM heeft een grotere golflengte verschuiving dan het spectrum voor 1310nm TE en is dus gevoeliger voor afwijkingen in de fabricatie. De efficiëntie van de ingekoppelde golflengtes zal dalen en de PDL voor 1310nm zal stijgen of dalen naargelang de spectra uit elkaar of naar elkaar schuiven. Voor een rooster dat 20% te diep geëtst is, is PDL zeer klein voor alle golflengtes. Dit laat ons geloven dat er een optimaal rooster mogelijk is met een betere PDL voor 1310nm en hoge koppelingsefficiëntie. De fitness functie die we gebruikten om deze roosters te optimaliseren is: f itness = η(1550) ∗ η(1310T E) ∗ η(1310T M ) ∗ (1 − |η(1310T E) − η(1310T M )|)2

(4.5)

Deze fitness zorgt er dus voor dat de efficiënties van 1310nm TE, 1310nm TM en 1550nm TE gemaximaliseerd worden en de PDL voor 1310nm geminimaliseerd wordt. Het probleem is echter dat de koppelingsefficiënties berekend in Camfr niet steeds overeenkomen met deze berekend in een FDTD programma. Aangezien dit simulatieverschil ook sterk afhankelijk is van de polarisatie, is het nog niet gelukt om een optimaal rooster te vinden waarbij de PDL zeer klein is voor 1310nm.


57

Figuur 4.8: Optimalisatie van een Polarisatie Splitsende roosterkoppelaar in combinatie met een 1310/1550nm TE duplexer met nomg = 1.45.

Figuur 4.9: 1-dimensionale polarisatie invariante rooster duplexer voor 1490/1550 nm (rode en blauwe pijlen) en 1310 nm (groene pijlen).


58

Figuur 4.10: Tolerantie Analyse voor een Polarisatie Splitsende roosterkoppelaar in combinatie met een 1310/1550nm TE duplexer met nomg = 1.45. ’Extra’ is de dikte van de extra laag silicium van het rooster.

Hoofdstuk 5

2-Dimensionale Roosters Referenties: Taillaert et al. (2003), Bogaerts et al. (2007), Van Laere et al. (2008)

5.1

Theorie

De meest aangewezen methode om polarisatie invariant in te koppelen is de rooster koppelaar 2-dimensionaal maken. Naargelang de invallende polarisatie zal het licht verspreid inkoppelen in de twee golfgeleiders. In de SOI chip zal al het ingekoppelde licht TE polarisatie hebben, zie Figuur 5.1. We beschouwen voor de gemakkelijkheid een 2-dimensionaal rooster met gelijke zijden, gelijke periodes en loodrechte hoeken. Uit symmetrieoverwegingen moet de glasvezel dan getilt zijn volgens de symmetrie-as van de structuur.

Figuur 5.1: (a) 1-dimensionale roosterkoppelaar (b) 2-dimensionale roosterkoppelaar

De Bragg voorwaarde wordt nu kwg = kin,proj + K

59

(5.1)

Hoofdstuk 5. 2-Dimensionale Roosters

60

met kwg de golfvector van de optische golfgeleider mode, kin,proj de geprojecteerde golfvector van de invallende vezelmode en K de reciproque roostervector, zie Figuur 5.2.

Figuur 5.2: Bovenaanzicht (links) 2-dimensionaal rooster met bijna verticale koppeling en geroteerde golfgeleiders (rechts) K-vector diagram

Vergelijking (5.1) kunnen we herscrijven tot 2π nef f sin ψ = λ 2π nef f cos ψ = λ

2π π nomg sin φ cos λ 4 2π π 2π nomg sin φ cos + λ 4 Λ

(5.2) (5.3)

met nef f de effectieve brekingsindex van het rooster. Aangezien we hier met een 2D rooster te maken hebben, is het niet zo triviaal om deze nef f,2Drooster te berekenen. De vulfactor ff van het geëtst silicium kunnen we als volgt berekenen: f f2D =

πr2 Λ2

(5.4)

met r de straal van de geëtste gaatjes en Λ de periode van het rooster. In eerste instantie kunnen we proberen om met deze vulfactor een 1-dimensionaal rooster te maken en hiervan de nef f,1D te berekenen. Dit blijkt echter een slechte benadering voor de nef f,2D . Een betere benadering is: r πr2 f f1D = (5.5) Λ2 en dus kunnen we nef f,2D als volgt berekenen p nef f,2D (f f2D ) = nef f,1D (f f1D ) = nef f,1D ( f f2D ) (5.6) Voor een 2D rooster koppelaar met periode 605nm, gaatjesdiameter 390nm, vezelhoek 10°, nomg = 1.0, ψ = 3.1° en efficiëntie van 25% voor de centrale golflengte 1545nm, voorspelt deze methode een periode van 606nm en ψ = 2.6°.


5.2

61

2-dimensionale Rooster Duplexer

Standaard gebruikt men de korste periode van het 2D rooster om roosterkoppeling te verkrijgen. We zouden in feite ook een langere periode zoals de diagonaal van een éénheidscel kunnen gebruiken. De gaatjes zullen dan wel niet meer op één lijn staan bij het begin van de golfgeleider, maar geschrankt (zie Figuur 5.3).

Figuur 5.3:

Bovenaanzicht (links) 2-dimensionaal rooster m.b.v. dimensionaal rooster m.b.v. lange (diagonale) periode

korte periode (rechts) 2-

We kunnen ook een 2-dimensionale duplexer ontwerpen. In Figuur 5.4 is één van de mogelijkheden getekend. Hierbij zorgt de korste periode van het rooster voor inkoppeling van het licht. Beide golflengtes worden polarisatie invariant ingekoppeld. 1310nm wordt voorwaarts ingekoppeld en 1550nm achterwaarts. Simulatie van een 2-dimensionale duplexer is echter moeilijk. Het vergt veel rekentijd en is enkel mogelijk met FDTD programma’s. Optimaliseren van de 2-dimensionale duplexer met een optimalisatie algoritme zou op de cluster ongeveer een jaar in beslag nemen. Met behulp van de Bragg voorwaarde voor 2-dimensionale roosterkoppelaars, zie (5.2) en (5.3), hebben we 2-dimensionale duplexers ontworpen die inkoppelen onder een vezelhoek van 20°. Door kleine variaties aan te brengen in de periode, vulfactor (diameter van de geëtste gaatjes) en golfgeleider hoek ψ, hebben we deze duplexer experimenteel gedeeltelijk kunnen optimaliseren. In Figuur 5.5 is te zien hoe we twee polarisatie invariante duplexers aan elkaar gekoppeld hebben. 1310nm koppelt voorwaarts en 1550nm achterwaarts. Het probleem met deze opstelling is dat 1310nm ook achterwaarts koppelt. (polarisatie invariant maar dan naar de TM golfgeleidermode) Dit zorgt voor inteferentie effecten bij de uitkoppelings duplexer waardoor het spectrum van 1310nm veel fluctaties vertoont. De 2D duplexer met de hoogste gemeten efficiëntie (ongeveer 20% voor beide golflengtes) heeft een periode van 0.51µm, gaatjes diameter 0.3µm en golfgeleider hoeken 5.6° (1310nm) en -6° (1550nm). De breedte


62

van toegangsgolfgeleiders is 12µm en het aantal periodes is 21.

5.3

PDL van een 2D Rooster Duplexer

De ’polarisation diversity loss’ of kort PDL wordt gedefinieerd als het grootste relatieve verschil tussen de inkoppelingsefficiënties voor verschillende polarisatie bij een bepaalde golflengte. Een kleine PDL is zeer belangrijk voor een goede component. Het zijn de TE vezel polarisatie (elektrisch veld loodrecht op de symmetrie-as) en de TM vezel polarisatie (geprojecteerd elektrisch veld evenwijdig aan de symmetrie-as) die de PDL bepalen. Simulaties tonen aan dat bij verandering van polarisatie het spectrum van de inkoppelingsefficiëntie verschuift. Ook de maximale efficiëntie zal variëren. De verschuiving van het spectrum heeft waarschijnlijk te maken met het al dan niet in het vlak liggen van het elektrisch veld. Voor de TE vezel polarisatie ligt het elektrisch veld in het vlak, voor de TM vezel polarisatie niet. Dit zorgt ervoor dat beide polarisaties een andere periode van het 2D rooster gewaar worden, wat op zijn beurt een verschuiving van het spectrum veroorzaakt. De periode voor de TM vezel polarisatie is dus bij een vezelhoek φ: Λproj = Λ cos φ

(5.7)

Verder vinden we met behulp van de Bragg voorwaarde 5.3 dat dλ dΛ dλ dΛ

= nef f cos ψ − nomg sin (φ) cos

π 4

= nef f cos ψ − nomg sin (−φ) cos

(voorwaartse koppeling) π 4

(achterwaarste koppeling)

(5.8) (5.9)

Deze formules voorspellen een verschuiving van het spectrum met 20nm voor de verschillende polarisaties bij een vezelhoek van 20°. Dit is noch in de simulaties noch in de experimenten waargenomen. Wat hier wel uit volgt is dat de verschuiving in het spectrum van de TM polarisatie groter zal zijn voor achterwaartse koppeling dan voor de voorwaartse koppeling, wegens de tegengestelde vezelhoek φ in de Bragg voorwaarde. Dit is zowel in simulaties als experimenten waargenomen. De gaatjes elliptisch maken is een mogelijke oplossing voor het PDL probleem. Door verandering van de vulfactor in één richting, kunnen we ervoor zorgen dat nef f,2D (T E vezel polarisatie) 6= nef f,2D (T M vezel polarisatie)

(5.10)

Voor een rooster koppelaar die 1 golflengte polarisatie invariant inkoppelt zou het normaal gezien mogelijk zijn om met de elliptische gaatjes de spectrum verschuiving te compenseren.

5.3.1

PDL Metingen van een 2D Rooster Duplexer

Het is moeilijk om de PDL te meten als we van vezel naar vezel meten. De positionering van beide vezels is namelijk bepalend voor de PDL. Daarom flipchippen we op één van de 2D


Figuur 5.4: 2-dimensionale Duplexer

Figuur 5.5: Rechtstreeks verbinden van twee 2-dimensionale duplexers.

63


64

duplexers een fotodetector, zie Figuur 5.6. De drie duplexers zijn identiek buiten het feit dat duplexer D2 gespiegeld is. Het rooster heeft een periode 0.51µm, gaatjes diameter 0.35µm en golfgeleider hoeken 6.1° (1310nm) en -6.5° (1550nm). De breedte van de toegangsgolfgeleiders is 12µm en het aantal periodes is 21. De linkse duplexer (D1) koppelt 1310nm naar rechts, de middelste duplexer koppelt 1550nm naar rechts en koppelt 1310nm afkomstig van D1 in de glasvezel. De rechtse duplexer (D3) koppelt 1550nm afkomstig van D3 achterwaarts uit naar de geflipchipte fotodetector. In principe hebben is dit een prototype van een transceiver voor FTTH. Enkel de 1310nm laser op duplexer D1 ontbreekt nog. Uitmeten van dit prototype is gedaan voor een vezelhoek van 20° en met IMF tussen glasvezel en rooster duplexer. Minimaliseren van de PDL voor 1550nm is nu slechts een kwestie van 1 vezel goed te positioneren. Het gemeten spectrum voor 1550nm achterwaartse koppeling van een 2-dimensionale duplexer is getoond in Figuur 5.7 en dit voor 2 verschillende invallende polarisaties. We zien dat er een spectrum verschuiving is van 15nm. Ook de maximale efficiëntie is afhankelijk van de invallende polarisatie. In Figuur 5.8 is een grafiek weergegeven van de PDL meting voor deze opstelling. We zien dat deze minimaal is bij 1535nm en slechts 0.5dB bedraagt. Dit komt omdat dit de golflengte is waarvoor beide spectra (van de verschillende polarisaties) elkaar snijden. De PDL stijgt zeer snel en is bij 1520nm en 1540nm reeds 3dB. De responsiviteit van de fotodetector is hierbij 1 mA per mW veronderstelt. De overspraak van de 2D duplexer was 0.30µA voor 1310nm voor een ingekoppeld optisch vermogen van 750µW . De donkerstroom van de detector is 0.07µA. De overspraak lijkt klein maar is het niet. Voor een ge¨ıntegreerde FTTH ontvanger bijvoorbeeld is het licht dat men ontvangt (1550nm) namelijk veel zwakker dan het licht (1310nm) dat wordt uitgezonden. Veronderstellen we bijvoorbeeld dat het ontvangen licht (1550nm) een 15 maal lager vermogen heeft wegens verliezen in het netwerk. Het ingekoppeld optisch vermogen bij 1550nm is dan 50µW , wat overeenkomt met een detector stroom van 7.5µA in de veronderstelling dat de fotodetector 1 mA per mW responsiviteit heeft. Een overspraak voor 1310nm van 0.30µA betekent dan dat 4% van het gedetecteerde vermogen afkomstig is van 1310nm. Voor het volledige ontwerp zullen we hiermee rekening moeten houden en een 1310nm overspraak filter moeten integreren. De overspraak is wel veel minder dan voor een 1-dimensionale duplexer. Dit komt omdat de overstaande golfgeleiders niet op dezelfde lijn staan wegens de verschillende golfgeleider hoeken ψ (zie Figuur 5.6). In Figuur 5.9 is de gemeten efficiëntie weergegeven voor 1310nm voorwaarts. Het maximum ligt bij 1275nm met een efficiëntie van 20%. De verschuiving in het spectrum voor de andere polarisatie is hier slechts enkele nm. We zien dat er veel fluctutaties zijn in het spectrum. Dit komt omdat een deel van het 1310nm licht ook achterwaarts koppelt naar de TM golfgeleider mode.


65

Figuur 5.6: ’Prototype van een transceiver voor FTTH’

Figuur 5.7: Spectrum van 2-dimensionale Duplexer voor 1550nm achterwaarts en bij verschillende polarisaties. (750µW vermogen in de vezel) Het gewogen spectrum van de twee polarisaties is een meetkundig gemiddelde.


66

Figuur 5.8: PDL meting van een 2-dimensionale Duplexer voor 1550nm achterwaarts.

Figuur 5.9: Spectrum van 2-dimensionale Duplexer voor 1310nm voorwaarts en bij verschillende polarisaties.

Hoofdstuk 6

Demultiplexers en Filters Referenties: Xiao et al. (2007), Shi et al. (2007), Brouckaert et al. (2007), Bidnyk et al. (2006)

6.1

PCG: 1490/1550nm demultiplexer en 1310nm filter

Om 1490nm en 1550nm te splitsen gebruiken we een ’planar concave grating’ (PCG) demultiplexer, zie Figuur 6.1. We kunnen hierbij de ’free spectral range’ (FSR) kiezen opdat 1310nm wordt gefilterd om de overspraak te verminderen. Het ontwerpen van de PCG is gedaan met in huis ontwikkelde software. In Figuur 6.2 is een simulatie te zien van de PCG. Hierbij is 100% reflectie veronderstelt van het rooster. De silicium/lucht scheiding heeft slechts iets van een 30% reflectie, waardoor de realistische efficiëntie ongeveer −6dB is. In Figuur 6.4 zijn de meetresultaten getoond van de gefabriceerde PCG demultiplexer (zie Figuur 6.3). De maxima van de transmissie efficiënties zijn -5.4 dB voor 1485nm en -7.6 dB voor 1542nm. De overspraak voor deze maxima is respectievelijk ongeveer -30dB en -40dB. De transmissie van 1310nm is -40dB. In Bijlage B zijn deze meetresultaten gepresenteerd.

Figuur 6.1: PCG demultiplexer. 1490nm en 1550nm worden gescheiden, 1310nm wordt gefilterd.

67

Hoofdstuk 6. Demultiplexers en Filters

68

Figuur 6.2: Simulatie van de PCG: 1490nm en 1550nm worden gedemultiplext en 1310nm wordt gefilterd.

Figuur 6.3: Gefabriceerde PCG demultiplexer.


69

Figuur 6.4: Meetresultaten van de PCG demultiplexer voor 1490nm en 1550nm.

6.2

Demultiplexen van 1310nm TM en 1550nm TE

Voor de 1-dimensionale duplexer met polarisatie invariantie voor 1310nm, moeten we nog de 1310nm TM mode en de 1550nm TE mode splitsen, zoals te zien is in Figuur 6.5.

Figuur 6.5: 1-dimensionale polarisatie invariante rooster duplexer voor 1490/1550 nm (rode en blauwe pijlen) en 1310 nm (groene pijlen)

6.2.1

MMI

We proberen dit met een MMI. We gebruiken hiervoor een asymmetrische opstelling, zie Figuur 6.6. Om de lengte en de breedte van de MMI te bepalen, berekenen we de ’beat’


70

lengte Lπ bij de verschillende golflengtes: Lπ =

π β0 − β1

(6.1)

De 2 golflengtes worden dan gescheiden als LM M I = pLλπ1 = (p + q)Lλπ2

(6.2)

met p een natuurlijk getal en q een positief oneven getal. Lλπ is de ’beat’ lengte bij golflengte λ. In Figuur 6.7 is Lπ uitgezet in functie van de breedte van de MMI. We merken dat Lπ steeds gelijk is voor 1310nm TM en 1550nm TE. Het is dus onmogelijk om met een normale MMI de gewenste golflengtes te scheiden.

Figuur 6.6: Schema van een golflengte demultiplexer gebaseerd op een MMI koppelaar.

Figuur 6.7: Lπ in functie van de breedte van de MMI.


6.2.2

71

Directionele Koppelaar

Met een directionele koppelaar is het wel mogelijk om 1310nm TM en 1550nm TE te scheiden. In Figuur 6.8 zijn de verschillende delen van een directionele koppelaar getekend. Werken we met supermodes, zie Figuur 6.9, dan is de koppelingslengte Lc van de directionele koppelaar Lc =

π β+ − β−

(6.3)

Het grote verschil met de ’beat’ lengte van de MMI is dat deze koppelingslengte Lc sterk afhankelijk is van het elektrisch veld tussen de twee golfgeleiders. De staarten van de golfgeleidermodes spelen bij een directionele koppelaar dus een belangrijke rol, terwijl dit niet zo is bij een MMI. Dit is de reden waarom het wel mogelijk is 1310nm TM en 1550nm TE te scheiden met een directionele kopppelaar en niet met een MMI. Voor nomg = 1.0, w = 390nm, g = 200nm is

1550nm(T E)

E) L1550nm(T = 18µm c

(6.4)

M) L1310nm(T = 8.6µm c

(6.5)

1310nm(T M )

Dit betekent dat Lc ≈ 2Lc en dat de golflengtes zullen gescheiden worden bij een lengte van 18µm voor de koppelingssectie. Voor nomg = 1.54, w = 550nm, g = 200nm is E) L1550nm(T = 45.6µm c

(6.6)

M) L1310nm(T = 23.5µm c

(6.7)

1550nm(T E)

1310nm(T M )

wat opnieuw betekent dat Lc ≈ 2Lc en dat de golflengtes zullen gescheiden worden bij een lengte van 45.6µm voor de koppelingssectie.


Figuur 6.8: Segmenten van een Directionele Koppelaar

Figuur 6.9: Supermodes van een directionele koppelaar.

72

Besluit en Perspectieven Besluit Fiber To The Home (FTTH) is een veelbelovende technologie voor datacommunicatie. Het volledige netwerk bestaat uit glasvezel waardoor er een grote en symmetrische bandbreedte kan gerealiseerd worden. Typisch worden 1310nm en 1490nm voor data uitwisseling en 1550nm voor CATV gebruikt. De optische componenten in een FTTH netwerk, zoals de optische triplexer, zijn echter niet geschikt voor massaproductie. In deze scriptie werd onderzocht hoe we deze optische componenten kunnen integreren op een ’Silicon On Insulator’ (SOI) chip. SOI technologie is CMOS-compatibel waardoor massaproductie mogelijk wordt. Verder zorgt de hoge brekingsindex van Silicium ervoor dat de ontwerpen uiterst compact zijn zodat er meer chips per wafer kunnen gefabriceerd worden. Met behulp van glasvezel roosterkoppelaars wordt het licht langs boven ingekoppeld. Hierdoor kunnen we de verschillende chips testen zonder de wafer te klieven. In eerste instantie integreren we enkel het passief optisch gedeelte van de FTTH transceiver. De actieve componenten, lasers en fotodetectoren, flipchippen we op de SOI chip. FTTH componenten hebben zeer strenge specificaties en de lage 35% efficiëntie van standaard rooster koppelaars is een cruciaal probleem. De optimale breedte voor een roosterkoppelaar bij een vezelhoek van 10° is 15µm. Metingen tonen aan dat bij deze optimale breedte de koppelingsefficiëntie 5% stijgt tegenover een roosterkoppelaar die 10µm breed is. Het rooster niet-uniform maken of een goud spiegel aanbrengen onder het rooster behoren tot de mogelijkheden om de efficiëntie van de rooster koppelaar te verhogen, doch dit is zeer complex en niet altijd CMOS compatibel. Simulaties tonen aan dat een extra laagje silicium deponeren/groeien alvorens het rooster te definiëren de efficiëntie na optimalisatie verhoogt tot 80%. Deze hoge efficiëntie kan bereikt worden voor zowel voorwaarts als achterwaarts koppelende roosters. De roosterkoppelaars werden geoptimaliseerd met hehulp van het ’Particle Swarm Optimization’ (PSO) algoritme in combinatie met Camfr, een rigoreuse modesolver. De gemeten efficiëntie van een niet optimaal rooster met een extra gegroeid laagje silicium is 55%. De centrale component voor een SOI ge¨ıntegreerde FTTH transceiver is de rooster duplexer. Hiermee kunnen we alle communicatie golflengtes inkoppelen en tegelijkertijd de downstream en upstream golflengtes scheiden. De gesimuleerde koppelingsefficiëntie is 45% voor beide

73


74

centrale golflengtes. De gemeten efficiëntie is 40% voor 1520nm achterwaartse koppeling en 25% voor 1310nm voorwaartse koppeling. Uit simulaties blijkt dat een extra laagje silicium deponeren alvorens de rooster duplexer te definiëren, de koppelingsefficiëntie kan verhogen tot 65% voor beide centrale golflengtes. We hebben ook aangetoond dat het mogelijk is om 1310nm polarisatie onafhankelijk in te koppelen met een 1-dimensionale rooster duplexer. De gesimuleerde efficiënties zijn 55% voor 1310nm TE/TM en 65% voor 1550nm TE. Door de rooster duplexer 2-dimensionaal te maken, kunnen we beide golflengtes polarisatie onafhankelijk inkoppelen. De hoogste gemeten efficiëntie is 20% voor beide centrale golflengtes. Met deze 2D rooster duplexers hebben we een eerste ’prototype’ van een FTTH transceiver gemaakt en uitgemeten. Vooral de ’Polarisation Diversity Loss’ (PDL) bleek hierbij een groot probleem te zijn. Deze is veel groter voor achterwaartse koppeling dan voor voorwaartse koppeling. Met een ’planar concave grating’ (PCG) zijn we in staat om 1490nm en 1550nm te splitsen en tegelijkertijd 1310nm te filteren. Met een directionele koppelaar kunnen we 1310nm TM en 1550nm TE scheiden.

Perspectieven Simulatie van 2D Rooster Koppelaars De koppelingsefficiëntie van 2D rooster koppelaars berekenen is enkel mogelijk aan de hand van een 3-dimensionale simulatie in een Finite-Difference Time-Domain (FDTD) programma. We exciteren een gaussische puls op de plaats van de glasvezel en met behulp van referentie sensors weten we dan de koppelingsefficiëntie in functie van de golflengte. Dergelijke simulatie duurt echter een dag. Daarenboven is de koppelingsefficiëntie enkel berekend voor een bepaalde positie en hoek van de glasvezel, wat betekent dat het wel heel lang zou duren om op deze manier een 2D rooster koppelaar te optimaliseren. We moeten dus één of andere manier vinden om meer informatie te halen uit een enkele simulatie. We zouden bijvoorbeeld op dezelfde manier kunnen te werk gaan als bij de simulatie van 1dimensionale roosters in mode-solver programma’s. We exciteren de golfgeleider mode bij een bepaalde golflengte. Door de overlapintegraal van het gediffracteerde licht met de gaussische glasvezel mode te berekenen, weten we dan de koppelingsefficiëntie voor alle posities en hoeken van de glasvezel. Het probleem hierbij is dat een FDTD programma enkel met de reële of imaginaire delen van het elektrisch veld rekent, terwijl we voor de overlapintegraal het volledige complexe elektrische veld nodig hebben. Met behulp van een fourier transformatie zouden we dit complexe elektrische veld kunnen vinden.


75

2D rooster duplexer met polarisatie invariantie voor een enkele centrale golflengte De behandelde 2D rooster duplexers zijn polarisatie invariant voor beide ingekoppelde golflengtes 1310nm en 1550nm. Voor een FTTH transceiver moet de duplexer echter maar polarisatie invariant zijn voor 1 golflengte (de downstream golflengte). We zouden bijvoorbeeld een rooster duplexer kunnen ontwerpen die de downstream golflengte polarisatie invariant inkoppelt en de upstream golflengte polarisatie afhankelijk. In Figuur 6.10 staat een rooster duplexer voorgesteld die 1490/1550nm polarisatie onafhankelijk inkoppelt volgens de kleinste periode van het 2D rooster en 1310nm polarisatie afhankelijk uitkoppelt volgens een periode die de diagonaal is van de éénheidscel van het 2D rooster. We weten hierbij echter niet wat de invloed zal zijn van de geschrankte gaatjes aan de overgang tussen de 1310nm golfgeleider en het rooster.

Figuur 6.10: 2D rooster duplexer met polarisatie invariantie voor 1490/1550nm

Bijlage A

Hoog-effici¨ ente Rooster Koppelaars: Meting

76

APPLIED PHYSICS LETTERS 92, 131101 共2008兲

High efficiency diffractive grating couplers for interfacing a single mode optical fiber with a nanophotonic silicon-on-insulator waveguide circuit G. Roelkens,1,a兲 D. Vermeulen,1 D. Van Thourhout,1 R. Baets,1 S. Brision,2 P. Lyan,2 P. Gautier,2 and J.-M. Fédéli2 1

Photonics Research Group, IMEC/Ghent University, Sint-Pietersnieuwstraat 41, B-9000 Ghent, Belgium CEA/Léti—MINATEC, Rue des Martyrs 17, 38054 Grenoble Cedex 9, France

2

共Received 7 February 2008; accepted 10 March 2008; published online 31 March 2008兲 High efficiency diffractive grating structures to interface a single mode optical fiber and a nanophotonic integrated circuit fabricated on silicon-on-insulator are presented. The diffractive grating structures are designed to be inherently very directional by adding a silicon overlay before grating definition. 55% coupling efficiency at a wavelength of 1.53 ␮m is experimentally demonstrated on devices fabricated using standard complementary metal-oxide semiconductor technology. By optimizing the grating parameters, we theoretically show that 80% grating coupling efficiency can be obtained for a uniform grating structure. © 2008 American Institute of Physics. 关DOI: 10.1063/1.2905260兴 High refractive index contrast optical waveguide structures hold promise for large scale integration of optical functions on a single substrate. This is due to the fact that the high refractive index contrast allows realizing wavelengthscale optical components 共e.g., photonic crystal cavities,1 ring resonators,2 modulators,3 etc.兲 which can be interconnected by nanophotonic integrated waveguides. Silicon-oninsulator 共SOI兲 is emerging as the dominant platform for this integration because the refractive index contrast between the silicon waveguide layer 共nSi = 3.45 at a wavelength of 1.55 ␮m兲 and the underlying buried oxide layer 共nSiO2 = 1.45兲 is very high. Moreover, these nanophotonic structures can be defined using state-of-the-art complementary metaloxide semiconductor 共CMOS兲 technology.4 While the high omnidirectional refractive index contrast allows realizing wavelength-scale optical functions, the interfacing between a nanophotonic waveguide and a standard single mode fiber is far from trivial due to the large mismatch in dimensions between the 9 ␮m diameter core of a single mode fiber and the cross section of an integrated high index contrast waveguide, which is typically 0.1 ␮m2 for a single mode waveguide at telecommunication wavelengths. In this paper, we present the use of a diffractive grating structure defined in the waveguide layer to efficiently interface with a single mode optical fiber. The operation principle of the device is based on the Bragg diffraction from the grating. The optical fiber is slightly tilted off vertically in order to avoid second order Bragg reflection into the waveguide.4 While the optical coupling properties of one-dimensional grating structures are very polarization dependent, it was shown that a twodimensional grating coupling approach allows tackling the issue of the polarization dependent loss of high index contrast photonic integrated circuits by applying a polarization diversity configuration,5 without the need of integrating a polarization splitter and rotator on the photonic integrated circuit.6 a兲

Electronic mail: [email protected].

The fiber-to-waveguide coupling efficiency is determined by the directionality of the grating, being the ratio of the power that is diffracted upward 共Pup兲 to the total diffracted power 共Pup + Pdo兲, as shown in Fig. 1. Besides the directionality, the profile of the diffracted field also determines the coupling efficiency because it has to match the Gaussian field profile of the optical fiber as much as possible. For a uniform grating, this diffracted field profile is in good approximation exponentially decaying. Previously, we theoretically and partly experimentally proposed that a bottom mirror can be integrated to redirect the downward diffracted light to obtain a higher directionality7 and that a higher coupling efficiency can be obtained by making the diffraction grating nonuniform in order to better match the diffracted field profile 共which is no longer exponentially decaying兲 and the Gaussian field profile of the optical fiber.8 However, one can argue that integrating a bottom mirror 共which was achieved by a wafer bonding process兲 and making a grating nonuniform is not CMOS compatible or is at least very complex. Recently, we proposed to inherently modify the directionality of the diffraction grating by altering the grating design, thereby altering the properties of the 共radiating兲 Bloch modes propagating in the one-dimensional periodic structure.9 Instead of directly etching the grating into the 220 nm silicon waveguide layer, in the advanced design, a silicon overlay is deposited before grating etching, as shown in Fig. 1. This extra degree of freedom allows the tailoring of the radiation properties of the Bloch modes which propagate in the one-dimensional periodic structure, and thereby opti-

FIG. 1. Proposed diffraction grating layout for efficient fiber-to-waveguide coupling.

0003-6951/2008/92共13兲/131101/3/$23.00 92, 131101-1 © 2008 American Institute of Physics Author complimentary copy. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://apl.aip.org/apl/copyright.jsp

131101-2

Roelkens et al.

Appl. Phys. Lett. 92, 131101 共2008兲

FIG. 2. 共a兲 SEM image of fabricated grating structure on a 10 ␮m wide SOI waveguide and 共b兲 a FIB cross section of the device revealing epitaxial layer thickness and grating etch depth.

mizing the coupling efficiency of the grating. By assuming a 50% grating duty cycle, 66% coupling efficiency between a single mode optical fiber and a 220 nm thick SOI waveguide layer at a wavelength of 1.55 ␮m was predicted by using finite difference time domain 共FDTD兲 simulations using a 150 nm silicon overlay thickness, a 610 nm period grating, and a 220 nm grating etch depth. These grating parameters are optimal because they allow the propagation of a radiating Bloch mode at 1.55 ␮m in the periodic structure, which intrinsically radiates most of the power toward the superstrate and which has an attenuation length 共which determines the decay length of the exponentially decaying diffracted field profile兲 that optimally matches with the 10.4 ␮m 1 / e2 diameter of the Gaussian fiber mode profile. In this design, the light is diffracted under an angle of 10° with respect to the surface normal. This 66% fiber coupling efficiency is two to three times higher than those of standard grating structures, where the diffraction grating is directly defined into the silicon waveguide layer.4 Only by using free space optics to expand the fiber mode size can an efficiency comparable to that presented here be obtained from the standard grating structures, which is at the expense of the optical bandwidth 共due to the lower grating strength兲 and at the expense of the ease of packaging.10 In this paper, we report on the experimental realization and characterization of these Bloch mode engineered diffraction gratings. We will also show that by allowing a grating duty cycle different from 50%, coupling efficiencies up to 80% can be obtained by further optimizing the Bloch mode radiation properties. The processing of the diffractive grating structure was performed on a 200 mm SOI wafer, consisting of a 220 nm silicon waveguide layer and a 2000 nm buried oxide layer on a silicon substrate. Standard CMOS technology was used for fabrication. After the deposition of a blanket SiO2 hard mask, windows are opened in the hard mask, exposing the silicon waveguide layer, in order to locally define the silicon overlay. The silicon overlay is defined by epitaxial silicon growth in a reduced pressure chemical vapor deposition tool by using SiH4 at 700 ° C. After silicon epitaxy, the SiO2 hard mask is removed and the diffraction grating and optical waveguides are defined by using 193 nm deep UV lithography and dry etching using a low-pressure/high-density Cl2 / O2 / He/ HBr chemistry. A scanning electron microscope 共SEM兲 image of the fabricated structures is shown in Fig. 2共a兲, together with a focused ion beam 共FIB兲 cross section of the device at the first slit of the grating 关Fig. 2共b兲兴. The SEM image shows the high quality silicon overlay on top of a 10 ␮m wide SOI waveguide. From the cross section, one can conclude that 180 nm of silicon was epitaxially grown on the silicon waveguide layer 共while 150 nm was targeted兲 and the etch depth is 250 nm 共220 nm target兲. The width of the first

FIG. 3. Experimentally obtained fiber-to-waveguide coupling spectrum showing 55% maximum efficiency and a −1 dB optical bandwidth of 50 nm.

grating tooth is reduced due to a slight misalignment between the grating mask and the silicon overlay mesa. FDTD simulations show, however, that this has a negligible effect on the device efficiency. Simulation of these experimentally obtained diffractive grating structures shows a theoretical coupling efficiency of 59% for transverse electric polarized light, which is only slightly less than the optimal grating structure efficiency of 66%. The simulated −1 dB optical bandwidth is 55 nm. The diffractive grating structures were experimentally characterized by measuring the fiber-to-fiber transmission efficiency, where the light passes through a 6 mm long photonic wire with two identical diffraction gratings at each side to interface with single mode optical fibers. Index matching fluid was applied between the optical fiber facet and the diffraction grating to avoid reflections at the fiber facets. The light in the input fiber was linearly polarized with the electric field vector parallel to the grating lines 共transverse electric polarization兲. By assuming that the coupling spectra of both diffraction gratings are identical and neglecting the loss that the light experiences while propagating through the 6 mm long photonic wire, a lower boundary for the grating coupler efficiency is obtained. This coupling spectrum is plotted in Fig. 3, showing a 55% coupling efficiency and a −1 dB optical bandwidth of 50 nm, which is in good agreement with the simulations. This development results in a four to seven times enhancement of the fiber-tofiber transmission compared to standard gratings, which are directly etched in the silicon waveguide layer.4 While the demonstrated grating structures had a 50% duty cycle, for ease of fabrication, much can be gained in terms of efficiency by allowing a grating duty cycle different from this 50%. In order to assess the maximum obtainable efficiency for a uniform grating structure, a particle swarm optimization algorithm was used to optimize the properties of the radiating Bloch modes supported by the grating structure. FDTD simulations show that for a grating structure consisting of a 150 nm overlay, a 250 nm etch depth, a grating period of 710 nm, and a duty cycle of 25% 共530 nm wide etched slits兲 up to 80% coupling efficiency can be obtained. This grating coupler has a −1 dB optical bandwidth of 50 nm and a −3 dB optical bandwidth of 100 nm. Supported by the good correspondence between the experiment and simulation for the structures presented above, it is believed that another important leap in coupling efficiency can be made toward the practical level of −1 dB fiber-to-waveguide coupling efficiency.

Author complimentary copy. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://apl.aip.org/apl/copyright.jsp

131101-3

Appl. Phys. Lett. 92, 131101 共2008兲

Roelkens et al.

In this paper, we presented the experimental characterization of Bloch mode engineered fiber-to-waveguide grating coupler structures. The obtained 55% efficiency is in good agreement with numerical simulations and outperforms standard directly etched grating structures by a factor of 4–7 in terms of fiber-to-fiber transmission efficiency.4 The structure has several advantages: It is compact and efficient. It does not require a polished waveguide facet for interfacing, thereby paving the way to wafer level testing and packaging of photonic integrated circuits, which can dramatically reduce the cost of the photonic integrated circuit. Moreover, the structure can be defined using standard CMOS technology, i.e., using a 193 nm deep UV lithography on 200 mm SOI wafers, as demonstrated in this paper. Furthermore, we show that by allowing a grating duty cycle different from 50%, the radiation properties of the Bloch modes supported by the grating can be further enhanced to achieve 80% fiberto-waveguide coupling efficiency. G. Roelkens acknowledges the Fund for Scientific Research-Flanders 共FWO兲 for a postdoctoral grant. This work was carried out in the framework of the national

IWT-epSOC project. Silicon fabrication was performed in the Silicon Photonics Platform of the European Network of Excellence epiXnet. 1

M. Notomi, A. Shinya, S. Mitsugi, E. Kuramochi, and H. Ryu, Opt. Express 12, 1551 共2004兲. 2 K. Preston, B. Schmidt, and M. Lipson, Opt. Express 15, 17283 共2007兲. 3 Q. Xu, S. Manipatruni, B. Schmidt, J. Shakya, and M. Lipson, Opt. Express 15, 430 共2007兲. 4 W. Bogaerts, D. Taillaert, B. Luyssaert, P. Dumon, J. Van Campenhout, P. Bienstman, D. Van Thourhout, R. Baets, V. Wiaux, and S. Beckx, Opt. Express 12, 1583 共2004兲. 5 W. Bogaerts, D. Taillaert, P. Dumon, D. Van Thourhout, and R. Baets, Opt. Express 15, 1567 共2007兲. 6 T. Barwicz, M. Watts, M. Popovic, P. Rakich, L. Socci, F. Kaertner, E. Ippen, and H. Smith, Nat. Photonics 1, 57 共2007兲. 7 F. Van Laere, G. Roelkens, M. Ayre, J. Schrauwen, D. Taillaert, D. Van Thourhout, T. F. Krauss, and R. Baets, J. Lightwave Technol. 25, 151 共2007兲. 8 D. Taillaert, P. Bienstman, and R. Baets, Opt. Lett. 29, 2749 共2004兲. 9 G. Roelkens, D. Van Thourhout, and R. Baets, Opt. Express 14, 11622 共2006兲. 10 L. Vivien, D. Pascal, S. Lardenois, D. Marris-Morini, E. Cassan, F. Grillot, S. Laval, J.-M. Fédéli, and L. El Melhaoui, J. Lightwave Technol. 24, 3810 共2006兲.

Author complimentary copy. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://apl.aip.org/apl/copyright.jsp

Bijlage B

FTTH Artikel

80

Silicon-on-Insulator Nanophotonic Waveguide Circuit for Fiber-to-the-Home Transceivers D. Vermeulen(1), G. Roelkens(1), J. Brouckaert(1), D. Van Thourhout(1), R. Baets(1) R. Duijn(2), E. Pluk(2), G. Van den Hoven(2) 1: Photonics Research Group, Ghent University-IMEC, Sint-Pietersnieuwstraat 41, B-9000 Ghent – Belgium e-mail: [email protected] 2: GENEXIS B.V., Lodewijkstraat 1a, 5652 AC Eindhoven, The Netherlands e-mail: [email protected] Abstract We present a SOI nanophotonic waveguide circuit for FTTH transceivers. A grating duplexer and planar concave grating are combined to couple and demultiplex the 1310, 1490 and 1550nm communication channels. Introduction Silicon-on-insulator technology has many advantages for the realization of photonic integrated circuits. First of all the platform is CMOS-compatible and due to the high refractive index contrast, the designs are very compact. Furthermore, out-of-plane coupling can be realized by the use of a diffractive grating [1]. This makes wafer scale testing feasible. By unifying these advantages it is possible to fabricate nanophotonic integrated circuits in large volumes at a low cost. Point-to-point Fiber-to-the-Home optical access networks require large volume and low-cost optical transceivers, both at the subscriber and the central office side. From the perspective of the transceiver at the subscriber side, 1310nm is the upstream channel and 1490nm and 1550nm are the downstream channels for data and CATV. The passive optical part of a fiber-to-the-home transceiver has to couple and demultiplex these three communication channels.

This circuit is fabricated using standard CMOS technology, on a silicon wafer with a 220 nm thick silicon waveguide core and a 2µm thick buried oxide layer. Grating Duplexer In order to couple and at the same time split the upstream and downstream wavelength bands, we use a 1-dimensional grating duplexer. The working principle is shown in Figure 2. Under a certain angle of the optical fiber, the Bragg condition is fulfilled for both wavelengths λ1 and λ2 and the 2 wavelength bands will couple in opposite directions. The grating period, duty cycle and number of periods have been optimized using a particle swarm optimization algorithm, in order to achieve maximum coupling efficiency for both the upstream and downstream wavelength bands.

In this paper, we report on the design and fabrication of a nanophotonic waveguide circuit realizing this optical coupling and demultiplexing. With a grating duplexer [2] the light is coupled into the chip and the 1310nm upstream channel is spatially separated from the downstream channels.

Figure 2: Operation principle of a grating duplexer. λ1 represents the upstream wavelength band, λ2 represents the downstream wavelength band. Figure 1: Microscope image of a grating duplexer in combination with a Planar Concave Grating (PCG) demultiplexer for FTTH applications With a planar concave grating demultiplexer [3], the downstream channels 1490nm and 1550nm are splitted and the 1310nm wavelength channel is filtered to reduce the crosstalk levels. A microscope image of the fabricated structure is shown in Figure 1.

The duplexer has been designed in a way that the upstream band around 1310 nm is coupled in the forward direction and the downstream band around 1520 nm is coupled backwards. The measurement results of the grating duplexer are plotted in Figure 3. The period of the grating is 520 nm and the grating duty cycle is 40%. The etch depth is 70nm. The number of grating periods is 20. Index matching fluid was applied between the optical fiber facet and the

grating duplexer to avoid reflections at the fiber facets and the fiber was tilted under an angle of 10 degrees. Standard single mode fiber was used for the experiments. The experiments were performed using TE polarized light. Making the grating duplexer polarisation independent can be done by using a two dimensional grating structure [2].

Figure 4: Transmission spectrum of the planar concave grating demultiplexer The maxima of the transmission efficiencies are -5.4 dB for 1485 nm and -7.6 dB for 1542 nm and are limited by the Fresnel reflection at the Silicon/Air interface. The crosstalk at these maxima is about -30 dB and -40 dB respectively. Filtering of the 1310 nm channel is as good as -40 dB. Several techniques to reduce the insertion loss of this demultiplexer exist; for example with high reflectivity Bragg reflectors, as described in [5], the insertion loss can be reduced by 4 dB. Conclusions

Figure 3: Transmission spectrum of the grating duplexer for the upstream band (upper graph) and the downstream band (lower graph) The coupling efficiencies of the central wavelengths are -6 dB for 1300 nm and -4 dB for 1520 nm. At the communication wavelengths 1310, 1490 and 1550 nm the coupling efficiencies are respectively -7 dB, -6 dB and -8 dB. Decreasing these losses can be done by first depositing an extra silicon layer prior to defining the grating [4]. Simulations show that efficiencies of -1.9 dB are possible for both central wavelengths. Planar Concave Grating Demultiplexer Demultiplexing the downstream band is accomplished by using a planar concave grating demultiplexer (PCG) [3]. In order to avoid possible crosstalk from the grating duplexer as shown in figure 2, we also have to filter the 1310 nm wavelength in both downstream channels. This was done by adjusting the free spectral range of the grating demultiplexer. Measurements of the grating demultiplexer are shown in Figure 4.

We have demonstrated how to couple, demultiplex and filter 1310 nm, 1490 nm and 1550 nm with the use of just 2 integrated optical components. A grating duplexer couples the light and splits the upstream/downstream bands. The PCG separates the 1490 nm and 1550 nm while filtering 1310 nm. In addition we have suggested how to increase the performance of these components and make the device polarisation independent. The proposed configuration contains all functionalities for the passive optical part of an SOI FTTH transceiver, while exploiting all advantages of the silicon-on-insulator platform. We believe that this proof of concept is a stepping stone for future low cost SOI fiber-to-thehome transceiver chips. References 1. D. Taillaert et al IEEE Photonics Technology Letters, 15 (2003), pages 1249-1251 2. G. Roelkens et al Optics Express, 15 (2007), pages 10091-10096 3. J. Brouckaert et al Journal Of Lightwave Technology, 25 (2007), pages 1269-1275 4. G. Roelkens et al Applied Physics Letters, 92 (2008), page 131101 5. J. Brouckaert et al IEEE Photonics Technology Letters, 20 (2008), pages 309-311

Bibliografie S. Bidnyk, A. Balakrishnan, M. Pearson, M. Gao, D. Feng, H. Liang, W. Qian, C.-C. Kung, J. Fong, J. Yin & M. Asghari (2006). Monolithically-integrated soi-based planar lightwave filter for passive optical network applications. White paper. W. Bogaerts, D. Taillaert, P. Dumon, D. Van Thourhout, R. Baets & E. Pluk (2007). A polarization-diversity wavelength duplexer circuit in silicon-on-insulator photonic wires. OPTICS EXPRESS, 15(4):1567–1578. J. Brouckaert, W. Bogaerts, P. Dumon, D. Van Thourhout & R. Baets (2007). Planar concave grating demultiplexer fabricated on a nanophotonic silicon-on-insulator platform. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 25(5):1269–1275. Y. He-Jun & Y. Jin-Zhong (2005). A novel design of grating couplers for efficiënt broadband coupling between silicon-on-insulator nanophotonic waveguides and fibres. CHIN.PHYS.LETT., 22(11):2865–2868. W.-P. Huang, X. Li, C.-Q. Xu, X. Hong, C. Xu & W. Liang (2007). Optical transceivers for fiber-to-the-premises applications: System requirements and enabling technologies. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 25(1):11–27. G. Roelkens, D. Van Thourhout & R. Baets (2006). High efficiency silicon-on-insulator grating coupler based on a poly-silicon overlay. OPTICS EXPRESS, 14(24):11622–11630. G. Roelkens, D. Van Thourhout & R. Baets (2007). Silicon-on-insulator ultra-compact duplexer based on a diffractive grating structure. Optics Express, 15(16):10091. G. Roelkens, D. Vermeulen, D. Van Thourhout, R. Baets, S. Brision, P. Lyan, P. Gautier & J.-M. Fédéli (2008). High efficiency diffractive grating couplers for interfacing a single mode optical fiber with a nanophotonic silicon-on-insulator waveguide circuit. APPLIED PHYSICS LETTERS, 92:131101. S. Scheerlinck, J. Schrauwen, F. Van Laere, D. Taillaert, D. Van Thourhout & R. Baets (2007). Efficient, broadband and compact metal grating couplers for silicon-on-insulator waveguides. Optics Express, 15:9639–9644. 83

Bibliografie

84

J. Schrauwen, D. Van Thourhout & R. Baets (2006). Focused-ion-beam fabricated vertical fiber couplers on silicon-on-insulator waveguides. APPLIED PHYSICS LETTERS, 89:141102. Y. Shi, S. Anand & S. He (2007). A polarization-insensitive 1310/1550-nm demultiplexer based on sandwiched multimode interference waveguides. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 19(22):1789–1791. D. Taillaert, W. Bogaerts, P. Bienstman, T. F. Krauss, P. Van Daele, I. Moerman, S. Verstuyft, K. De Mesel & R. Baets (2002). An out-of-plane grating coupler for efficient buttcoupling between compact planar waveguides and single-mode fibers. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 38(7):949–955. D. Taillaert, H. Chong, P. I. Borel, L. H. Frandsen, R. De La Rue & R. Baets (2003). A compact two-dimensional grating coupler used as a polarization splitter. PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 15(9):1249–1251. F. Van Laere, G. Roelkens, M. Ayre, J. Schrauwen, D. Taillaert, D. Van Thourhout, T. F. Krauss & R. Baets (2007). Compact and highly efficient grating couplers between optical fiber and nanophotonic waveguides. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 25(1):151–155. F. Van Laere, T. Stomeo, D. Taillaert, G. Roelkens, D. Van Thourhout, T. F. Krauss & R. Baets (2008). Efficient polarization diversity grating couplers in bonded inp-membrane. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 20(4):318–320. J. Xiao, X. Liu & X. Sun (2007). Design of an ultracompact mmi wavelength demultiplexer in slot waveguide structures. OPTICS EXPRESS, 15(13):8300–8308.

Ontwerp en Fabricage van een Geïntegreerde Zender voor Fiber-To-The-Home (FTTH) Optische Netwerken. Diedrik Vermeulen

Recommend Documents