Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4521
Main Title: Integrated fiber grating couplers in silicon photonics
Translated Title: Integrierte siliziumphotonische Faserkoppelgitter
Author(s): Wohlfeil, Benjamin
Advisor(s): Petermann, Klaus
Referee(s): Heinrich, Wolfgang
Petermann, Klaus
Berroth, Manfred
Schuhmann, Rolf
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Um dem stetig steigenden Bedarf an Bandbreite gerecht zu werden, werden zunehmend nicht mehr ausreichend performante elektronische Kommunikationskanäle durch optische Übertragungsstrecken ersetzt. Viel Forschungsarbeit konzentriert sich in den letzten Jahren die ansonsten für weite Übertragungsstrecken eingesetzten optischen Kanäle auch für kurze Distanzen einzusetzen, wie zum Beispiel die Chip zu Chip oder On-Chip Kommunikation. Die Integration von photonischen Komponenten ermöglicht den Entwurf von äußerst schnellen Transceivern, die für die immer komplexeren Modulationsformate notwendig sind. Silicon-on-Insulator hat sich hierbei als exzellente Plattform herausgestellt, da dieses Materialsystem die notwendigen optischen Eigenschaften aufweist und zusätzlich die Co-Integration von photonischen und elektronischen Bauelementen zulässt, die sich so gegenseitig in ihrer Funktionalität ergänzen können. Durch den sehr hohen Brechungsindex von Silizium in Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums lassen sich hier sehr kompakte und verlustarme Wellenleiter herstellen, die einen Durchmesser von nur wenigen hundert Nanometern aufweisen. Diese ansonsten hilfreiche Eigenschaft stellt allerdings auch eine große Schwierigkeit dar, da das Koppeln von Siliziumphotonischen Wellenleitern an externe Komponenten mit Hilfe optischer Fasern von mehreren Mikrometern Durchmesser unter Umständen sehr verlustreich ist. In dieser Arbeit wird daher das Problem der Faser-Chip-Kopplung analysiert und Lösungen basierend auf siliziumphotonischen Faser-Gitterkopplern vorgestellt. Angefangen mit einem sehr einfachen Koppelgitter, das für den Wellenlängenbereich um λ=1310nm konzipiert ist und eine gemessene Koppeleffizienz von -3.8dB aufweist, werden weiter verfeinerte Gitterkoppler für die Betriebswellenlänge von λ=1550nm vorgestellt. Mit einer lokal auf dem Gitterkoppler gewachsenen epitaktischen Siliziumschicht werden 1.7dB Verlust erzielt, der weiter verringert werden kann, wenn - wie durch Simulationen gezeigt - ein zweiter Ätzschritt dem ansonsten uniformen Gitter hinzugefügt wird. Im Anschluss wird die Frage diskutiert, wie ein optimales Koppelgitter unter Einhaltung bestimmter technologischer Einschränkungen auszusehen hat, wenn man bedenkt, dass bereits eine leichte Nichtuniformität gute Verbesserungen der Koppeleffizienz zur Folge hat. Zwei metaheuristische Suchalgorithmen wurden eingesetzt und solche Koppelgitter zu erzeugen, die schlussendlich eine theoretische Koppeleffizienz von -0.7dB aufwiesen. Zusätzlich zu den bisherigen Untersuchungen wurden polarisationsteilende, zweidimensionale Gitter untersucht, die eine gemessene Koppeleffizienz von -5.8dB zeigten, wobei eine geometrische Transformation, die man an diesen Gittern vornehmen kann, dieses Wert noch einmal steigern kann. Die letzte Untersuchung befasst sich mit einem Gitter, das zur Kopplung von höheren Fasermoden konzipiert ist. Durch eine Beleuchtung des Koppelgitters von gegenüberliegenden Enden aus und durch die Ausnutzung der ersten höheren Mode des integrierten Wellenleiters können die Fasermoden LP01, LP11,a, LP11,b und LP21,a in zwei orthogonalen Polarisationen erzeugt werden.
To satisfy the ever increasing demand in bandwidth in modern communication systems, optical transmission is replacing the increasingly insufficient electronic communication devices. Although primarily employed for large distances, much research has been focused recently on the application of optical communication on much smaller ranges, such as chip to chip or even on-chip transmission. Integrating photonic components enables the conception of high speed transceivers, that are necessary for the multi-level transmission systems, which will provide the necessary bandwidth in years to come. The Silicon-on-Insulator platform is the prime candidate for this as it provides excellent properties for silicon photonic components and also enables the co-integration of optical functionality alongside with electronic devices, thus complementing the shortcomings of either technology. Due to the high refractive index in the near-infrared region of the electromagnetic spectrum, silicon provides for very compact waveguides of only a few hundred nanometers in size. However, this otherwise beneficial property states a problem when trying to connect a compact silicon waveguide with the external world: Coupling light between an optical fiber of several microns in size and a much smaller integrated waveguide is potentially a very lossy endeavor. This thesis addresses the problem of fiber-chip-coupling by means of silicon photonic grating couplers and describes solutions to varying problems and technological constraints. Starting with a very basic grating coupler designed for the vacuum wavelength λ=1310nm and offering a measured coupling efficiency of -3.8dB more complex and better performing gratings for the wavelength region around λ=1550nm are presented. With a locally grown epitaxial silicon layer on top of the grating coupler 1.7dB coupling loss were achieved, which was shown by simulations could be further improved by making use of a second grating etch step to the otherwise uniform grating. Following this line of thought, the question was raised, how an optimal grating should be composed, given that non-uniformity may enhance the coupling efficiency. Two metaheuristic search algorithms were employed to generate such gratings, which resulted in a theoretical coupling efficiency of -0.7dB. Furthermore, polarization splitting grating couplers were investigated showing a coupling efficiency of -5.8dB and it was shown, that using a geometrical transformation on the grating coupler this could be further improved. The last grating demonstrated, is designed for the coupling of higher order fiber modes. By illuminating the grating from opposing ends and by utilizing the first higher order mode of the integrated waveguide the fiber modes LP01, LP11,a, LP11,b and LP21,a in two orthogonal polarizations could be excited.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-67974
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4818
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4521
Exam Date: 30-Mar-2015
Issue Date: 30-Jun-2015
Date Available: 30-Jun-2015
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Faserkoppelgitter
Integrierte Optik
Siliziumphotonik
Fiber chip interface
Fiber grating coupler
Integrated optics
Optical interconnects
Silicon photonics
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