Efficient coupling between optical fibers and photonic integrated circuits

Abstract

The progress that photonic integration is undergoing may be compared to that of electronic integration nearly half a century ago. Its development will not only enable the transmission of huge amounts of information – particularly in optical data communication – but will also pave the way for large scale fabrication, the minimization of assembly processes, and the reduction in energy consumption. The benefits of photonic integration can even be increased by harnessing the salient properties of the silicon-on-insulator platform. In fact, silicon photonics can leverage the existing complementary metal-oxide-semiconductor infrastructure, and hence can offer a low-cost solution for the more and more complex sender and receiver architectures.

Another advantage of the silicon-on-insulator platform is the possibility for high-density integration owing to the offered large index contrast between silicon and silicon dioxide. This property certainly enables the realization of compact circuitries with numerous functionalities on very small areas; however, it also creates a barrier to the connection with available optical fibers. While the integrated waveguide structures on the chip have cross sections in the order of 0.1 µm², external optical fiber cores possess dimensions of more than 50 µm². This large mismatch can lead to extreme insertion losses, and hence the advantage of miniaturization turns into a problem of coupling with the existent conventional fibers.

At first view, the issue highlighted may be seen as trivial since several standard coupling techniques, such as tapered fibers or lensing systems, are available. Nevertheless, the stringent requirements for high efficiency, compact dimensions, and more flexible coupling in industrial applications indicate that better performing configurations have to be implemented. For this purpose, a variety of approaches starting from three-dimensional tapers to photonic crystals and plasmonic structures have been proposed. Each of these techniques, however, offers more cons than pros, and thus none of them have yet made the leap into practical application.

Within the scope of this thesis, two different coupling approaches are investigated. The first method deals with metamaterials, which allow for the realization of effects not seen in nature. The second method is based on more application-oriented structures, known as Bragg gratings. The common purpose of both topics is the concrete realization of highly efficient couplers that alleviate the size difference between conventional optical fibers and integrated single-mode silicon waveguides. As a benchmark, the coupling efficiency has to exceed the value of –1 dB, whereas the 1 dB bandwidth has to be larger than 35 nm in order to cover the whole C-band.

The investigation of focusing metamaterial structures is done first at millimeter wavelengths owing to the fabrication and characterization convenience. The main target of this approach is to create a negatively refracting material that can focus an input beam into a much smaller spot size at a short distance. Furthermore, the negative index metamaterial has to exhibit low reflection and absorption losses, and hence high transmissivity in a large frequency range. Thereafter, the dimensions of the focusing metamaterial lens are scaled down in order to analyze their applicability at telecommunication wavelengths.

The metamaterial functional layer is designed based on the dielectric-metallic fishnet structure and fabricated using conventional etching techniques. The designed metamaterial stack exhibits a high transmissivity of nearly –0.5 dB with a negative refractive index of –1 at the operating frequency 38.5 GHz and a 1 dB bandwidth of 0.8 GHz. The measurement results are shown to be in good agreement with the theoretical calculations. Thereafter, in order to achieve a focusing metamaterial lens, the shape of the stack is modified to form a plano-concave configuration. This structure shows good focusing ability with a reduction of the launched beam waist by a factor of 2.2 at a distance of only 6 λ0. In comparison, a fabricated aspheric dielectric lens exhibits twice the beam waist at a distance of more than 12 λ0. The negative index lens, therefore, is a good candidate to replace conventional lenses at radio frequencies owing to its better focusing performance and more compact dimensions.

Indeed, scaling the dimensions of the lens down to infrared wavelengths theoretically shows a similar behavior with a beam width reduction by a factor of 3.8 at a distance of 8.7 λ0, which is advantageous for nanocoupling between optical fibers and integrated waveguides. However, the considerable metal losses decrease the total efficiency to lower than –2 dB. Hence, the target efficiency cannot be achieved, and alternative solutions have to be used in the future in order to compensate for these absorption losses at optical frequencies.

The second coupling method investigated in this thesis relies on Bragg diffraction gratings. In comparison to the first method, these structures have the advantage of being directly integrated with the waveguides on the chip, and thus they can be realized more cost-effectively. Moreover, this procedure allows out-of-plane coupling and wafer-scale testing without the need for edge cleaving and polishing. These advantages make grating couplers good candidates to compete with the in-plane coupling spot size converters, which require a much larger footprint, provided that the efficiency is enhanced to the same order of magnitude.

As the coupling efficiency of standard diffraction gratings is relatively low, the loss sources have to be analyzed, and possible improvement methods have to be implemented. In fact, there are two main factors that limit the performance of grating couplers: directionality and modal overlap with the fiber profile. In this work, the first issue is tackled using a metal mirror at an adequate distance underneath the grating; the second factor, meanwhile, is rigorously optimized by reshaping the diffracted field profile based on a home-made algorithm. The theoretical results show efficiencies better than –0.3 dB with a 1 dB bandwidth larger than 40 nm.

The designed grating couplers, including the metal mirrors, are fabricated cost-effectively using a complementary metal-oxide-semiconductor compatible technological process at IMS CHIPS. Placed at different positions on the wafer, around 75% of the fabricated structures exhibit a better coupling efficiency than –0.75 dB. The highest value reaches –0.62 dB at 1531 nm, which is, to the best of knowledge, the highest measured efficiency on a grating coupler reported so far. Furthermore, the achieved 1 dB bandwidth amounts to 40 nm and exceeds the predefined target value. This work, therefore, can be seen as a milestone in the field of silicon photonics and a bridging gap between optical fibers and photonic integrated circuits.

Die photonische Integration hat in der näheren Vergangenheit beachtliche Fortschritte gemacht, ähnlich denen der Integration elektronischer Schaltkreise vor ca. fünfzig Jahren. Speziell für die optische Kommunikation wird diese rasche Entwicklung nicht nur die Übertragung größerer Datenmengen ermöglichen, sondern auch die kostengünstigere Massenproduktion, die Minimierung des Montageaufwands und die Reduzierung des Energieverbrauchs. Weitere Vorteile der photonischen Integration können erreicht werden, wenn für die Umsetzung die Silizium-Plattform dank der fortgeschrittenen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie genutzt wird. Somit können die zunehmend komplexen Sender- und Empfänger-Architekturen kostengünstiger hergestellt werden.

Die Silizium-Plattform bietet außerdem einen hohen Brechungsindexkontrast, was die Realisierung von kompakten photonischen Schaltungen auf kleinsten Chipflächen ermöglicht. Allerdings stellt die Miniaturisierung der Dimensionen ein Hindernis für die Anbindung an die vorhandenen optischen Glasfasern dar. Während die integrierten Wellenleiterstrukturen einen Querschnitt der Größenordnung 0,1 µm² haben, weist der optische Glasfaserkern eine Stirnfläche von 50 µm² auf. Dieser große Unterschied kann zu beträchtlichen Einfügungsverlusten führen, so dass ein bedeutendes Einkoppelproblem zwischen den integrierten Wellenleitern und den herkömmlichen Glasfasern auftritt.

Auf den ersten Blick könnte das Problem aufgrund der zahlreichen verfügbaren Einkoppelhilfen als trivial betrachtet werden. Diese beruhen auf konventionellen Methoden wie z.B. getaperten Glasfasern oder Linsensystemen. Allerdings fordern die strengen Spezifikationen in industriellen Anwendungen leistungsfähigere Methoden mit höherer Effizienz, kompakteren Dimensionen und flexiblerer Einkopplungstechnik. Für diesen Zweck wurde zwar eine Vielzahl von Ansätzen entwickelt, beginnend von dreidimensionalen Tapern bis hin zu photonischen Kristallen und plasmonischen Strukturen, aber keiner dieser Ansätze hat aufgrund diverser Nachteile den Sprung in konkrete Anwendungen geschafft.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei verschiedene Vorgehen zur Glasfasereinkopplung untersucht. Die erste Methode beruht auf den Metamaterialen, die neuartige, nicht in der Natur bekannte Effekte ermöglichen. Die zweite Methode befasst sich mit anwendungsorientierteren Strukturen, die als Bragg-Beugungsgitter bekannt sind. Das gemeinsame Ziel der beiden Themen ist die konkrete Realisierung von hocheffizienten Kopplern, die den abrupten Übergang zwischen konventionellen optischen Glasfasern und integrierten einmodigen Silizium-Wellenleitern verringern. Als Richtwert soll die Koppeleffizienz –1 dB übertreffen, während die 1 dB-Bandbreite größer als 35 nm sein soll, um das gesamte C-Band abzudecken.

Die Untersuchung der fokussierenden Metamaterialien wird im ersten Schritt bei Millimeterwellenlängen durchgeführt, da die Herstellung und die Charakterisierung der Strukturen einfacher als im Infrarot-Bereich sind. Das Hauptziel dieser Methode ist die Erzeugung eines negativen Brechungsindexes, um ebene Wellen in einen schmalen Fokus bei einem kleinen Abstand zu konzentrieren. Darüber hinaus muss das Negativ-Index-Metamaterial kleine Reflexions- und Absorptionsverluste in einer großen Bandbreite aufweisen. Anschließend werden die Dimensionen der fokussierenden plankonkaven Negativ-Index-Linse in den Mikrometer-Bereich herunterskaliert, um deren Einsatz bei der Telekommunikationswellenlänge 1550 nm zu untersuchen.

Die einzelnen Schichten des Metamaterials wurden basierend auf den dielektrisch-metallischen Fischnetz-Strukturen entworfen und mittels herkömmlicher Ätzverfahren gefertigt. Das simulierte Design zeigt eine hohe Transmission von ca. –0,5 dB mit einem negativen Brechungsindex von –1 bei der Betriebsfrequenz 38,5 GHz und einer 1 dB-Bandbreite von 0,8 GHz. Die Messergebnisse stimmen mit den theoretischen Berechnungen gut überein. Um eine fokussierende Metamaterial-Linse zu bekommen, wird die Form des Stapels in eine plankonkave Konfiguration umgestaltet. Die Linse zeigt gute Fokussierungsfähigkeiten mit einer Reduzierung der Strahlbreite um einen Faktor von 2,2 bei einem Abstand von nur 6 λ0. Im Vergleich zur Negativ-Index-Linse zeigt eine asphärische plankonvexe dielektrische Linse die doppelte Breite bei einem Abstand von über 12 λ0.

Auch nach der Herunterskalierung der Dimensionen zeigt die Negativ-Index-Linse bei einer Frequenz von 193,55 THz, was einer Wellenlänge von 1550 nm entspricht, theoretisch ein ähnliches Verhalten mit einer Reduzierung der Strahlbreite um einen Faktor von 3,8 bei einem Abstand von 8,7 λ0. Trotz der vorteilhaften Eigenschaften dieser Linse für die Einkopplung zwischen Glasfasern und integrierten Wellenleitern zeigen sich die Metallverluste besonders deutlich und reduzieren die Gesamteffizienz auf kleiner als –2 dB. Daher lässt sich die Zieleffizienz mittels Metamaterialien nicht erreichen, solange die Absorptionsverluste im optischen Bereich nicht kompensiert werden.

Die zweite Einkoppelmethode in dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Beugungsgittern. Diese Strukturen haben im Vergleich zur ersten Vorgehensweise den Vorteil, dass sie mit den integrierten Wellenleitern kostengünstiger auf dem Chip realisiert werden können. Außerdem bietet dieser Lösungsansatz eine zur Chipoberfläche nahezu senkrechte Einkopplung, und somit kann das Testen der Strukturen an einer beliebigen Stelle auf dem Wafer stattfinden, ohne dass es erforderlich ist, die Chips zu spalten und zu polieren. Des Weiteren besitzen die Beugungsgitter kompakte Dimensionen in der Größenordnung des Glasfaserkerns und können durch einfache adiabatische Taper oder fokussierende Ausfertigungen an die schmalen Wellenleiter angepasst werden.

Da die Koppeleffizienz von einem konventionellen Beugungsgitter relativ gering ist, werden die Verlustquellen analysiert. Hier stellen die niedrige Direktionalität und die geringe Modenüberlappung mit dem Glasfaserprofil die limitierenden Faktoren dar. Während die erste Begrenzung in dieser Arbeit durch einen metallischen Spiegel unterhalb des Gitters umgangen wird, wird der letzte Faktor durch Umgestaltung der einzelnen Gitterelemente optimiert. Die theoretischen Ergebnisse zeigen mögliche Effizienzen von über –0,3 dB mit einer 1 dB-Bandbreite von mehr als 40 nm.

Die entworfenen Gitterkoppler einschließlich der Metall-Spiegel wurden kostengünstig mittels konventioneller Technologie-Verfahren am IMS CHIPS gefertigt. Etwa 75% der hergestellten Strukturen auf dem Silizium-Wafer zeigen eine höhere Koppeleffizienz als –0,75 dB. Der beste Wert beträgt –0,62 dB bei einer Wellenlänge von 1531 nm. Dies entspricht der weltweit höchsten jemals gemessenen Effizienz. Darüber hinaus beträgt die 1 dB-Bandbreite 40 nm und übertrifft den vordefinierten Zielwert. Daher bietet diese Arbeit eine Lösung zum bekannten Einkopplungsproblem und schließt somit die Lücke zwischen Glasfasern und photonischen integrierten Schaltungen.