Cécile Jamois

Silicon-Based Planar Photonic Crystals for Application to Dispersion Compensation

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 16.06.2004

Abstract
Das Prinzip und die Realisierbarkeit von Dispersionskompensatoren in IOSOI (insulator-on-silicon-on-insulator, SiO2/Si/SiO2)-basierten planaren photonischen Kristallen ist bewiesen worden. Der zu realisierende Dispersionskompensator soll voll kompatibel zu anderen integrierten (elektrischen als auch optischen) Modulen werden. Dafür muss er in einen "silicon-on-insulator" (SOI) Chip integriert werden. Dabei ist die Zielvorgabe, die Dispersion eines einzelnen Kanals mit 40 GHz Bandbreite bei 1.55 Ám Wellenlänge zu kompensieren. Wegen der dünnen Silizium Schichtdicke und dem hohen Indexkontrast zwischen dem Silizium und den zwei Oxyd Deckschichten, ist das Verhalten des planaren photonischen Kristalls dreidimensional, und es kombiniert die Eigenschaften eines zwei-dimensionalen photonischen Kristalls mit denen eines planaren Wellenleiters. Nach theoretischer Untersuchung der Eigenschaften des planaren photonischen Kristalls wurde ein Wellenleiterdesign ausgewählt und verbessert, um es als Dispersionskompensator einsetzen zu können. Fragestellungen wie die Lichtbeschränkung, die Radiationsverluste, oder die Existenz von "Claddingmoden" wurden untersucht. Zum Abschluss der Untersuchung wurde auch auf Fragen der Lichteinkopplung in den Wellenleiter eingegangen. Auch wenn die mit der Standardsiliziumtechnologie kompatible experimentelle Herstellung solcher Module sehr aufwendig ist, konnte gezeigt werden, dass sie möglich ist. Darüberhinaus wurde gezeigt, dass kleine experimentelle Unzulänglichkeiten, welche durch Prozess-schwierigkeiten entstehen, durch die Injektion von freien Ladungsträgern nachträglich kompensiert werden können.

The principle and the feasibility of dispersion compensators in planar photonic crystals based on the insulator-on-silicon-on-insulator (IOSOI, SiO2/Si/SiO2) system were demonstrated. This dispersion compensator should compensate for the dispersion of a single-wavelength channel with a bandwidth of 0.4 nm, corresponding to 40 GHz at 1.55 Ám wavelength, and be integrated into a silicon chip, in order to be compatible with other electrical and optical integrated devices. Due to the small thickness of the silicon core and the high index contrast between the core and the oxide claddings, the behaviour of the IOSOI system is fully three-dimensional and combines the properties of a two-dimensional photonic crystal with those of a planar waveguide. Performing theoretical studies on the properties of this planar photonic crystal, a design of a dispersion compensator taking into account several requirements for a good device functionality was elaborated and optimized. Issues like the light confinement, the radiation losses and the existence of cladding modes were addressed, as well as their consequences on the device properties. Light coupling from an integrated ridge waveguide into the photonic crystal waveguide used as the dispersion compensator was also discussed. Though challenging, the experimental fabrication of such devices, compatible with the standard silicon technology, was demonstrated. Moreover, a theoretical estimate showed that the small experimental imperfections, arising from the process difficulties, may be compensated after fabrication by tuning via free-carrier injection.

Keywords:
planarer photonischer Kristall, Wellenleiter, Bandstruktur, Dispersionskompensation, Lichtkopplung, SOI, Ätzen

planar photonic crystal, waveguide, band structure, dispersion compensation, light coupling, SOI, etching

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Abstract, Zusammenfassung, Contents (1, 1-3)
1. Motivation (4-18)
2. Study of the Bulk Photonic Crystal Slab (19-43)
3. Design of the Dispersion Compensator (44-68)
4. Experimental Fabrication (69-89)
5. Conclusion and Outlook (90-92)
6. Appendix: Atlas of Waveguide Designs (93-104)
List of Abbreviations (105)
Bibliography (106-112)
List of Publications (113-114)