Yekpare ve melez yalıtkan üstü silisyum tümleşik optik aygıtlar

üOZETü ü ËËYEKPARE VE MELEZ YALITKAN USTU SILISYUMü ËTUMLESIK OPTIK AYGITLARşËIsa KiyatFizik, DoktoraTez Yüneticisi: Prof. Dr. Atilla AydınlıoAğustus, 2005gElektronik endüstrisinin temel malzemesi olan silisyum son zamanlarda olasıufotonik ve tümleşik optik uygulamaları işin tekrar keşfedilmektedir. Silisyumu s c stümleşik optik konusundaki araştırma faliyetleri son on yılda hızlanmakta veu s shatta lider endüstri şirketlerinin de ilgisini cekmektedir. Dünya capindakı buu s ş u şcabaya katkı olarak, biz de bazı yekpare ve melez silisyum tümleşik optik aygıtlarış u stasarlayıp, uretip ve karakterize ettik. Bu cihazlar yüksek kalitede yalıtkanü uüustü silisyum (YUS) yongalar ustünde gerşekleştirildi. Tasarım işin ışın iler-üu üu c s c sËletme metoduna (IIM) dayalı nümerik benzeştirmeler ve analitik hesaplamalaru skullanıldı.Ë üIlk kez ışığı TE ve TM bileşenlerine ayıran bir YUS cihazının calıştığınısg s ş sgü sırt dalga kılavuzunun polarizasyongüsterdik. Boyutları küculdükşe bir YUSo uş ü u cbağımlılıgı artmaktadır. Bu ï¬kir kullanılarak bir doğrusal ciftleyici polarizasyong g şüayırıcı tasarlanıp uretildi. Cihazda 1 µm boyutlarında YUS dalgakılavuzu kul-ülanılmaktadir. Bu kücuk cihazla (sadece 110 µm boyunda) 20 dB den büyükuş uuayırma oranları elde edilebilmektedir.üAynı geometrik yapıya sahip YUS dalgakılavuzları bir grup tek ve cift dal-şgakılavuzlu 20-500 µm yarışapli koşuyolu cınlaşları yapmak icin kullanıldı. Buc s ş ckoşuyolu cınlaşlarının tasarımları ayrıntılı olarak sunuldu. Bükülme kayıplarıs ş c uuË kullanılarak hesaplandı. Dalgakılavuzu cınlaşlarınınve ciftleme oranları IIMş ş canaliz ve tasarımı sırasında taramalı uş mikroskoplarında kullanılabilecek yenicbir mesafe sensürü ünerildi. Sensür yüksek ï¬nesli bir mikro halka cınlaşının cıkısouo ou ş c ştayfındaki bükülme nedenli degişiklikleri izleyerek calışmaktadır. Calısma pren-uu s şs şsipleri ve hasasiyet hesapları ayrıntlı olarak ele alındı.üş ü119000 kadar büyük Q-faktürlerine sahip YUS cınlaşları elde edildi. Bu YUSuu o cviviisırt dalga kılavuzlarına dayalı cınlaşlardan bu güne kadar elde edilen en yüksekş c u uQ-faktürüdür. 43 kadar büyük ï¬nes değerleri ve 15 dB modülasyon derinlikleriou u uu g uelde edildi. Yarışaplar 500 µm den 20 µm ye düşurülünce, serbest tayf aralıklarıc usü u u0.2 nm den 3.0 nm ye cıktı. Bu cınlaşların termooptik akordlanmaları ayrıcaş ş cincelendi. Yuksek Q-faktürlü bir cınlaş dalgaboyu seşici optik bir anahtar yapmakou ş c cişin kullanıldı. Cınlaş termooptik olarak tüm serbest tayf aralığı uzerinde yanlızc ş c u gü57 mW uygulayarak akord edilebilmektedir. Cihaz 210 kHz 3 dB kesim frekansıyladalgaboyu seşici optik anahtar olarak calışabilmektedir. Ayrıca iki dalgakılavuzluc şskoşuyolu cınlaşlarını kullanarak dalgaboyu ekleme/düşurme ï¬ltreleri geliştirildi.s ş c usü sDaha iyi ï¬ltreleme üzellikleri elde etmek icin asimetrik yatay ciftleme kullanıldıo şve -10 dB kadar düsük capraz sızma değerli ve 51000 Q-faktürlü ï¬ltreler eldeuu ş g ouedildi.üSon olarak bir tabaka aktarma yünteminin YUS işin kulanılmasını eleo cü yapısındaki silisyum tabakanınaldık. Büyle bir tabaka aktarması YUSoarka yüzeyinin ileri işlemler işin kulanılmasını sağlamaktadir. Bu metod ileu s c gsüünceden uretilmiş YUS dalgakılavuzları aktarılarak melez silisyum-polimer dal-o ügakılavuzları oluşturuldu. Benzocyclobutene (BCB) polimeri yapıştırmak işins s cü M-Z modülatürlerine teknolojinin olasıkullanıldı. Daha sonra, metod YUS uobaşka kullanımlarını kesfetmek işin uygulandı. Ayrıca polimer ve silisyum dal-s cgakılavuzlarına dayali asimetrik dikey ciftleyicileri inceledik ve melez bir teknolojişkullanarak urettik.üAnahtar süzcükler : Tümleşik optik, Yalıtkan ustü silisyum teknolojisi, Optiku s üuoudalgakılavuzları, Polarizasyon ayıraşları, Halka cınlaşları, Koşu yolu cınlaşları,c ş c s ş cMesafe sensürü, Dalgaboyu ekleme/şıkarma ï¬litrelerı, Melez bütünleştirme,ou c uu sYonga yapıştırma, Mach-Zehnder modülator, Asimetrik dikey ciftleyici .s u ş ABSTRACTMONOLITHIC AND HYBRIDSILICON-ON-INSULATOR INTEGRATED OPTICALDEVICESËIsa KiyatPhD in PhysicsSupervisor: Prof. Dr. Atilla AydınlıAugust, 2005Silicon, the basic material of electronics industry is rediscovered nowadays forits potential use in photonics and integrated optics. The research activity insilicon integrated optics have been speeding up during the last decade and evenattracting interest of leading industrial companies. As a contribution to this worldwide eï¬ort, we have designed, fabricated and characterized a class of monolithicand hybrid silicon integrated optical devices. These devices were realized onhigh-quality silicon-on-insulator (SOI) wafers. Beam propagation method (BPM)based simulations and analytical calculations were employed for the design.We have demonstrated for the ï¬rst time an SOI device that splits light intoits TE and TM components. An SOI rib waveguide becomes birefringent as itssize reduced. This idea is used to design and fabricate a directional coupler po-larization splitter based on geometrical birefringence. The device uses 1 µm sizedSOI waveguides. This compact device (only 110 µm in length) shows extinctionratios larger than 20 dB.SOI waveguides with the same geometry was used to realize a batch of singleand double bus racetrack resonators having radii in the range of 20 to 500 µm.Design of these racetrack resonators are presented in detail. The bending lossand coupling factor calculations were performed using BPM. During the designand analysis of waveguide resonators, we proposed a novel displacement sensorthat can be used for scanning probe microscopies. The sensor operates by meansof monitoring the changes in transmission spectrum of a high ï¬nesse micro-ringresonator due to stress induced by displacement. Operation principles and sensi-tivity calculations are discussed in detail.SOI resonators with quality factors (Q) as high as 119000 have been achieved.ivvThis is the highest Q value for resonators based on SOI rib waveguides to date.Finesse values as large as 43 and modulation depths of 15 dB were observed.Free spectral ranges increased from 0.2 nm to 3.0 nm when radius was decreasedfrom 500 to 20 µm. The thermo-optical tunability of these resonators were alsostudied. A high-Q racetrack resonator is used to develop a wavelength selectiveoptical switch. The resonator was thermo-optically scanned over its full freespectral range applying only 57 mW of electrical power. A low power of 17 mWwas enough to tune from resonance to oï¬-resonance state. The device functionedas a wavelength selective optical switch with a 3 dB cutoï¬ frequency of 210 kHz.We have also demonstrated wavelength add/drop ï¬lters using the same racetrackresonators with double bus. Asymmetric lateral coupling was used in order toget better ï¬lter characteristics. Filters with crosstalks as low as -10.0 dB andQ-factors of as high as 51000 were achieved.Finally, we introduce the use of a layer transfer method for SOI wafers. Sucha layer transfer results in the possibility of using the back side of the silicon layerin SOI structure for further processing. With this method, previously fabricatedSOI waveguides were transferred to form hybrid silicon-polymer waveguides. Ben-zocyclobutene (BCB) polymer was used as the bonding agent. The method is alsoapplied to SOI M-Z interferometers to explore the possibilities of the technology.We additionally studied asymmetric vertical couplers (AVC) based on polymerand silicon waveguides and fabricated them using a hybrid technology.Keywords: Integrated optics, Silicon-on-insulator technology, Optical waveguides,Polarization splitters, Ring resonators, Racetrack resonators, Displacement sen-sors, Wavelength add-drop ï¬lters, Thermo-optical eï¬ect, Wavelength selectiveoptical switch, Hybrid integration, Wafer bonding, Mach-Zehnder modulator,Asymmetric vertical coupler. 162