Toward a new generation of photonic devices based on the integration of metal oxides in silicon technology

Abstract

[ES] La búsqueda de nuevas soluciones e ideas innovadoras en el campo de la fotónica de silicio mediante la integración de nuevos materiales con prestaciones únicas es un tema de alta actualidad entre la comunidad científica en fotónica y con un impacto potencial muy alto. Dentro de esta temática, esta tesis pretende contribuir hacia una nueva generación de dispositivos fotónicos basados en la integración de óxidos metálicos en tecnología de silicio. Los óxidos metálicos elegidos pertenecen a la familia de óxidos conductores transparentes (TCO), concretamente el óxido de indio y estaño (ITO) y el óxido de cadmio (CdO), y materiales de cambio de fase (PCM) como el dióxido de vanadio (VO2). Dichos materiales se caracterizan especialmente por una variación drástica de sus propiedades optoelectrónicas, tales como la resistividad o el índice de refracción, frente a un estímulo externo ya sea en forma de temperatura, aplicación de un campo eléctrico o excitación óptica. De esta forma, nuestro objetivo es diseñar, fabricar y demostrar experimentalmente nuevas soluciones y dispositivos clave tales como dispositivos no volátiles, desfasadores y dispositivos con no linealidad óptica. Tales dispositivos podrían encontrar potencial utilidad en diversas aplicaciones que comprenden las comunicaciones ópticas, redes neuronales, LiDAR, computación, cuántica, entre otros. Las prestaciones clave en las que se pretende dar un salto disruptivo son el tamaño y capacidad para una alta densidad de integración, el consumo de potencia, y el ancho de banda.

[CA] La recerca de noves solucions i idees innovadores al camp de la fotònica de silici mitjançant la integració de nous materials amb prestacions úniques és un tema d'alta actualitat entre la comunitat científica en fotònica i amb un impacte potencial molt alt. D'aquesta temàtica, aquesta tesi pretén contribuir cap a una nova generació de dispositius fotònics basats en la integració d'òxids metàl·lics en tecnologia de silici. Els òxids metàl·lics elegits pertanyen a la família d'òxids conductors transparents (TCO), concretament l'òxid d'indi i estany (ITO) i l'òxid de cadmi (CdO), i materials de canvi de fase (PCM) com el diòxid de vanadi (VO2). Aquests materials es caracteritzen especialment per una variació dràstica de les propietats optoelectròniques, com ara la resistivitat o l'índex de refracció, davant d'un estímul extern ja siga en forma de temperatura, aplicació d'un camp elèctric o excitació òptica. D'aquesta manera, el nostre objectiu és dissenyar, fabricar i demostrar experimentalment noves solucions i dispositius clau com ara dispositius no volàtils, desfasadors i dispositius amb no-linealitat òptica. Aquests dispositius podrien trobar potencial utilitat en diverses aplicacions que comprenen les comunicacions òptiques, xarxes neuronals, LiDAR, computació, quàntica, entre d'altres. Les prestacions clau en què es pretén fer un salt disruptiu són la grandària i la capacitat per a una alta densitat d'integració, el consum de potència i l'amplada de banda.

[EN] The search for new solutions and innovative ideas in the field of silicon photonics through the integration of new materials featuring unique optoelectronic properties is a hot topic among the photonics scientific community with a very high potential impact. Within this topic, this thesis aims to contribute to a new generation of photonic devices based on the integration of metal oxides in silicon technology. The chosen metal oxides belong to the family of transparent conducting oxides (TCOs), namely indium tin oxide (ITO) and cadmium oxide (CdO), and phase change materials (PCMs) such as vanadium dioxide (VO2). These materials are characterized by a drastic variation of their optoelectronic properties, such as resistivity or refractive index, in response to an external stimulus either in the form of temperature, application of an electric field, or optical excitation. Therefore, our objective is to design, fabricate and experimentally demonstrate new solutions and key devices such as non-volatile devices, phase shifters, and devices with optical nonlinearity. Such devices could find potential utility in several applications, including optical communications, neural networks, LiDAR, computing, and quantum. The key features in which we aim to take a leapfrog are footprint and capacity for high integration density, power consumption, and bandwidth.