Cavidades Fotónicas de Fosfuro de Galio (GaP) para Telecomunicaciones

Abstract

[ES] El fosfuro de galio (GaP) es un semiconductor del grupo indirect-bandgap utilizado para aplicaciones ópticas en estado sólido debido a su elevado índice de refracción, altas propiedades no lineales y gran band-gap electrónico. En este trabajo final de máster se investigan las propiedades y ventajas de cavidades optomecánicas (OMC, del inglés optomechanical cavities) fabricadas con GaP en comparación con las basadas en Silicio. Se incluye tanto el estudio teórico como la caracterización experimental de cavidades OMC suspendidas utilizando longitudes de onda para telecomunicaciones en tercera ventana. Las cavidades GaP se han fabricado en obleas fotónicas compatibles con semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) de bajo coste por lo que proporcionan dispositivos muy compactos (en el rango de µm^2). La evaluación teórica se realiza mediante simulación con COMSOL Multiphysics para la resolución por elementos finitos y el análisis de las resonancias ópticas incluyendo su factor de calidad (Q-factor) y los efectos termo-ópticos. La evaluación experimental se ha llevado a cabo en los laboratorios del Instituto Universitario de Tecnología Nanofotónica (NTC) de la UPV incluyendo tanto la fabricación del loop de fibra suspendida para inyectar y extraer la luz de la cavidad por acoplo evanescente, como la caracterización de la respuesta óptica de estas nuevas cavidades basadas en GaP en aplicaciones de telecomunicación. La respuesta óptica de la cavidad se ha medido tanto en transmisión como en reflexión para diferentes configuraciones de potencia de entrada y longitudes de onda. Una de las particularidades de esta investigación es que las OMCs están diseñadas para tener dos resonancias en la banda de longitudes de onda de 1520 a 1640 nm, lo que permite utilizarlas para diferentes aplicaciones como conmutación ultra-rápida o retardo de diferentes señales.

[EN] Gallium phosphide (GaP) is an indirect-bandgap semiconductor used for solid-state optical applications due to its optical properties with high refractive index, non-linear properties and large electronic band-gap. This master's thesis investigates the properties and advantages of optomechanical cavities (OMCs) fabricated with GaP compared to those based on Silicon. We include the theoretical study and experimental characterization of suspended OMC cavities using telecommunication wavelengths in the third window. GaP cavities are fabricated on low-cost complementary metal-oxide-semiconductor CMOS-compatible photonic wafers, providing very compact devices (in the range of µm^2). The theoretical study is conducted through simulation using COMSOL Multiphysics for finite element resolution. The study comprises the analysis of the optical resonances of the cavity, including its quality figure measurement (Q-factor) and the evaluation of the thermo-optical effects. The experimental evaluation is carried out in the laboratories of the Nanophotonic Technology Center (NTC) of UPV including the preparation of the fiber loop used to inject and extract the light into the cavity by optical evanescent coupling and the complete characterization of the optical response of these new GaP-based cavities for telecom applications. The optical response of the cavity is evaluated both in transmission and reflection for different input power levels and wavelength configurations. One of the particularities of this research is the OMC design that provides two resonances in the wavelength range from 1520 to 1640 nm, enabling different applications such as ultra-fast switching or delaying of different signals.