Development of new photonic devices based on barium titanate in silicon

Abstract

Integration of complex optical functionalities with high performance will lead to a huge development in the field of nanophotonics for a broad range of applications. Silicon photonics is currently the leading technology for the implementation of low-cost photonic integrated devices. The great potential of this technology relies on its compatibility with the mature silicon integrated circuits manufacturing based on complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes widely used in microelectronic industry and the availability of high quality silicon-on-insulator wafers, an ideal platform for creating planar waveguide circuits that offers strong optical confinement due to the high index contrast between silicon (n=3.45) and silicon dioxide (n=1.45). In order to keep improving the performance of photonic devices on silicon, the integration of CMOS compatible materials with unique properties shows up as an excellent opportunity to overcome the current limitations in silicon while offering unprecedented and novel capabilities to the silicon platform. In this way, barium titantate (BaTiO3) stands out as one of the most disruptive candidates. The work developed in this thesis is essentially focused on the design, fabrication and characterization of an electro-optic modulator based on a hybrid BaTiO3 on silicon structure for the implementation of high performance electro-optic functionalities with beyond state-of-the art performance that currently cannot be afforded in silicon photonics technology.

La integración de funcionalidades ópticas con alto rendimiento llevará a un gran desarrollo en el campo de la nanofotónica para un amplio abanico de aplicaciones. Actualmente, la fotónica de silicio es la tecnología líder para la implementación de dispositivos fotónicos integrados a bajo coste. El gran potencial de esta tecnología reside en su compatibilidad con las maduras técnicas de fabricación de circuitos integrados de silicio basadas en los procesos "complementary metal-oxide semiconductor" (CMOS) ampliamente utilizados en la industria microelectrónica y la disponibilidad de disponer de obleas de silicio sobre aislante de alta calidad, una plataforma ideal para crear circuitos de guía de ondas planas que ofrecen un fuerte confinamiento óptico debido al alto contraste índices entre el silicio (n=3,45) y el dióxido de silicio (n=1,45). Para poder mejorar el rendimiento de dispositivos fotónicos en silicio, la integración de materiales con propiedades excepcionales y compatibles con los procesos de fabricación CMOS surge como una excelente oportunidad para superar las actuales limitaciones de la tecnología de silicio al mismo tiempo que ofrece oportunidades novedosas y sin precedentes en la plataforma de silicio. En este sentido, el material titanato de bario (BaTiO3) se postula como uno de los candidatos más prometedores. El trabajo desarrollado en esta tesis está esencialmente enfocado en el diseño, fabricación y caracterización de un modulador electro-óptico basado en una estructura híbrida de BaTiO3 en silicio para la implementación de funcionalidades electro-ópticas de alto rendimiento más allá del estado del arte de las que no se puede disponer actualmente en la tecnología de fotónica de silicio.

La integració de funcionalitats òptiques amb alt rendiment portarà a un gran desenvolupament en el camp de la nanofotònica per a un ampli ventall d'aplicacions. Actualment, la fotònica de silici és la tecnologia capdavantera per a la implementació de dispositius fotònics integrats a baix cost. El gran potencial d'aquesta tecnologia resideix en la seva compatibilitat amb les madures tècniques de fabricació de circuits integrats de silici basades en els processos "complementary metal-oxide semiconductor" (CMOS) amplament utilitzats en la indústria microelectrònica i la disponibilitat de disposar d'hòsties de silici sobre aïllant d'alta qualitat, una plataforma ideal per crear circuits de guia d'ones planes que ofereixen un fort confinament òptic a causa de l'alt contrast d'índexs entre el silici (n=3,45) i el diòxid de silici (n=1,45). Per poder millorar el rendiment de dispositius fotònics en silici, la integració de materials amb propietats excepcionals i compatibles amb els processos de fabricació CMOS sorgeix com una excel·lent oportunitat per superar les actuals limitacions de la tecnologia de silici al mateix temps que ofereix oportunitats noves i sense precedents en la plataforma de silici. En aquest sentit, el material titanat de bari (BaTiO3) es postula com un dels candidats més prometedors. El treball desenvolupat en aquesta tesi està essencialment enfocat en el disseny, fabricació i caracterització d'un modulador electro-òptic basat en una estructura híbrida de BaTiO3 en silici per a la implementació de funcionalitats electro-òptiques d'alt rendiment més enllà de l'estat de l'art de les quals no es pot disposar actualment a la tecnologia de fotònica de silici.