Monolithic integration of slow-light silicon photonic crystal slab waveguides, bends and Y-junctions.

A fotônica em silício é um campo de pesquisas emergente com grande potencial para contribuir com a resolução de alguns dos problemas tecnológicos da atualidade. O gargalo imposto por interconexões metálicas na expansão da taxa de transmissão de dados em sistemas de comunicação como os de computadores de alto desempenho talvez seja um dos maiores desafios a serem superados. A propagação de luz em baixas velocidades de grupo e com controle de dispersão é uma das linhas de pesquisa atuais nas quais se busca explorar de forma mais eficiente as propriedades ópticas do silício, e assim, aumentar a compatibilidade entre componentes fotônicos e a tecnologia CMOS (Complementary Metal- Oxide-Semiconductor) por meio da diminuição das dimensões e do consumo de energia de componentes ópticos ativos. Dessa forma, espera-se diminuir os custos de fabricação e viabilizar a produção em larga escala de dispositivos integrados optoeletrônicos, que poderiam ser utilizados em sistemas de comunicação de curtas distâncias e assim ampliar a largura de banda disponível. Investigações recentes têm demonstrado que a fabricação de dispositivos baseados em cristais fotônicos planares possui grande potencial para controlar simultaneamente a velocidade de grupo e a dispersão, além de permitir a redução do tamanho de elementos como curvas, divisores de potência e cavidades ressonantes devido ao efeito do confinamento dos campos através do bandgap fotônico. Dessa forma, esse trabalho aborda um estudo sobre a integração monolítica entre guias de onda, curvas de 60º e junções em Y que operam em baixas velocidades de grupo e com reduzida dispersão, construídos em cristais fotônicos planares formados por uma matriz periódica de furos em uma membrana de silício suspensa em ar. Essa investigação englobou atividades bastante intensivas, tanto de simulações por métodos numéricos, como de processos de fabricação dedicados à nanofotônica, assim como de caracterizações ópticas. Ao longo das discussões são identificados e analisados os mecanismos que afetaram de forma mais crítica a eficiência dos dispositivos propostos. Também foram avaliados os maiores problemas enfrentados nos processos de fabricação, e suas possíveis soluções foram apontadas. Os resultados demonstraram a possibilidade teórica de realizar tal integração de forma eficiente. O melhor entendimento sobre a relação entre a dispersão e os parâmetros geométricos dos guias de onda permitiram modelar curvas e divisores de potência que exibiram, respectivamente, larguras de banda em torno de 56 e 40 nm, cobrindo regiões do espectro com elevados índices de grupo. Foi possível fabricar cristais fotônicos com uma qualidade próxima das já reportadas na literatura sobre o tema e assim foram estabelecidas bases bastante sólidas para a fabricação de tais dispositivos localmente, sem a necessidade expressa de acessar centros de fabricação no exterior.Silicon photonics is an emerging research field that has great potential to contribute to solving some of the technological problems nowadays. Maybe, one of the greatest challenges to be overcome is the bottleneck imposed by electrical interconnections in the expansion of the bandwidth of communication systems such as those of high performance computers. Slow light propagation in dispersionless media is a hot topic in the current research fields that seek to more efficiently explore the silicon optical properties, and thus, increase the compatibility between photonic components and CMOS technology by decreasing the footprint and power consumption of active optical components. This way, the manufacturing costs it is expected to be reduced by making the large-scale production of integrated optoelectronic devices feasible, and so, they could be used in short distance communication systems to expand the available bandwidth. Recent researches has also shown that photonic crystal slab waveguides are very promising to simultaneously control group velocity and devices dispersion, as well as in the reduction of the size of elements such as bends, power splitters and nanocavities due to the fields confinement through the photonic bandgap effect. Thus, this work addresses a study of the monolithic integration of slow light and dispersionless waveguides, 60º bends, and Y-junctions fabricated in air-bridge photonic crystal slabs formed by the drilling of a periodic array of air holes in a silicon membrane. The research was accomplished with intensive activities in numerical simulations, as well as in nanophotonic manufacturing processes, and optical characterizations. Throughout the discussions were identified and analyzed the mechanisms that more critically affected the devices efficiency. The major problems faced in the manufacturing processes were also evaluated, and their possible solutions were pointed out. The results demonstrated a theoretical possibility of performing such integration more efficiently. Having a better understandment about the relation between the photonic crystal waveguides geometrical parameters and their dispersion allowed the modeling of bends and power splitters which exhibited 3 dB bandwidths that covered, respectively, ranges around 56 and 40 nm, along spectral regions with very high group indices. It was possible to fabricate photonic crystals with a quality close to those already reported in the literature on this subject and thus, very solid bases were established for the manufacture of such devices locally, without the necessity of accessing manufacturing centers abroad