Silicon oxycarbide technology for integrated photonics

Materials and their characteristics are the backbone of any technological field. The advancement of a technology demands novel materials with appealing properties. Integrated photonics is considered as emerging technology of 21st century. The fundamental block of integrated photonics technology is a waveguide that propagates photons. The waveguides can be used to design devices with enhanced functionality for telecommunication, optical signal processing, control and sensing. Unlike microelectronics, several material platforms in addition to silicon are being used in integrated photonics. The major passive waveguide platforms in integrated photonics are based on dielectrics. The well-established dielectric material platforms include doped-silica, silicon oxynitride and silicon nitride. These platforms have their own advantages and disadvantages and none of them can fulfill the needs of photonics applications such as CMOS compatibility, high index reconfigurability and low losses. The primary theme of this doctoral dissertation is to develop a dielectric platform that is CMOS compatible, widely index tunable, low loss, efficiently reconfigurable and can be integrated with typical dielectrics. To this aim, silicon oxycarbide (SiOC) a novel class of glass compounds has been exploited. Reactive RF magnetron sputtering was employed to deposit a system of silicon oxycarbide thin films over a wide composition range and large refractive index window from silica to amorphous silicon carbide. The films properties were investigated in greater detail to assess its potential for micro-photonic device fabrication. Further to advance the development of the platform, medium-to-high contrast photonic waveguides in silicon oxycarbide system were realized employing microfabrication process. The classical characteristics of the waveguides have been measured in the commercial telecom window to reveal its transparency and potential for photonic applications. Silicon oxycarbides have been investigated for possible application in reconfigurable photonic integrated systems. The record high thermooptic effect in silicon oxycarbides has been discovered that is one order of magnitude larger than typical dielectric platforms. As a further exploitation, integration of silicon oxycarbide with conventional dielectrics resulted in power efficient phase actuators that is a great achievement. Within the scope of this work, we have been successful in developing a versatile platform with appealing characteristics of refractive index tunability providing low losses in the telecom wavelength range and efficient reconfigurability that was not possible with other typical dielectric platforms.

I materiali e le loro caratteristiche sono alla base di qualunque evoluzione tecnologica. La fotonica integrata è considerata una delle tecnologie abilitanti del 21° secolo. Elementi fondamentali di questa tecnologia sono le guide d'onda, cioè strutture in grado di propagare fotoni e manipolare fasci di luce su chip ottici e che permettono di realizzare dispositivi con funzionalità avanzate per le telecomunicazioni, elaborazione, controllo e rilevamento del segnale ottico. A differenza della microelettronica, dove si è affermata la tecnologia del silicio, nella fotonica integrata sono al momento impiegate diverse piattaforme tecnologiche, sia dielettriche che a semiconduttore. Le piattaforme dielettriche offrono vantaggi per la realizzazione di dispositivi passivi , e utilizzano come materiali principalmente silica opportunamente drogata, ossinitruro di silicio (SiON) e nitruro di silicio (Si3N4). Al momento non esiste una piattaforma vincente perché nessuna di queste può soddisfare le esigenze delle varie applicazioni fotoniche, come la miniaturizzazione dei dispositivi, basse perdite, tunabilità dell’indice di rifrazione e compatibilità CMOS. Il tema principale di questa tesi di dottorato è lo sviluppo di una piattaforma dielettrica CMOS compatibile, con indice di rifrazione tunabile su un intervallo di valori elevato, basse perdite, utilizzabile per la realizzazione di dispositivi efficientemente riconfigurabili e integrabile con altre piattaforme dielettriche. A questo scopo è stata sviluppata la tecnologia in ossicarburo di silicio (SiOC). Per la deposizione di questo materiale è stata impiegata una tecnica di magnetron sputtering RF che permette di modificare l’indice di rifrazione del SiOC in modo controllato dal valore della silica (SiO2) a quello del carburo di silicio (SiC) amorfo. Le proprietà dei film sono state studiate in maggiore dettaglio per valutare il suo potenziale per la fabbricazione di dispositivi micro-fotonici. Inoltre sono state realizzate guide d'onda in SiOC e sono state valutate le prestazioni nella finestra di lunghezze d’onda utilizzata per le telecomunicazioni dimostrando elevata trasparenza e potenzialità per le applicazioni fotoniche. Relativamente all’impiego della tecnologia SiOC per sistemi integrati fotonici riconfigurabili, i risultati riportati in questo lavoro dimostrano che il materiale sviluppato possiede un coefficiente termoottico estremamente elevato, un ordine di grandezza maggiore delle tipiche piattaforme dielettriche, tale da permettere la realizzazione di attuatori di fase estremamente efficienti dal punto di vista energetico. La possibilità di selezionare in modo semplice e accurato l'indice di rifrazione del materiale, le basse perdite in un ampio intervallo di lunghezze d’onda del vicino infrarosso, e l’efficiente risposta termootica rendono il SiOC un materiale estremamente promettente e versatile per le applicazioni fotoniche integrate.