Development of a silicon oxynitride integrated photonics platform

One of the remarkable applications of integrated photonics concerns the field of quantum optics, thanks to the superior advantages in terms of scalability and miniaturization that this approach provides. However, the implementation of complex quantum optical schemes requires not only the compactness, but also the minimization of the device insertion losses. These two demands are often in contrast, since they are affected by the critical choice of the refractive index contrast of the waveguides. Nowadays, two main photonic platforms offer different solutions: on one hand, technologies like silicon photonics provide a high index contrast, allowing the reduction of the minimum bending radius supported by the waveguide; on the other hand, platforms like silica-on-silicon feature a lower index contrast, allowing reduced scattering losses, high fiber-to-waveguide coupling efficiency and low tolerance sensitivity. Lying between these two platforms, SiOxNy offers an outstanding performance by coping with both the demands of high integration density and low losses. The uniqueness of SiOxNy resides in its optical properties, such as the low absorption on a wide wavelength range and the adjustable refractive index. This thesis work was carried out in PoliFAB, the micro- and nanofabrication facility of Politecnico di Milano, with the aim of developing an in-house technological platform based on SiOxNy. We designed the waveguides for both 800 and 1550 nm wavelengths and, after that, we focused on their fabrication. We finely optimized each step of the process, accordingly to the equipment available in our fabrication facility and, in the end, we realized and characterized a test device.

L’ottica quantistica si presenta come una delle applicazioni piú affascinanti della fotonica integrata, grazie ai recenti progressi raggiunti in termini di scalabilitá e di miniaturizzazione. L’implementazione ottimale di sistemi ottici complessi richiede non solo la compattezza dei componenti, ma anche la minimizzazione delle perdite di inserzione. Queste due caratteristiche sono tuttavia in contrapposizione, in quanto entrambe influenzate del contrasto d’indice delle guide d’onda. Attualmente le principali piattaforme tecnologiche offrono soluzioni opposte: da una parte, la fotonica basata sul silicio fornisce un alto contrasto d’indice, permettendo la riduzione dei raggi di curvatura; dall’altra, la tecnologia denominata silica-on-silicon, consente di ottenere un contrasto d’indice piú basso e di conseguenza la diminuzione delle perdite dovute allo scattering e l’accoppiamento piú efficiente con la fibra. Tra questi due sistemi si pone il SiOxNy, che offre performance eccellenti, per l’alta integrazione e le basse perdite. L’unicitá del SiON risiede nelle sue proprietá ottiche, in particolare il basso assorbimento su un vasto intervallo di lunghezze d’onda e un indice di rifrazione variabile tra 1.46 a 2.02. Questo progetto di tesi é stato condotto in PoliFAB, il contro di microe nano-fabbricazione del Politecnico di Milano, con lo scopo di sviluppare una piattaforma tecnologica propria basata sul SiOxNy. Abbiamo studiato il design delle guide d’onda a 800 e 1550 nm di lunghezza d’onda, dopodiché ci siamo focalizzati sulla fabbricazione. Ne abbiamo ottimizzato ogni passaggio, in relazione alle apparecchiature disponibili nel laboratorio, e in fine abbiamo realizzato un dispositivo di prova.