Photo-thermal plasmonic detectors integrated in optical waveguides

In the past decade, Photonic Integrated Circuits (PICs) have gained popularity due to their increase in the scale of integration, architecture complexity, speed of data transmission, and high power efficiency. To develop PICs that can be reconfigured reliably, integration of on-chip power monitors and control systems that set and stabilize the working point of the PICs becomes necessary. This thesis work aims to design a plasmonic detector that exploits the photo-thermal effect to monitor the power in optical waveguides. Two different plasmonic structures, namely a Surface Plasmon Detector (SPD) in a TiO2 platform and a Hybrid Plasmonic Detector (HPD) in silicon-on-insulator (SOI) technology, are proposed. Detailed design guidelines to maximize the responsivity of both photo-thermal detectors are presented. The effects of the metal strip size in the coupling between the dielectric and plasmonic modes, the power dissipated in the metal, and the equivalent thermal resistance of the structure are investigated. The proposed plasmonic devices have been optimized by performing a 3D multiphysics study including an optical, thermal, and electrical analysis. A 1.6 µm-long surface plasmon detector made of gold has been integrated into a TiO2 rectangular waveguide and tested experimentally. The detector @ Ibias = 25 µA presents just 2.3 dB of insertion loss, responsivity equal to 7.5 [µV/mW], −20 dBm sensitivity, and 104 kHz bandwidth. This work has been developed at the Photonic Devices Laboratory of Politecnico di Milano.

Nell'ultimo decennio, i circuiti fotonici integrati (PIC) hanno guadagnato popolarità grazie all'aumento della scala di integrazione, complessità dell'architettura, velocità di trasmissione dei dati ed elevata efficienza energetica. Per sviluppare circuiti integrati che possano essere riconfigurati in modo affidabile, diventa necessaria l'integrazione di monitor di potenza su chip e sistemi di controllo che stabiliscano e stabilizzino il punto di lavoro dei PIC. Lo scopo di questo lavoro di tesi è progettare un rivelatore plasmonico che sfrutti l'effetto fototermico per monitorare la potenza nelle guide d'onda ottiche. Vengono proposte due diverse strutture plasmoniche, un rivelatore di plasmoni di superficie (SPD) in una piattaforma TiO2 ed un rivelatore plasmonico ibrido (HPD) in tecnologia silicon-on-insulator (SOI). Vengono presentate le linee guida di progettazione per un monitor di potenza fototermico al fine di massimizzare la responsività del dispositivo. Gli e etti del dimensionamento delle strisce metalliche sull'accoppiamento tra il modo dielettrico e plasmonico, la potenza dissipata nel metallo e la resistività termica sono studiati in dettaglio. I dispositivi plasmonici proposti sono stati ottimizzati attraverso uno studio multifisico 3D che include un'analisi ottica, termica ed elettrica. In ne, un rivelatore plasmonico SDP consistente in una striscia d'oro lunga 1.6 µm è stato testato sperimentalmente e si è dimostrato che ha solo 2,3 dB di perdita di inserzione, una responsività pari a 7,5 [µV/mW] e una sensibilità di −20 dBm @ Ibias = 25 µA e 104 kHz di larghezza di banda. Questo lavoro è stato sviluppato presso il Laboratorio di Dispositivi Fotonici del Politecnico di Milano.