Multilayers for photonics and MEMS applications from VIS to LWIR

Today optics is replacing, or at least placing side by side with, electronics in different fields, not limiting to optical fibers but also inside datacenters or developing augmented reality tools. For this reason, the interest in new materials and technologies for light manipulation is higher than ever. Either if you want to measure the temperature of your children, to transmit a signal through an optical fiber or to monitor the working point of a complex circuit in different points all along it, you will need a light detector. My work focused on light detection at different wavelength ranges, covering all the aspects that bring to the final device, from the modelling to experimental characterization, not limiting on all-optical sensors but also optimizing MEMS sensors, doubling its sensitivity and tuning its field of view as required by industry standards. In this work you will find the design, fabrication and characterization of a monolithically integrated detector working in Visible range, with a validation on a developed Si3N4 platform at λ = 660 nm and 532 nm, the latter for both TE and TM polarization, achieving a responsivity of > 30 mA/W and a maximum dynamic range of 40 dB, making it able to work in very low-power applications. In the Near-Infrared spectrum we have developed a Power Thermal Stabilizer (PTS) integrated in a T iO2 waveguide. The device was developed exploiting a plasmonic approach based on Surface Plasmons, this allowed to obtain a very compact device (few μm) achieving a reponsivity of 7.5 μV/mW while driven by a current of only 25 μA and a dynamic range of 15 dB. Both the detectors just described demonstrated also fast time responses in the order of few μs, making them able to work in feedback control loops. Finally, in the LWIR wavelength range ( 8 ÷ 12 μm), we have optimized a CMOS- SOI thermal and presence detector developed by STMicroelectronics by means of a deep analysis of the multiple reflections occurring inside the multi layers that compose the device. The result of these analysis is a new stack for the device that experimentally demonstrated an increase in the sensitivity of more than 80%.

Oggi l’ottica sta, se non sostituendo, per lo meno affiancando l’elettronica in diversi campi, non limitandosi più solo alle telecomunicazioni, ma anche per quanto riguarda datacenters e applicazioni di realtà aumentata per fare alcuni esempi. L’avvento di nuove applicazioni, e quindi di nuove funzionalità, ha intensificato la ricerca di nuovi materiali e tecnologie per la manipolazione della luce. Sia che si voglia misurare la temperatura di un bambino, trasmette un segnale in fibra ottica o monitorare il punto di lavoro di un complesso circuito integrato, i rivelatori sono fondamentali. Questo lavoro di dottorato di ricerca si è focalizzato sulla rivelazione della luce a differenti lunghezze d’onda, coprendo tutti gli aspetti che hanno portato al dispositivo finale: dalla modellizzazione alla caratterizzazione sperimentale. Inoltre, il lavoro non si è limitato ai soli circuiti fotonici integrati, ma anche ad un lavoro di ottimizzazione di un sensore MEMS, che attraverso una migliore manipolazione della luce ha visto raddoppiare la sua sensitività ed il suo campo di vista, riuscendo a rientrare nelle specifiche che il mercato richiedeva. Per quanto riguarda il visibile, in questa tesi sono riportati il design, la fabbricazione e la caratterizzazione di un rivelatore monoliticamente integrato, validato su piattaforma basata su Nitruro di Silicio a λ = 660 nm e 532 nm, in entrambe le polarizzazioni TE e TM. Il dispositivo ha dimostrato una responsività maggiore di 30 mA/W ed un intervallo di lavoro pari a 40 dB, rendendolo quindi utilizzabile anche in applicazioni con livelli di potenza estremamente bassi. Per il vicino infrarosso invece, abbiamo realizzato un rivelatore in grado di attuare una stabilizzazione in temperatura, validato questa volta su guide d’onda basate su Ossido di Titanio (TiO2). Il dispositivo come disegnato e realizzato, è risultato veramente compatto, misurando pochissimi micrometri, ed ha dimostrato una responsività di 7.5 μV/mW, con una corrente di stimolo di soli 25 μA ed un range di lavoro di 15 dB. Entrambi i rivelatori integrati riportati hanno inoltre dimostrato di avere tempi di risposta nell’ordine di pochi microsecondi, candidandoli per lavorare in circuito di controllo basati su retroazione. La tesi si conclude con il lavoro svolto nel lontano infrarosso ( 8 – 12 μm), che è consistito nell’ottimizzazione di un sensore di temperatura e presenza realizzato in piattaforma CMOS-SOI e sviluppato da STMicroelectronics. In questo caso il lavoro è stato di ottimizzazione di un dispositivo MEMS attraverso l’analisi delle molteplici riflessioni che avvengono all’interno dei vari strati costituenti il dispositivo. Il risultato di questa ottimizzazione è stata una completa rivisitazione del multistrato che ha portato ad un incremento della sensitivity del dispositivo di oltre l’80%.