Publication: Development of photonic integrated circuit techniques for widely tunable Mid-IR sources based on quantum cascade lasers
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Publication date
2015-11
Defense date
2015-11-30
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Abstract
In the last years, mid-infrared photonics has received renewed interest for a variety of applications. This spectral region provides a series of challenges from the technological point of view as light sources working in this span present limited wavelength tunability without the use of complex systems.
Consequently, miniaturization efforts allowing for the development of widely tunable mid-infrared sources are extensively discussed, as product development consists of separated mechanisms, such as light sources and passive components that are put together and therefore present individual limitations and bottlenecks that hinder the further development of these technologies.
Quantum Cascade Laser diodes are, from the optics point of view, one of the most common ways to generate mid-infrared light. Their properties, such as high integrability, operation at room temperature and reduced cost make them good technologies to implement in new systems. However, the limited tunability characteristics of these devices require the introduction of additional multiplexing stages in order to generate a single output device from the combination of several light sources.
The present thesis investigates the design and characterization of InP/InGaAs passive optical functions for the development of multiplexer structures for the 7 – 10 μm wavelength range.
This work is described in a series of logical steps, starting with the description of basic passive optical functions and a waveguiding analysis that allows for the identification of the most important design parameters in straight and bent waveguides, such as waveguide width, etching depth and minimum bending radius. By simulating different combination of those parameters, we have studied the modal behavior and loss characteristics as a function of the injected wavelength.
Based on those results, Y-junction based structures are designed and simulated as a first approach. However, they present large footprint areas, limiting their scalability and increasing propagation losses, as the size and number of ramifications increase as a function of the number of lasers to combine.
A second approach, based on Echelle grating structures, is proposed as an alternative, presenting smaller footprints and better scalability. A dual Echelle grating multiplexer was designed in order to further improve the channel crosstalk and crossing levels, with the added objective of reducing the footprint in these multiplexer schemes by dividing the number of multiplexed inputs into multiple subdesigns which are later coupled into a single waveguide output.
Results for the fabricated optical functions and basic Building Blocks are in agreement with the design and simulation results, confirming the feasibility of an InP/InGaAs epilayer structure to fabricate photonic building blocks to operate in the mid-infrared range. The characterization of the Echelle grating based multiplexers demonstrates the potential to monolithically integrate light generation and passive optical functions with an individual device. Despite having high insertion losses, a comprehensive review allows for better understanding of the device and suggests solutions for further improvements in the development of grating based mid-infrared multiplexers.
En los últimos años, la fotónica en rangos de frecuencia del infrarrojo medio ha recibido renovado interés para una gran variedad de aplicaciones. Esta región del espectro electromagnético presenta una serie de retos desde el punto de vista tecnológico, ya que las fuentes de luz que trabajan en ella presentan una limitada capacidad de sintonización sin el uso de sistemas complejos. En consecuencia, los esfuerzos de miniaturización que permitan el desarrollo de fuentes de luz ampliamente sintonizables en el infrarrojo medio son extensamente discutidas, ya que el desarrollo de esos productos consiste en dispositivos independientes, tales como fuentes de luz y componentes pasivos, que son ensamblados y por tanto presentan limitaciones individuales y cuellos de botella que limitan un mayor desarrollo de esas tecnologías. Los láseres de cascada cuántica son, desde el punto de vista de la óptica, una de las formas más comunes de generar luz infrarroja. Sus propiedades tales como su alta integrabilidad, operación en temperatura ambiente y reducido costo, los convierten en grandes opciones tecnológicas para integrar nuevos sistemas. Sin embargo, la limitada capacidad de sintonización de los mismos requiere la introducción de fases adicionales de multiplexado para generar dispositivos de una sola salida capaces de combinar múltiples fuentes de luz. La presente tesis investiga el diseño y la caracterización de funciones ópticas pasivas basadas en plataformas de InP/InGaAs para el desarrollo de multiplexores ópticos para el rango de longitudes de onda de 7 – 10 μm. Este trabajo es descrito en una serie de pasos lógicos, iniciando con la descripción de funciones ópticas básicas y un análisis de guías de onda que permite identificar los parámetros de diseño más importantes en guías de onda rectas y curvas, tales como el ancho, profundidad de guía y radio mínimo de curvatura. Al simular distintas combinaciones de valores para esos parámetros hemos estudiado el comportamiento modal y las características de pérdidas en función de la longitud de onda. Basado en esos resultados, el primer enfoque ha sido el desarrollo y simulación de estructuras basadas en uniones en Y. Sin embargo, estas presentan una gran superficie, limitando su escalabilidad y aumentando las pérdidas de propagación asociadas, ya que el tamaño y el número de ramificaciones involucradas aumenta en función del número de láseres que se desean multiplexar. Un segundo enfoque propuesto, basado en estructuras de rejilla (del inglés grating) del tipo Echelle, presenta menor superficie y mejor escalabilidad. Del mismo modo, se ha diseñado un esquema dual de estos dispositivos con el objetivo de mejorar aún más características como la interferencia entre canales y reducir el área total del dispositivo al dividir el número de entradas a multiplexar entre los distintos “subdiseños” que son después acoplados en una sola guía de onda de salida. Los resultados de la fabricación de estas funciones ópticas y Building Blocks corresponden con los resultados de la fase de diseño y simulación, confirmando la viabilidad de una plataforma basada en InP/InGaAs para la fabricación de bloques de funciones fotónicas operando en longitudes de onda en el infrarrojo medio. La caracterización de estos multiplexores ópticos basados en Echelle gratings demuestra el potencial de integración monolítica de funciones ópticas pasivas y fuentes de luz láser en un mismo dispositivo.
En los últimos años, la fotónica en rangos de frecuencia del infrarrojo medio ha recibido renovado interés para una gran variedad de aplicaciones. Esta región del espectro electromagnético presenta una serie de retos desde el punto de vista tecnológico, ya que las fuentes de luz que trabajan en ella presentan una limitada capacidad de sintonización sin el uso de sistemas complejos. En consecuencia, los esfuerzos de miniaturización que permitan el desarrollo de fuentes de luz ampliamente sintonizables en el infrarrojo medio son extensamente discutidas, ya que el desarrollo de esos productos consiste en dispositivos independientes, tales como fuentes de luz y componentes pasivos, que son ensamblados y por tanto presentan limitaciones individuales y cuellos de botella que limitan un mayor desarrollo de esas tecnologías. Los láseres de cascada cuántica son, desde el punto de vista de la óptica, una de las formas más comunes de generar luz infrarroja. Sus propiedades tales como su alta integrabilidad, operación en temperatura ambiente y reducido costo, los convierten en grandes opciones tecnológicas para integrar nuevos sistemas. Sin embargo, la limitada capacidad de sintonización de los mismos requiere la introducción de fases adicionales de multiplexado para generar dispositivos de una sola salida capaces de combinar múltiples fuentes de luz. La presente tesis investiga el diseño y la caracterización de funciones ópticas pasivas basadas en plataformas de InP/InGaAs para el desarrollo de multiplexores ópticos para el rango de longitudes de onda de 7 – 10 μm. Este trabajo es descrito en una serie de pasos lógicos, iniciando con la descripción de funciones ópticas básicas y un análisis de guías de onda que permite identificar los parámetros de diseño más importantes en guías de onda rectas y curvas, tales como el ancho, profundidad de guía y radio mínimo de curvatura. Al simular distintas combinaciones de valores para esos parámetros hemos estudiado el comportamiento modal y las características de pérdidas en función de la longitud de onda. Basado en esos resultados, el primer enfoque ha sido el desarrollo y simulación de estructuras basadas en uniones en Y. Sin embargo, estas presentan una gran superficie, limitando su escalabilidad y aumentando las pérdidas de propagación asociadas, ya que el tamaño y el número de ramificaciones involucradas aumenta en función del número de láseres que se desean multiplexar. Un segundo enfoque propuesto, basado en estructuras de rejilla (del inglés grating) del tipo Echelle, presenta menor superficie y mejor escalabilidad. Del mismo modo, se ha diseñado un esquema dual de estos dispositivos con el objetivo de mejorar aún más características como la interferencia entre canales y reducir el área total del dispositivo al dividir el número de entradas a multiplexar entre los distintos “subdiseños” que son después acoplados en una sola guía de onda de salida. Los resultados de la fabricación de estas funciones ópticas y Building Blocks corresponden con los resultados de la fase de diseño y simulación, confirmando la viabilidad de una plataforma basada en InP/InGaAs para la fabricación de bloques de funciones fotónicas operando en longitudes de onda en el infrarrojo medio. La caracterización de estos multiplexores ópticos basados en Echelle gratings demuestra el potencial de integración monolítica de funciones ópticas pasivas y fuentes de luz láser en un mismo dispositivo.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Mid-infrared photonics, Mid-IR, Quantum cascade lasers