Silicon nitride waveguide optical filter components for access network applications

Bedi, Saurabh (2018). Silicon nitride waveguide optical filter components for access network applications. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Silicon nitride (SiN) waveguide based micro ring/racetrack resonators to be used as filters in the Chirp Managed Lasers (CMLs) are modelled and demonstrated over the standard silicon (Si) wafer. The development of these racetrack-resonators, with a narrow free spectral range (FSR) of 100GHz is in correspondence to the international telecommunication union (ITU) recommended channel grid spacing required for the latest next generation passive optical networks (NGPON2) systems. The study of such optical filters, which tend to increase the transmission range of the directly modulated laser (DML) signal, is motivated from the research and development directed towards bringing the CMLs to a reality. Also, a single SiN ring resonator and a silicon waveguide based cascaded 3-ring design, both integrated within the Y-splitter configuration are presented to be used as a reflector in external cavity laser. These ring reflectors are designed to have a broad FSR, which is achieved using the Vernier effect by serially coupling three racetrack resonators. In this thesis, we analyze and optimize the optical response of the above mentioned devices based on SiN waveguides deposited over silicon wafers. The design parameters are optimized based on analytical modelling and simulations are carried out with finite difference time domain (FDTD) solver. The devices are fabricated in different labs and clean room facilities within Montreal in collaboration with our industrial partner AEPONYX. The performance of these fabricated devices is characterized using an optical test setup in university lab facilities. The simulation and the measurement results are in close proximity for a large 4-port add-drop racetrack resonator, giving a FSR close to 100GHz specified for the NGPON2 systems and an extinction ratio (ER) of >15 dB to be useful for modulating the inherent chirp of the directly modulated lasers (DML) and thereby increasing the transmission range of the data signals. For the Si waveguide based cascaded 3rd order ring reflector, a wide FSR of 90.2 nm is achieved numerically and a FSR of around ~6.02 nm is demonstrated for the SiN single ring reflector experimentally which is in close proximity to the theoretical value of 6.2 nm.

Titre traduit

Filtres optiques en nitrure de silicium pour applications dans les réseaux d'accès

Résumé traduit

Des micro-résonateurs en anneau à base de guide d’onde en nitrure de silicium (SiN) sont modélisés et fabriqués sur une tranche de silicium (Si) afin d’être utilisés comme filtre dans des lasers conçus pour la modulation exaltée par le chirp (CMLs). Le développement de ces résonateurs, avec une plage spectrale libre (FSR) de 100 GHz correspondant à l'espacement des canaux recommandé par l'union internationale des télécommunications (ITU), est envisage pour la prochaine génération des systèmes de réseaux optiques passifs (NGPON2). L'étude de tels filtres optiques, qui augmente la portée de transmission du signal laser modulé directement (DML), est motivée par la recherche et le développement orientés vers la réalisation des CMLs. De plus, un résonateur en anneau en SiN simple et une autre incluant trois anneaux en cascade à base de guide d'ondes de silicium, tous deux intégrés avec un séparateur en Y, sont presents pour être utilisés comme réflecteur dans un laser à cavité externe. Ces réflecteurs annulaires sont conçus pour avoir un FSR large, qui est réalisé en utilisant l'effet de Vernier en couplant trois résonateurs de circuit en série. Dans cette thèse, nous analysons et optimisons la réponse optique des dispositifs mentionnés ci-dessus à base de guides d'ondes SiN déposés sur des plaquettes de silicium. Les paramètres de conception sont optimisés à partir d’une modélisation analytique et des simulations sont effectuées avec un algorithme des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Les composants sont fabriqués dans différents laboratoires et salles blanches à Montréal en collaboration avec notre partenaire industriel AEPONYX. La performance de ces dispositifs est caractérisée en utilisant un banc d'essai optique dans les laboratoires universitaires. Une bonne correspondance est observée entre les résultats de simulations et les mesures d'un grand résonateur de circuit à 4 ports, donnant un FSR proche de 100GHz tel que spécifié pour les systèmes NGPON2 et un taux d'extinction (ER) de plus de 15 dB. Cela rend ce composant utile pour moduler le chirp inhérent des lasers modules directement (DML), augmentant ainsi le ratio d’extinction des signaux de données. Pour le réflecteur annulaire de troisième ordre en cascade à base de guide d'onde en Si, un large FSR de 90,2 nm est atteint numériquement et un FSR d'environ 6,02 nm est démontré expérimentalement pour le réflecteur à un seul anneau en SiN, ce qui est très proche de la valeur théorique de 6,2 nm.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfilment for a master's degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 103-114).
Mots-clés libres:	résonateur en anneau, guide d'onde en nitrure de silicium, chirp géré laser, l'effet de Vernier, NGPON-2, anneau réflecteur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Codirecteur:	Codirecteur Ménard, Michaël
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	05 févr. 2019 18:51
Dernière modification:	05 févr. 2019 18:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2196

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