MEMS-based planar optical switching solutions with integrated silicon nitride photonics for telecommunication applications

Sharma, Suraj (2024). MEMS-based planar optical switching solutions with integrated silicon nitride photonics for telecommunication applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High power consumption and long-and-complex assembly procedures have increased production costs related to optical systems used in data centers around the world. Such systems also rely upon optical-electrical-optical (OEO) conversion for switching optical signal in the telecommunication channel(s). Microfabrication technology can make complex optical systems which do not require the energy intensive OEO conversion a reality at low cost. Microelectromechanical systems (MEMS) have been integrated with silicon (Si) photonics components for low power optical switching solutions in the past. Such integration provides limited flexibility in the control over Si based optical components and Si based movable MEMS layer because both often use the same Si device layer in a conventional silicon-oninsulator (SOI) wafer. SOI-based MEMS integration with silicon nitride (SiN) photonics components enables independent control over optical component and MEMS designs. Lower scattering loss due to sidewall roughness, less sensitivity to width variations, and wide operating wavelength range make SiN a promising alternative to Si. Current optical switching solutions with SiN rely upon thermal tuning of optical components Mach-Zehnder interferometers (MZI) and micro-ring resonators. This kind of optical switching consumes high power and operates at high temperature. Also, the operating wavelength range is limited by the optical filter design. In this thesis, we propose a PhD project on the design, optimization, and integration of SOI-based MEMS actuators with SiN photonics for optical switching with wide operation wavelength range. The platform developed during this project integrates MEMS actuators with SiN channel waveguides to implement 1 x 3 and 1 x 5 optical switches with minimal optical transmission loss, low power consumption, and wide operational wavelength range. Minimizing the optical loss in a MEMS based SiN optical switch requires residual stress management and precise design engineering. Commercial multi-user fab process PiezoMUMPs was used to validate MEMS designs before integration with SiN waveguides. Various aspects leading to optical loss in a MEMS integrated SiN optical switch were investigated for performance improvement. The realized 1 x 5 optical switch has an operating wavelength range of 1540 nm to 1625 nm with a minimum average insertion loss of 2.2 dB and a maximum average insertion loss of 7.5 dB. The 1 x 5 optical switch operates at ≤ 90 V with the optical loss reduction mechanism working at 120 V.

Résumé traduit

La consommation d'énergie élevée et les procédures d'assemblage longues et complexes ont augmenté les coûts de production liés aux systèmes optiques utilisés dans les centres de données du monde entier. De tels systèmes reposent également sur une conversion optiqueélectrique- optique (OEO) pour commuter le signal optique dans le(s) canal(s) de télécommunication. La technologie de microfabrication peut faire des systèmes optiques complexes qui ne nécessitent pas de conversion OEO énergivore une réalité à faible coût. Dans le passé, des systèmes microélectromécaniques (MEMS) ont été intégrés à des composants photoniques en silicium (Si) pour des solutions de commutation optique de faible puissance. Une telle intégration offre une flexibilité limitée dans le contrôle des composants optiques à base de Si et de la couche MEMS mobile à base de Si, car les deux utilisent souvent la même couche de dispositif en Si dans une tranche de silicium sur isolant (SOI) classique. L'intégration de MEMS basés sur SOI avec des composants photoniques en nitrure de silicium (SiN) permet un contrôle indépendant des conceptions de composants optiques et de MEMS. Une perte de diffusion plus faible due à la rugosité des parois latérales, une moindre sensibilité aux variations de largeur et une large plage de longueurs d'onde de fonctionnement font du SiN une alternative prometteuse au Si. Les solutions de commutation optique actuelles avec SiN reposent sur le réglage thermique de composants optiques tels que l'interféromètre Mach- Zehnder (MZI) et les résonateurs à micro-anneaux. Ce type de commutation optique consomme beaucoup d’énergie et fonctionne à haute température. De plus, la plage de longueurs d'onde de fonctionnement est limitée par la conception du filtre optique. Dans cette thèse, nous proposons un projet de doctorat sur la conception, l'optimisation et l'intégration d'actionneurs MEMS basés sur SOI avec photonique SiN pour la commutation optique avec une large plage de longueurs d'onde de fonctionnement. La plate-forme développée au cours de ce projet intègre des actionneurs MEMS avec des guides d'ondes à canal SiN pour mettre en oeuvre des commutateurs optiques 1 x 3 et 1 x 5 avec une perte de transmission optique minimale, une faible consommation d'énergie et une large plage de longueurs d'onde opérationnelles. Minimiser la perte optique dans un commutateur optique SiN basé sur MEMS nécessite une gestion des contraintes résiduelles et une ingénierie de conception précise. Le processus de fabrication commercial multi-utilisateurs PiezoMUMPs a été utilisé pour valider les conceptions MEMS avant l'intégration avec les guides d'ondes SiN. Divers aspects conduisant à une perte optique dans un commutateur optique SiN intégré MEMS ont été étudiés pour améliorer les performances. Le commutateur optique 1 x 5 réalisé a une plage de longueurs d'onde de fonctionnement de 1540 nm à 1625 nm avec une perte d'insertion moyenne minimale de 2,2 dB et une perte d'insertion moyenne maximale de 7,5 dB. Le commutateur optique 1 x 5 fonctionne à ≤ 90 V avec le mécanisme de réduction des pertes optiques fonctionnant à 120 V.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 227-246).
Mots-clés libres:	MEMS, optique, photonique, nitrure de silicium, actionneur électrostatique, actionneur piézoélectrique, PiezoMUMPs
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Codirecteur:	Codirecteur Ménard, Michaël
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	21 nov. 2024 19:11
Dernière modification:	21 nov. 2024 19:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3505

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