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Ecriture directe de circuits optiques plans dans des couches minces de silice sur silicium par ablation au laser de dioxyde de carbone

Ozcan, Lutfu Celebi.   Ecole Polytechnique, Montreal (Canada) ProQuest Dissertations Publishing,  2008. NR37135.

Abstract (summary)

Passive components used in integrated optics have been a subject of extensive research in the last few years. The fabrication of optical planar waveguides is mainly done by lithography which includes several chemical processes and the use of photo-masks. However, this fabrication technique requires a significant investment in infrastructure since specialized installations are necessary to carry out the processing using several sequential steps. Other emergent techniques of direct laser writing have to some extent addressed the issue of reducing the number of steps involved. Silica is one of the materials most used for manufacturing optical planar circuits. Silica has a strong absorption at 10,6 μm which is the wavelength of the CO2 laser. The goal of this thesis is to show the possibility of manufacturing optical waveguides by a new technique based on a direct writing scheme using CW CO2 laser, in silica thin films on silicon deposited by PECVD. Instead of writing the waveguide by changing the refractive index of the material, this new technique ablates by the laser adjacent grooves on both sides of what becomes the core of the waveguide. The width and the depth of these grooves can be controlled by modifying the spatial profile of the laser beam and by altering the experimental parameters such as the irradiated power and the writing speed. The zone thermally affected by the laser was studied and the results showed a decrease in the refractive index of the glass close to the guiding layer. The waveguides fabricated in a few seconds by this technique, are thus buried and exhibit low insertion losses. The experimental results and simulations obtained by the Beam Propagation Method (BPM) lead us to the optimization of the direct writing process using a CO2 laser to fabricate waveguides and thus allow the manufacturing of a 1 × 4 power splitter based on the multimode interferences principle. The optical performances of the power splitter are comparable with devices produced commercially. The direct CO2 laser writing scheme is very promising and attractive as it is potentially able to eliminate a large number of processing steps required for manufacturing waveguides, as well as in reducing the manufacturing time by a significant amount.

Alternate abstract:

Les composants passifs realises en optique integree sont un sujet de recherche en pleine expansion ces dernieres annees. La fabrication de circuits optiques plans se fait principalement par des precedes de lithographie qui comprennent des precedes chimiques et impliquent l'utilisation de masques. Cependant, cette technique de fabrication demande un investissement en materiel important puisque des installations specialises sont necessaires. D'autres techniques emergentes par ecriture directe au laser sont venues pallier les problemes precedemment evoques. La silice est l'un des materiaux les plus utilises pour la fabrication de circuits optiques plans et celle-ci presente une forte absorption a 10,6 um qui est la longueur d'onde du laser CO2. Ce travail de these a pour but de montrer la possibilite de fabriquer des guides d'ondes plans dans des couches minces de silice deposees par PECVD par une nouvelle technique basee sur 1'ecriture directe avec un laser CO2 operant en mode continu. Plutot que d'ecrire le guide d'onde par un changement d'indice de refraction du materiau, ce dernier est grave a l'aide du laser de facon a realiser des rainures de part et d'autre de ce qui deviendra le coeur du guide. La largeur et la profondeur de ces rainures peuvent etre controlees en modifiant le profil spatial du faisceau laser et en choisissant adequatement les parametres experimentaux tels que la puissance irradiee et la vitesse d'ecriture. La zone affectee thermiquement par le laser a ete etudiee et les resultats ont montre une decroissance de l'indice de refraction dans la couche guidante. Les guides d'ondes obtenus en quelques secondes par cette technique sont done enterres et presentent de faibles pertes d'insertion de l'ordre de 0,34 dB/cm. Les resultats experimentaux et les simulations obtenues par la methode des faisceaux propages BPM nous ont conduit a 1'optimisation du precede d'ecriture directe par laser CO2 de guides d'ondes et ont ainsi permis la fabrication d'un separateur de puissance 1x4 base sur le principe d'interferences multimodales. Les performances optiques du separateur de puissance sont comparables a celles des dispositifs produits par l'industrie. Cette technique de fabrication est tres prometteuse puisqu'il faut environ une vingtaine de secondes pour fabriquer une structure complexe telle qu'un diviseur de puissance 1 *4.

Indexing (details)


Subject
Optics;
Materials science
Classification
0752: Optics
0794: Materials science
Identifier / keyword
Applied sciences; Pure sciences; Carbon dioxide lasers; Thin films
Title
Ecriture directe de circuits optiques plans dans des couches minces de silice sur silicium par ablation au laser de dioxyde de carbone
Alternate title
Direct Writing of Planar Optical Circuits in Thin Layers of Silica on Silicon by Laser Ablation of Carbon Dioxide
Author
Ozcan, Lutfu Celebi
Number of pages
141
Publication year
2008
Degree date
2008
School code
1105
Source
DAI-B 69/03, Dissertation Abstracts International
Place of publication
Ann Arbor
Country of publication
United States
ISBN
978-0-494-37135-0
University/institution
Ecole Polytechnique, Montreal (Canada)
University location
Canada -- Quebec, CA
Degree
Ph.D.
Source type
Dissertation or Thesis
Language
French
Document type
Dissertation/Thesis
Dissertation/thesis number
NR37135
ProQuest document ID
304818463
Copyright
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Document URL
https://www.proquest.com/docview/304818463/abstract