Wavelength-versatile GaSb Light Emitters for Hybrid Photonics Integrated Circuits

Abstract

Integroitu fotoniikka mahdollistaa fotoniikkaan perustuvat ratkaisut yhä useammissa sovelluksissa. Erityisesti 2 – 3 µm aallonpituudella toimivien integroitujen fotoniikkapiirien (Photonic Integrated Circuit, PIC) kehitys on viime aikoina avannut tien pienikokoisten optisten sensorien kehitykseen. Tämä on vaatinut uudentyyppisten, näihin sovelluksiin räätälöityjen, keski-infrapuna-alueella toimivien fotoniikan komponenttien kehitystyötä. Tämä väitöskirjatyö on keskittynyt parantamaan laajakaistaisten valoa emittoivien puolijohdesirujen suorituskykyä ja näiden sirujen integrointia osaksi PIC:n muodostamaa toiminnallista piiriä. Erityisesti väitöstyö tutkii PIC:n käyttöä valonlähteen spektrin suodattamiseen ja säätämiseen. Valonlähteet on valmistettu gallium-antimoni (GaSb)-puolijohteesta, jonka tyypin-I kvanttikaivot on suunniteltu siten, että ne vahvistavat valoa voimakkaasti ja leveällä kaistalla sekä luovat vähähäviöisen rajapinnan piifotoniikkapiiriin. Kehitetyt sirut hyödyntävät valon vahvistusta puolijohteessa ja toimivat joko: i) superluminoivina LED:inä (superluminescent diode, SLD), jotka tuottavat laajan spektrin, josta voi poimia alikaistoja hyödyntää sovelluksissa, tai; ii) heijastavina optisina vahvistimina (Reflective Semiconductor Optical Amplifier, RSOA). Työssä valmistetut SLD:t sisältävät kaviteettia vaimentavan (Cavity supression,CS) elementin, joka mahdollistaa korkean tehon ja injektiotason yhdessä laajakaistaisen spektrin kanssa. RSOA:t on suunniteltu mahdollistamaan matala kytkentähäviö PIC:n aaltojohteeseen.

PIC-teknologia-alustan keskeinen vaatimus oli hyvä läpinäkyvyys 2 – 3 µm:n aallonpituusalueella. Tästä syystä hybridi-integrointiin valittiin kaksi aaltojohdeteknologia-alustaa: µm-skaalassa paksua SOI-teknologiaa hyödyntävä aaltojohde ja ohuempi piinitridiä piin päällä (silicon nitride-on-insulator, SNOI) hyödyntävä aaltojohde. GaSb- ja PIC-aaltojohteiden kytkennässä tavoiteltiin matalaa kytkentähäviötä ja yksinkertaista valmistusprosessia. Tämä saavutettiin tuomalla aaltojohteet yhteen fasetit vastakkain ja suunnittelemalla kummatkin sirut tätä prosessia varten.

Ensimmäiset kehitetyt sirut mahdollistivat korkean (60 mW) ulostulotehon 2 µm aallonpituudella hyödyntäen CS-elementtiä. Myöhemmin teho tuplattiin 120 mW:n ennätystasolle käyttämällä sirugeometriaa, jossa valo kulkee aaltojohteen läpi kahdesti. Tämä siru mahdollisti 1.8 mW/nm tehotiheyden. 2 µm alueen lisäksi väitöskirjatyö demonstroi mW-tason SLD-siruja 2.55 – 2.6 µm aallonpituusalueella. Saavutettua tehotasoa voidaan pitää ehdottomana huipputasona SLD:lle. Lisäksi hyvä säteenlaatu mahdollisti korkean kytkentähyötysuhteen aaltojohteiden välillä. SLD-tulosten lisäksi väitöskirja demonstroi 2 µm:n alueella GaSb/SOI DBR laserin 6 mW teholla, hyödyntäen flip-chip -teknologiaa ja 15 mW GaSb/SNOI säädettävää laseria. Säädettävä laser perustui Vernier-kaviteettiin, joka saavutti hyvin laajan säätöalueen 1977 nm ja 2026 nm välillä. Kaikki edellä mainitut valonlähdedemonstraatiot edesauttavat synnyttämään validoidun työkalupaketin, joka hyödyntää GaSb, SOI ja SNOI teknologiaa. Nämä uudet työkalut ovat keskeisiä, kun tulevaisuudessa hyödynnetään integroitua fotoniikkaa spektroskooppisissa sovelluksissa 2+ µm aallonpituusalueella.

Photonics integration is experiencing a growing interest as an enabling technology for many photonics applications. In particular, the development of photonic integrated circuits (PICs) operating within a 2 – 3 µm wavelength region has recently emerged as a solution for developing compact optical sensors. This leads to new requirements in terms of functionality and triggers new development of optoelectronics components tailored for mid-IR photonics integration. To this end, this thesis is focused on the development of spectrally broadband light emission chips for the 2 – 3 µm wavelength and their integration with PICs. In particular, the work aims at using PIC-based functionality for wavelength filtering and tuning. The light-emitting chips utilize gallium antimonide (GaSb) type-I material systems targeting high gain, broad emission, and efficient coupling to silicon photonics platforms. These chips are based on the operation principle of light amplification in semiconductor media and function as i) superluminescent diode (SLD), generating a broad spectrum that can be sliced on demand, or ii) reflective semiconductor optical amplifier (RSOA), which is used in an external cavity laser with tunable wavelength. The SLDs used in this thesis incorporate a cavity suppression (CS) element that enables high injection current and high output power while maintaining spectral broadness. The RSOAs have been designed for enabling low coupling losses with PIC.

The choice of the PIC platform is based on the broad transparency window in 2 – 3 µm wavelength. Therefore, micron-scale thick waveguide silicon-on-insulator (SOI) and a relatively thinner silicon nitride-on-insulator (SNOI) PIC platforms are chosen for hybrid integration. The hybrid integration between the GaSb chip and PIC is achieved by end-fire coupling, targeting low coupling loss and simplicity of the integration process. The low-loss PIC components were designed and customized for hybrid lasers at 2 µm wavelength.

As a first result, a high output power single-pass SLD enabled by CS element with about 60 mW output power at around 2 µm is demonstrated. The output power is doubled by implementing double-pass architecture emitting a record of 120 mW output power and 1.8 mW/nm power spectral density. Then the efforts were directed to demonstrate SLDs with mW level output power operating at around 2.5 – 2.6 µm. These SLDs represent the state-of-the-art performance for this operation wavelengths and exhibited a good beam quality that is paramount for the efficient coupling with PICs. Furthermore, an on-chip GaSb/SOI distributed Bragg reflector laser emitting 6 mW output power at around 2 µm was demonstrated using the flip- chip mounting technique. Finally, a compact GaSb/SNOI hybrid Vernier laser emitting about 15 mW at around 2 µm and exhibiting a very broad tuning range between 1937 nm to 2026 nm is demonstrated. All these demonstrations form a new toolbox for GaSb, SOI, and SNOI components that are validated for operating in PIC-based architectures with functionality at 2 µm and beyond. These developments are instrumental for the advancement of mid-IR integrated photonics and its penetration to high-impact applications in sensing and spectroscopy.