Conception et caractérisation de composants photoniques sur silicium, nano-structurés à échelle sub-longueur d'onde, fabriqués par lithographie à immersion

Design and characterization of subwavelength grating (SWG) engineered silicon photonics devices fabricated by immersion lithography

• Auteur / Autrice : Warren Kut King Kan
• Direction : Carlos Alonso-Ramos, Daivid Fowler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 09/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Renversez, Gonzalo Wangüemert-Pérez, Daniel Benedikovic, Christian Seassal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilles Renversez, Gonzalo Wangüemert-Pérez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photolithographie

Circuits intégrés photoniques

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériau sub-Longueur d'onde

Photonique sur silicium

Lithographie à immersion

Interféromètre multi-Mode

Réseau de couplage

Antennes optiques à réseau de phase

Subwavelength grating metamaterials

Silicon photonics

Immersion lithography

Multi-Mode interference (MMI) coupler

Grating coupler

Optical phased array (OPA)

Résumé

La technologie photonique sur silicium s'appuie sur les procédés matures de fabrication de l'industrie du semi-conducteur pour produire des composants opto-électroniques à échelle industrielle. Les métamatériaux à base de réseaux sub-longueur d'onde permettent de contrôler le confinement du mode et la dispersion, et ont ainsi été implémentés pour démontrer des performances de pointe de composants photoniques intégrés. Les effets de diffraction et de réflexions sont supprimés dans les matériaux sub-longueur d'onde. Leurs dimensions sont petites et sont environ de 100 nm. Jusqu'à présent, la majorité des composants sub-longueur d'onde ont été fabriqués par lithographie électronique. Or, cette technique n'est pas compatible avec une production à large échelle. Aujourd'hui, la lithographie à immersion se déploie dans les fonderies photoniques sur silicium. Elle permet de définir des dimensions aussi petites que 70 nm, avec un modèle de correction d'effets optiques de proximité. Le but principal de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'utilisation de la lithographie à immersion avec la correction d'effets optiques de proximité pour la fabrication de composants photoniques sub-longueur d'onde de pointe. Ces composants ont été développés sur des plaques de 300 mm de diamètre au CEA-Leti. Trois composants ont été étudiés, chacun avec une spécificité technologique : i) un diviseur de puissance avec une seule étape de gravure complète, ii) un réseau de couplage puce-fibre alternant des gravures partielles et complètes, et iii) une matrice d'antennes optiques, couvrant une large surface, avec une étape de gravure partielle. Le diviseur de puissance est constitué d'un coupleur par interférométrie multi-mode (MMI) avec des réseaux sub longueur d'onde pour contrôler la dispersion des modes optiques et ainsi pour obtenirune très large bande passante spectrale, qui a été mesurée expérimentalement à 350 nm, et qui en bon accord avec les simulations. La bande passante d'un MMI conventionnel sans structures sub longueur d'onde n'est que de 100 nm environ. Le réseau de couplage puce-fibre s'appuie sur une géométrie en forme de « L », avec des structures sub-longueur d'onde gravés partiellement et complètement, pour augmenter l'efficacité de couplage. Celle-ci a été mesurée à -1.70 dB (68 %) à une longueur d'onde de 1550 nm et représente la meilleure performance pour une telle structure complexe, utilisant une technologie autre que la lithographie électronique. Néanmoins, la valeur mesurée est inférieure à la valeur simulée de 0.80 dB (83 %). Une des raisons principales de cette performance limitée est la sensibilité de cette structure aux erreurs d'alignement entre les deux étapes de gravure pendant la fabrication. L'antenne optique est constituée de structures sub longueur d'onde partiellement gravées pour obtenir une grande surface d'émission de 48 µm×48 µm, réduisant ainsi la divergence du faisceau. Cette antenne a été implémentée comme antenne unitaire dans une matrice 4×4 à réseau phasé avec un pas de 90 µm×90 µm. A une longueur d'onde de 1550 nm, le faisceau émis par l'antenne unitaire a une divergence à mi-hauteur mesurée de 1.40° et celui émis par la matrice d'antennes a une divergence à mi hauteur de 0.25°. Ces valeurs sont en accord avec les valeurs simulées. Ces résultats servent comme preuve de concept de l'implémentation d'une telle antenne dans une matrice à réseau phasé. En résumé, les résultats de cette thèse illustrent le grand potentiel de la lithographie à immersion avec la correction d'effets optiques de proximité pour la fabrication de composants photoniques sub- longueur d'onde, ouvrant ainsi la voie pour la commercialisation de ces derniers.

Silicon photonics technology leverages the mature fabrication processes of the semi-conductor industry for the large volume production of opto-electronic devices. Subwavelength grating (SWG) metamaterials enable advanced engineering of mode confinement and dispersion, that have been used to demonstrate state-of-the-art performance of integrated photonic devices. SWGs generally require minimum feature sizes as small as a 100 nm to suppress reflection and diffraction effects. Hitherto, most reported SWG-based devices have been fabricated using electron-beam lithography. However, this technique is not compatible with large volume fabrication, hampering the commercial adoption of SWG-based photonic devices. Currently, immersion lithography is being deployed in silicon photonic foundries, enabling the patterning of features of 70 nm, when used in conjunction with optical proximity correction (OPC) models. The main goal of this PhD is to study the feasibility of immersion lithography and OPC for the realization of high-performance SWG devices. The SWG devices developed here have been fabricated using the OPC models and 300 mm SOI wafer technology at CEA-Leti. Three devices have been considered as case studies, each with a specific technological challenge: i) a power splitter requiring a single full etch step, ii) a fiber-chip grating coupler interleaving full and shallow etch steps, and iii) an optical antenna array covering a large surface area with a shallow etch step. The power splitter is implemented using a SWG-engineered multi-mode interferometer (MMI) coupler. The SWG is used to control the dispersion of the optical modes to achieve an ultrawide operating spectral bandwidth. This device experimentally showed state-of-the-art bandwidth of 350 nm, in good agreement with simulations. Note that the bandwidth of a conventional MMI without SWG is around 100 nm. The fiber-chip coupler relies on an L-shaped geometry with SWG in full and shallow etch steps to maximize the field radiated towards the fiber. The measured coupling efficiency, of - 1.70 dB (68 %) at a wavelength of 1550 nm, is the highest value reported for an L-shaped coupler fabricated without electron-beam lithography. Still, this value differs from the calculated efficiency of 0.80 dB (83 %), and compares to experimental values achieved with fiber-chip grating couplers without SWG (~ -1.50 dB). One of the main reasons for the limited experimental performance is the strong sensitivity of the structure to errors in the alignment between the full and shallow etch steps. The optical antenna uses shallowly etched SWG teeth to minimize the grating strength, allowing the implementation of a large area emission aperture, of 48 × 48 µm, which is required to minimize the beam divergence. A two-dimensional (2D) optical phased array (OPA) with an antenna pitch of 90 µm × 90 µm, comprising 16 antennas was designed and fabricated. The SWG-based unitary antenna has a measured full width at half maximum divergence of 1.40° at a wavelength of 1550 nm, while the beam emitted from the phased array has a divergence of 0.25°, both in very good agreement with expected values. These results serve as a good proof-of-concept demonstration of this novel antenna architecture. In summary, the results shown in this PhD illustrate the great potential of immersion lithography and OPC for harnessing SWG-engineering, paving the way for their commercial adoption. Devices with full or shallow etch steps exhibited excellent performance close to that predicted by simulations. The fiber-chip grating couplers deviated from expected results, probably due to the tight fabrication tolerances associated with the combination of full and shallow etch steps.