Polymer-based waveguides and devices for photonic integrated circuits and sensing

This PhD work is focused on the development of polymer-based waveguides and devices and waveguides for integrated photonic circuits and sensing. The work covers all aspects of the device development starting with the initial device functionality concept followed by the simulation of the optical properties, then the lithographic design and the subsequent fabrication to the final device testing. Prior to the manufacture, the geometry and physical dimension of devices have been studied by simulating electromagnetic 2D modes as well as finite element methods for optical beam propagation. The devices have been designed using various CAD tools compatible with photomask manufacturing and CNC machining systems. The script generators are collected in an ad-hoc process design kit (PDK) for photonic chips. Existing manufacturing processes have been optimized and the technique of direct laser writing (DLW) has been improved. Devices have been manufactured not only by DLW, but also by conventional UV photolithography and e-beam lithography. Protocols for the depositing of controlled thin polymer layers by spinning have been established for various materials. Exposure dose tests have been performed reaching optimal dose for each material independently of lithography techniques employed. A photonic embedded device characterization setup for the visible light spectrum has been redesigned and optimized. The positioning accuracy of each part of the setup was greatly improved by adding motorized micrometric actuators. Liquid crystal (LC) as an active medium changing the optical properties of a waveguide and an integrated photonic device has been employed. A LC cell has been used as top cladding on a silicon nitride photonic chip. A Mach-Zehnder interferometer (MZI) was designed, in which one interferometric arm is exposed to the action of LC. By applying an electromagnetic field to the cell, LC molecules are reoriented, and hence the top cladding refractive index is modulated. It has been shown the variation of the MZI optical output intensity by applying an electric voltage to the LC cell. The entire production process flow has been validated by manufacturing a multimode interferometer (MMI) based on the polymers EpoCore and EpoClad. The device was fully designed, manufactured and characterized within this thesis. The chip layout was directly patterned into the polymer by e-beam lithography showing the adaptability of this material from UV- to electron-stimulated polymerization. Fabricated MMIs output power splitting ratio was characterized for an operating wavelength of 635 nm. Various device designs were manufactured and characterized to establish a PDK to be used to manufacture other MMIs on the same platform in the future. A very good correlation between the simulated and experimental measurements was revealed. This work aims to confirm polymer materials as a valid alternative to existing platforms for photonic integrated circuits (PICs) manufacture. Polymers are inexpensive compared with inorganic materials and the production process presented here can be potentially adapted to fast and cost-effective microfabrication methods, such as roll-to-roll or nanoimprint lithography. The compatibility of polymer-based integrated waveguides and devices with operation in the visible range and combination with flexible thin-film substrates, makes them a promising option to consider for the next PICs generation. Its impact will be superior in non-traditional fields, such as biosensing, in which inorganic materials have predominated so far and devices are designed to operate in the same wavelength bands historically used in telecommunications. Considering all of this, polymer PICs properties would be essential for Point-of-Care (PoC) applications and Lab-on-Chip development. RESUMEN Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de guías de onda y dispositivos para circuitos integrados fotónicos (PICs) basados en polímero. El trabajo engloba todos los aspectos del desarrollo de PICs, comenzando con el concepto inicial y la funcionalidad del dispositivo, seguido de la simulación de las propiedades ópticas y su diseño, su posterior fabricación y finalmente la validación. Antes de la fabricación, se ha estudiado la geometría y las dimensiones físicas de los dispositivos mediante la simulación de modos de propagación en 2D para guías de onda monomodo, y también mediante la simulación de elementos finitos de la propagación óptica en los dispositivos integrados. Los dispositivos han sido diseñados en varios lenguajes CAD tanto para la fabricación de máscaras de litografía, como para herramientas de mecanizado CNC. Los programas generadores de texto usados en los diseños se han recopilado en un kit de diseño de procesos (PDK) creado para chips fotónicos poliméricos. Se han optimizado los equipos de fabricación existentes y se ha mejorado la técnica de escritura láser directa (DLW). Los dispositivos se han fabricado utilizando DLW, y también fotolitografía ultravioleta y litografía por e-beam. Se han establecido protocolos para la creación de capas delgadas de polímero por el método de spin-coating en diversos materiales. Se han realizado pruebas para determinar la dosis óptima de exposición en cada técnica de litografía y para cada material estudiado. Se ha rediseñado y optimizado un montaje de caracterización de dispositivos fotónicos integrados para el espectro de luz visible. La precisión de posicionamiento del chip se mejoró notablemente mediante actuadores motorizados micrométricos. Se ha empleado el cristal líquido (LC) como medio activo que cambia las propiedades ópticas de la guía de onda y del dispositivo fotónico integrado. Para ello, se ha utilizado una célula de LC como capa superior en un chip fotónico de nitruro de silicio. El diseño del chip es un interferómetro de Mach-Zehnder (MZI), en el que la guía de onda de sensado está expuesta a la acción del LC. Se ha demostrado que la aplicación de un campo electromagnético a la celda de LC varía la intensidad de salida óptica del circuito fotónico. El proceso de producción en su totalidad ha sido finalmente validado mediante la fabricación de un dispositivo de interferencia multimodo (MMI), basado en los polímeros EpoCore y EpoClad. El dispositivo fue completamente diseñado, fabricado y caracterizado durante este proyecto. La fabricación se realizó mediante la técnica de litografía por e-beam que muestra la adaptabilidad de este material a la polimerización estimulada por electrones. La relación de potencia de salida óptica del MMI se caracterizó para una longitud de onda de 635 nm. Se fabricaron y caracterizaron varios diseños de MMIs para establecer un kit de diseño de procesos (PDK) que se utilizará para fabricar otros dispositivos integrados en la misma plataforma en el futuro. Se determinó que las medidas experimentales de la relación de potencias de salida óptica confirmaban los resultados de las simulaciones. Este trabajo pretende confirmar que los materiales poliméricos son una alternativa válida para la fabricación de circuitos integrados fotónicos (PICs). El método de producción mostrado puede fácilmente adaptarse para incluir métodos de fabricación más rápidos y rentables como el roll-to-roll y la nanoimpresión. Los dispositivos integrados hechos en polímero son compatibles con el funcionamiento en el espectro de luz visible y también con la integración en sustratos flexibles. Esto los convierte en una prometedora opción a considerar para la próxima generación de PICs. Su repercusión será mayor en campos no tradicionales, como los biosensores, en los que hasta ahora han predominado las plataformas basadas en materiales inorgánicos y los dispositivos son diseñados para operar en las bandas históricamente usadas en telecomunicaciones. De esta manera las propiedades de los PICs poliméricos serán esenciales para el desarrollo de aplicaciones de (PoC) o el Lab-on-Chip.