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Modulador de fase electroóptico basado en guías de onda híbridas de nitruro de silicio y titanato de bario.
Phase Electro-Optic Modulator Based on Hybrid Waveguides of Silicon Nitride and Barium Titanate.
Guillermo Itzcualt Acosta Armenta
Wencel José de la Cruz Hernández
FRANCISCO ANTONIO DOMINGUEZ SERNA
Acceso Abierto
Atribución
Moduladores electroópticos, guías de onda ópticas, interferómetro, circuitos fotónicos.
Electro-optic modulators, optical waveguides, interferometer, photonic circuits.
Este documento aborda el diseño, análisis y optimización de moduladores electroópticos basados en interferómetros Mach-Zehnder (MZI), desarrollados sobre una plataforma híbrida de nitruro de silicio (SiN) y titanato de bario (BTO). Este apilamiento de materiales da lugar a una guía de onda de naturaleza híbrida, puesto que el núcleo de la guía de onda está formado por SiN y BTO. El diseño se fundamenta en análisis numéricos de guías de onda híbridas, considerando factores importantes como el radio de curvatura y su impacto en la transmitancia. Asimismo, se examinan divisores de potencia 1×2 y acopladores direccionales, evaluando su viabilidad para integrarse en los moduladores electroópticos basados en MZI. El trabajo incluye propuestas específicas para la configuración de moduladores MZI, basado en su desempeño bajo diferentes voltajes y geometrías a una longitud de onda de operación de 1550 nm. Estas simulaciones se realizaron utilizando el software Lumerical. También se estudió la aplicación del interferómetro Mach-Zehnder integrado en la preparación de cúbits de camino óptico, analizando su funcionamiento bajo condiciones experimentales realistas. Por otro lado, para el proceso de fabricación de estos dispositivos, se exploraron estrategias para la optimización de los procesos desarrollados en el Laboratorio Nacional de Nanofabricación, LaNNaFab, del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la Universidad Autónoma de México. Esto incluyó el análisis y ajuste de las condiciones de depósito de películas delgadas de SiN y BTO, así como su caracterización mediante elipsometría. Se determinaron los parámetros óptimos para la fabricación de guías de onda de SiN mediante fotolitografía láser y se exploraron métodos de decapado, tanto en seco como en húmedo, logrando estructuras con anchos superiores a 3 micrómetros. Las guías fabricadas fueron caracterizadas utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía electrónica de barrido (SEM), lo que permitió confirmar el diseño estructural de las muestras obtenidas. Estos resultados proporcionan información clave para el desarrollo de procesos de diseño y fabricación con miras a aplicaciones futuras en circuitos fotónicos integrados y tecnologías cuánticas.
This document addresses the design, analysis, and optimization of electro-optic modulators based on Mach-Zehnder interferometers (MZI), developed on a hybrid platform of silicon nitride (SiN) and barium titanate (BTO). This material stack results in a hybrid waveguide, as the waveguide core is composed of SiN and BTO. The design is based on numerical analyses of hybrid waveguides, considering important factors such as the radius of curvature and its impact on transmittance. Additionally, 1×2 power splitters and directional couplers are examined to assess their feasibility for integration into MZI-based electro-optic modulators. The work includes specific proposals for the configuration of MZI modulators based on their performance under different voltages and geometries at an operating wavelength of 1550 nm. These simulations were carried out using Lumerical software. The study also explores the application of the integrated Mach-Zehnder interferometer for the preparation of path-encoded qubits, analyzing its performance under realistic experimental conditions. Furthermore, for the fabrication process of these devices, strategies were explored to optimize the processes developed in the LaNNaFab laboratory at CNyN-UNAM. This included the analysis and adjustment of the deposition conditions for thin films of SiN and BTO, as well as their characterization via ellipsometry. Optimal parameters were determined for the fabrication of SiN waveguides using laser photolithography and etching methods both dry and wet were explored, achieving structures with widths greater than 3 micrometers. The fabricated waveguides were characterized using atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM), confirming the structural design of the obtained samples. These results provide key insights for the development of design and fabrication processes with a view toward future applications in photonic integrated circuits and quantum technologies.
CICESE
2025
Tesis de maestría
Español
Acosta Armenta, G.I. 2025. Modulador de fase electroóptico basado en guías de onda híbridas de nitruro de silicio y titanato de bario. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 112 pp.
OPTICA FÍSICA
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