Fundamentals and Applications of On-Chip Interferometers Based on Deep-Etched Silicon-Air Multilayer Reflectors

Les technologies de gravure profonde de silicium par plasma peuvent être utilisées pour la fabrication de miroirs verticaux à alternance de couches de silicium et d'air. Comparativement aux miroirs hors-plan fabriquées par déposition de couches minces, ces miroirs verticaux peuvent être intégrés, de façon simple et monolithique, à une importante variété de dispositifs tels que des tranchées pour l'alignement passif de fibres optiques, des systèmes microfluidiques, des guides d'ondes et des microsystèmes d'actionnement électromécaniques (MEMS). Par contre, tous les dispositifs rapportés à ce jour se sont montrés affectés par d'importantes pertes d'insertion (> 10 dB) lesquelles se sont traduites, dans la majorité des cas, par de faibles capacités de confinement de la lumière (ex: faibles finesses dans le cas d'interféromètres Fabry-Pérot). Le premier objectif de ce travail est donc d'identifier les sources de pertes et les limites technologiques affectant les interféromètres à miroirs multicouches verticaux. Des modèles théoriques permettant la prédiction de pertes—dues à la divergence angulaire du faisceau Gaussien incident, à la rugosité de surface aux interfaces silicium-air, à la verticalité imparfaite des profils de gravure et aux erreurs d'alignement entre les fibres optiques de couplage—sont fournis. Il est démontré que les trois premières de ces quatre sources de pertes sont généralement significatives. Par contre, pour ce qui est des dispositifs présentés dans cette thèse, il est démontré que l'erreur sur la verticalité des profils de gravures (~ 0.04°) est négligeable comparativement aux pertes causées par la rugosité de surface (30 nm RMS) et par la divergence du faisceau Gaussien incident. Il est finalement démontré que la quatrième source de perte (erreur d'alignement entre fibres optiques) peut être négligée dans pratiquement tous les cas. Puisque ces modèles correspondent remarquablement bien à nos résultats expérimentaux, nous sommes en mesure d'établir des limites claires quant aux possibilités des interféromètres à multicouches silicium-air fabriqués par gravure profonde. À l'intérieur de ces limites, trois nouveaux dispositifs—pour des applications potentielles comme capteurs biomédicaux, capteurs chimiques ou comme composants pour réseaux de télécommunication par fibre optique—sont proposés. Premièrement, un interféromètre Fabry-Pérot est intégré à un réseau microfluidique de silicium et est utilisé pour mesurer l'indice de réfraction de liquides. La sensibilité à l'indice de réfraction obtenue (907 nm/RIU) est considérablement élevée et, fait important, est indépendante

Abstract

Deep reactive ion etching (DRIE) of silicon can be used to fabricate vertical (i.e. in-plane) silicon-air multilayer mirrors. In comparison with out-of-plane reflectors fabricated by thin film deposition, in-plane multilayer assemblies can be monolithically integrated with a variety of useful structures such as passive optical fiber alignment grooves, microfluidic systems, waveguides, and microelectromechanical (MEMS) actuators. However, all previously reported devices suffered from high insertion losses (> 10 dB) which translated, in most cases, in weak light confinement abilities (e.g. low finesses in the case of Fabry-Perot cavities). The first objective of this work is therefore to investigate the sources of loss and the technological limitations that affect interferometers based on deep-etched multilayer reflectors. Theoretical models for the prediction of losses—due to Gaussian beam divergence, surface roughness at silicon-air material interfaces, imperfect verticality of the etch profiles, and misalignment between input and output coupling optical fibers—are provided. Of these four loss mechanisms, the first three are demonstrated to be generally significant. For the devices presented in the current thesis, however, verticality deviation of the etch profiles (etch angle error ~ 0.04°) is found to be negligible compared with the measured contributions of surface roughness (30 nm RMS) and Gaussian beam divergence. The fourth loss mechanism (fiber misalignment) is found to be essentially negligible in all cases. These theoretical models are demonstrated to correspond remarkably well with our experimental results, such that we are able to state clear boundaries on the possibilities and limitations of interferometers based on deep-etched silicon-air multilayer reflectors. Within these boundaries, three new devices—with potential applications in biomedical sensing, chemical sensing, and optical fiber telecommunications—are investigated. Firstly, a deep-etched Fabry-Perot interferometer is monolithically integrated with a silicon microfluidic system and is used to measure the refractive index of homogenous liquids. The refractive index sensitivity of this interferometer (907 nm/RIU) is found to be considerably high and, interestingly, to be independent of insertion losses. A refractive index resolution among the highest reported, for volumetric sensing in microfluidic systems, is consequently achieved (1.7×10−5 RIU), even if high insertion losses (~ 25 dB) and low resonance finesse (< 10) affect the interferometer. This sensor performs measurements in volumes (~ pL) similar to those of single living cells, and allows great flexibility in the design of monolithically integrated