There has been a huge surge in data traffic all over the world due to the rise of streamingmedia services and connected devices. The current demand in data traffic has alreadypushed the optical fiber in the internet architecture to the network edges and the trend isto push it as close as possible, to the CPU. Silicon photonics addresses this challenge byenabling miniaturized optical devices that use light to move huge amounts of data at veryhigh speeds with extremely low power. To further improve the data transmission capacity,one can make use of different polarizations of light. However, to take advantage ofdifferent polarizations, devices with on-chip polarization rotation capability are required.This is achieved by a tunable polarization rotator. Moreover, full control of polarizationrotation can also be utilized to realize a new class of components in integrated photonicsincluding polarization mode modulators, multiplexers, filters, as well as switches foradvanced optical signal processing, coherent communications, and sensing.This thesis introduces a novel tunable polarization rotator that uses microelectromechanicalsystems (MEMS) as its actuation principle. When voltage is applied to a MEMStunable silicon cantilever, a mechanical movement occurs, which in turn affects theoptical mode shape travelling through a waveguide, as a result of which the polarizationis rotated. In this work, a MEMS tunable polarization rotator is designed, fabricated,and characterized with a polarization extinction ratio of 10 dB, which works in 1530nm -1570nm wavelength spectrum. In addition to the MEMS tunable polarization rotator,in this thesis, a free standing polarization beam splitter of length 1.4 μm, the shortestreported to-date to our knowledge, was designed, fabricated, and characterized. Thetunable polarization rotator and beam splitter developed in this thesis have the potentialto increase the bandwidth and flexibility of current optical communication networks, andfind further applications in polarization diversity schemes for sensing. / Mängden datatrafik i världen har växt explosionsartat de senaste åren på grund av detökade antalet uppkopplade enheter samt det snabbt växande tjänsterna för strömmad media. Det stora databehovet har redan gjort det nödvändigt att använda högkapacitiva optiska länkar hela vägen till nätverkets kanter och trenden är att optisk dataöverföring används närmare och närmare själva CPU:erna i datorerna som utgör källa och slutpunkt för all data på Internet. Kiselfotonik möter denna utmaning genom att möjliggöra miniatyriserade optiska system som använder ljus för att snabbt överföra stora mängder data med liten effektförbrukning. För att öka kapaciteten ännu mer kan man använda sig av ljusets polarisation. För att göra detta måste man tillhandahålla system för att vrida polarisation på chipp-nivå vilket man kan åstadkomma med en avstämbar polarisationsvridare. Utöver en ökad kapacitet kan den nya kontrollen över polarisation även användas för att skapa nya typer av integrerade optiska komponenter som polarisationsbaserade modulatorer, multiplexers, filter, såväl som switchar för optisk signalbehandling, koherent kommunikation och avkänning.Denna avhandling presenterar en ny avstämbar polarisationsvridare som använder en mikroelektromekanisk (MEMS) aktuator. När en spänning är applicerad på en MEMS balk skapas en mekanisk rörelse som i sin tur påverkar den optiska mod-bilden som propagerar i en integrerad optisk vågledare vilket resulterar i att polarisationen vrids. Denna avhandling innehåller design, tillverkning och karakterisering av en avstämbar polarisationsvridare med en polariseringsgrad på 10 dB i våglängdsområdet 1530-1570 nm. Utöver det presenteras design, tillverkning och karakterisering av frihängande polarisationsfördelare med en längd på endast 1.4 µm, den kortaste hittills rapporterad. Dessa komponenter har potentialen att öka bandbredden och flexibilite befintligaoptiska kommunikationsnät och hitta nya tillämpningar i sensorsystem.

The G-center has recently been identified as the first deterministic single-photon punctual emitter isolated in silicon. This discovery is of great interest for largescale quantum technologies, due to the abilities of silicon in terms of integration and scalability. However, the spontaneous emission rate of the G-center still needs to be controlled in order to engineer a useful Single-Photon Source. This could be achieved by incorporating a single G-center in resonant microcavities to benefit from the Purcell effect. As a first step in this direction, we have studied in this project micro-cavities containing an ensemble of G-centers, more precisely Si micro-disks and micro-rings on oxide, with several objectives: the evaluation of the quality factor of micro-cavities containing G-centers, the demonstration of an optical activity of G-centers after the processing of the silicon micro-structures, and the evaluation of their potential as gain medium for integrated microlasers on SOI. The observation of bright photoluminescence from G-centers and of resonant cavity modes with Q’s in the few thousands range confirms the compatibility of G-centers with standard silicon processing steps, and is encouraging for future quantum optics experiments on isolated G centers in micro-cavities. Our results also tend to show that gain may be available in the material, but residual absorption still needs to be decreased to achieve lasing. / G-center har nyligen identifierats som den första determinitiska ponctual enfoton källen isolerad i kisel. Denna upptäckt är av stort intresse för kvantteknologier p.g.a. kisels förmåga gällande integration och skalbarhet. G-centers spontana rekombinationshastighet behöver dock kontrolleras för att skapa en användbar enfoton källa. Det kan göras genom Purcell-effekten i en optisk resonator. Som ett första steg har vi studerat mikroresonatorer som innehåller G-center i det presenterade projektet, med flera mål: utvärdering av kvalitetsfaktor för mikroresonatorer som innehåller G-center, demonstration av optisk aktivitet av G-center efter tillverkning av kiselmikrostrukturer, och utvärdering av deras potential för integrerade mikrolaser på SOI. Observation av stark fotoluminescens av G-center och resonatormoder med stor-Q bekräftar kompatibilitet mellan G-center och vanliga steg för bearbetning av kisel, och är uppmuntrande för framtida Kvantum Optik experimenter med isolerade G-center i mikroresonatorer. Resultaten visar att ljusförstärkning troligtvis börjar, men absorption av andra defekter måste minskas för att uppnå laserregim.

According to the 2018 Ethernet Roadmap projections, the requirements for high speed links keep increasing every year, always keeping an eye on the energy per bit consumption of the communication system. The Ethernet requirements are estimated to reach 1Tbps by 2022-2025. Optical links are one of the most concrete solutions to satisfy bandwidth requirements at low energy consumption. An optical link is a communication system that consists of a single end-to-end optical circuit. In contrast with vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) technology, which is based on a direct laser modulation, silicon photonics technology (SPT) is based on indirect modulation. In order to perform the modulation, electro-optical modulators are needed in the optical link system for electrically modulating the optical power.This master thesis, developed at imec, will present the modeling of two different technologies of optical modulators: Silicon Ring Modulator and the Franz-Keldysh ElectroAbsorption Modulator. The work was initiated, since there were no available models of these devices in the actual framework for link analysis. First a preliminary study of the physical principles of the two devices was performed, in order to build the Matlab models. Then, these models were fitted with measurements, in order to adjust them to real-life behavior. After having obtained two working models of the two modulators, an alreadyexisting framework was used, to compare the energy consumption per bit in the optical link. However, the results obtained with the simulation didn’t highlight a technology to be preferred to the other. / Enligt prognoserna från Ethernet Roadmap 2018 fortsätter kraven på höghastighetslänkar att öka varje år och håller alltid ett öga på kommunikationssystemets energi konsumtion per bit. Ethernet-kraven beräknas nå 1Tbps 2022-2025.Optiska länkar är en av de mest konkreta lösningarna för att tillgodose bandbreddskrav vid låg energiförbrukning. En optisk länk är ett kommunikationssystem som utgör en punkt till punkt förbunden optisk krets. I motsats till teknik som utnyttjar den vertikala kavitetsytemitterande lasern (VCSEL), som bygger på en direkt lasermodulering, baseras kisel fotonikteknik (SPT) på indirekt modulering. För att utföra en modulering behövs elektrooptiska modulatorer i det optiska länksystemet för att elektriskt modulera den optiska effekten.Denna masteruppsats, utvecklad vid imec, kommer att presentera modelleringen av två olika teknologier av optiska modulatorer: Silicon Ring Modulatorn och Franz-Keldysh Electro Absorption Modulator. Arbetet, genomfördes eftersom det inte fanns några tillgängliga modeller av dessa enheter i själva ramverket för länkanalys. För det första genomfördes en preliminär studie av de två enheternas fysikaliska principer för att bygga Matlab-modellerna. Sedan jämfördes dessa modeller med mätningar för att anpassa dem till verkligt beteende. Efter att ha fått två arbetsmodeller av de två modulatorerna användes ett redan existerande ramverk för att jämföra energikonsumtionen per bit i den optiska länken. De resultat som erhölls med simuleringen indikerade emellertid inte någon teknik som skulle föredras framför den andra.