Este trabalho apresenta um método desenvolvido pela autora para, através de simulações multifísicas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), servir como ferramenta de apoio ao projeto e fabricação de guias de onda e moduladores eletro-ópticos em óptica integrada, além de possibilitar a análise da performance de moduladores eletro-ópticos. A técnica adotada para a fabricação dos guias de onda ópticos foi a de tensão mecânica. Os parâmetros de geometria (espessura do filme e larguras das trincheiras) e de temperatura de deposição do filme são definidos nas simulações e utilizados no processo de fabricação de guias de ondas em óptica integrada, que servem de base para a fabricação de moduladores eletro-ópticos em substrato cristalino de retículo cúbico. As trincheiras dos guias de onda do tipo canal são construídas em Germanato de Bismuto (BGO - Bi4Ge3O12), a partir da deposição sobre o substrato de um filme fino indutor de tensão mecânica (stress) Nitreto de Silício (Si3N4) e definidas pelos processos de litografia óptica e corrosão seletiva por plasma. Os moduladores são obtidos através da deposição dos eletrodos de alumínio sobre o filme, seguida de Si3N4 dos processos de litografia óptica e corrosão, obtendo-se eletrodos. O processo iterativo proposto inicia-se com os resultados das simulações, em que são definidos os parâmetros de fabricação do filme, da trincheira e dos eletrodos. Após a fabricação desses elementos, o componente é caracterizado e são medidos os parâmetros reais filme e do substrato. Esses valores são realimentados nas simulações para refinar o projeto do componente. O trabalho, além de apresentar todos os passos do processo interativo de simulações, projeto, fabricação e caracterização do componente desejado, indica as dificuldades encontradas na implementação do processo e as atividades futuras a serem desenvolvidas para o aperfeiçoamento do mesmo. / This work presents a method developed by the author to support the project and fabrication of integrated optic waveguides and electro-optic modulators by means of Finite Element Method (FEM) multiphysics simulations, also enabling the electro-optic modulators performance analysis. The technique used for fabricating the optical waveguides was the thermally induced residual stress (ISS). The geometry parameters (film thicknesses and trenches widths) and the film deposition temperature are obtained in the simulations and subsequently used in the integrated optical waveguides fabrication process, which serve as a basic building block for the electrooptic modulators on crystalline cubic lattice substrate. The channel waveguide trenches are built on Bismuth Germanate (BGO Bi4Ge3O12) by depositing a Silicon Nitride (Si3N4) Stress-inducing thin film, being later defined by optical lithography and plasma etching process. Modulators are obtained depositing aluminum on the Si3N4 film followed by the optical lithography and corrosion process, defining electrodes. The proposed iterative process starts with the simulation results that define the fabrication parameters of the film, trench and electrodes. After the fabrication of these elements, the device is characterized and the actual parameters of the film and substrate are measured. These values are fed back into the simulations to refine the component design. The work besides presenting all the simulation-design-fabrication-characterization iterative process for obtaining the devised device also highlights the difficulties encountered in the implementation process along with suggestions of future activities aiming at improving it.

Atmosphärendruckplasmen sind aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Anlagentechnik, potentiell geringen Betriebs- und Investitionskosten sowie ihrer Flexibilität bezüglich Substratgröße seit vielen Jahren von großem Interesse. Die Nutzung von Plasmaquellen mit hoher Precursoranregungseffizienz und ausgedehnter Beschichtungszone ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb erstmals eine neuartige Langlichtbogenplasmaquelle vom Typ LARGE (Long Arc Generator) zur plasmagestützten Synthese von Schichten bei AP (Atmosphärendruck) eingesetzt. Bei der Remoteaktivierung des Precursors erweisen sich insbesondere sauerstoff- sowie stickstoffhaltige Plasmagase als geeignet, um einen signifikanten Anteil der Plasmaenergie in den Remotebereich zu transferieren. Die entwickelte bogenbasierten PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) unter Atmosphärendruckbedingungen ist durch die Erzeugung hochenergetischer Plasmen gekennzeichnet, der Precursor wird stark fragmentiert und ursprüngliche Bindungen des Precursormoleküls werden vollkommen aufgebrochen. Die Ergebnisse der Gasphasencharakterisierung mittels optischer Emissions- sowie Infrarotspektroskopie lassen beim Prozess der Precursorfragmentierung im Remoteplasma auf eine zentrale Bedeutung metastabiler sowie dissoziierter Spezies schließen. Weiterhin sind hohe Plasmaleistungen, Molekulargasanteile im Plasmagas und große Plasmagasflüsse für eine wirkungsvolle Remoteaktivierung des Precursors von Vorteil. Einen wichtigen Aspekt des Verfahrens stellt darüber hinaus die Möglichkeit der Synthese sauerstofffreier Schichtmaterialien dar. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der genutzte Atmosphärendruckreaktoraufbau mit seinem Gasschleusenkonzept, als auch die Gasreinheit des verwendeten Prozessgases zu keiner nennenswerten Einlagerung von Sauerstoff in die Schicht führt. Die Schichthärte synthetisierter Siliziumnitrid-Schichten lässt sich ohne zusätzliche Substratheizung durch Prozessparameteroptimierung bis auf eine Härte von 17 GPa steigern. Die dynamische Abscheiderate ist mit 39 nm∙mm/s ebenfalls für eine technische Anwendung ausreichend hoch. Eine eingehende Analyse aller Daten legt den Schluss nahe, dass das Schichtwachstum bei der Atmosphärendruck Remote-PECVD häufig kinetisch gehemmt ist und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stattfindet. Der Wachstumsprozess ist in diesem Fall durch das Phänomen des DLG (Diffusion Limited Growth) gekennzeichnet. Homogennukleation bzw. Gasphasennukleation spielt anders als bislang angenommen auch bei Atmosphärendruckbedingungen keine bzw. eine nur untergeordnete Rolle und ist damit nicht limitierend für die erzielbare mechanische und chemische Stabilität der gebildeten Schichten. Mit steigender Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorganges wird eine Zunahme der Schichtrauheit beobachtet, daraus und aus dem Zuwachs an strained sowie dangling Bonds in der Schicht resultiert eine gesteigerte Affinität der synthetisierten Schichten gegenüber Sauerstoff. Als Schlüsselparameter bezüglich Schichtmorphologie sowie Topographie wird der DLG-Quotient angesehen, welcher das Verhältnis aus Oberflächendiffusionskoeffizient und Auftreffrate schichtbildender Spezies auf dem Substrat darstellt. Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit die entscheidenden und verfahrenslimitierenden Aspekte identifiziert und die Grundlage für die weitere Optimierung dieses und anderer Remote-AP-PECVD-Verfahren geschaffen. In ähnlicher Weise wie dies auch durch die Bereitstellung einer verbesserten thermischen Aktivierung des Diffusionsprozesses schichtbildender Spezies auf der Substratoberfläche geschieht, lässt sich mit Hilfe eines niedrigen Stickingkoeffizienten eine Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorgangs bei AP-PECVD unterdrücken. In diesem Zusammenhang besitzt insbesondere Ammoniak im Remotegas einen günstigen Einfluss auf die entstehende Schichtmorphologie und Konformalität der Beschichtung.

Este trabalho apresenta um método desenvolvido pela autora para, através de simulações multifísicas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), servir como ferramenta de apoio ao projeto e fabricação de guias de onda e moduladores eletro-ópticos em óptica integrada, além de possibilitar a análise da performance de moduladores eletro-ópticos. A técnica adotada para a fabricação dos guias de onda ópticos foi a de tensão mecânica. Os parâmetros de geometria (espessura do filme e larguras das trincheiras) e de temperatura de deposição do filme são definidos nas simulações e utilizados no processo de fabricação de guias de ondas em óptica integrada, que servem de base para a fabricação de moduladores eletro-ópticos em substrato cristalino de retículo cúbico. As trincheiras dos guias de onda do tipo canal são construídas em Germanato de Bismuto (BGO - Bi4Ge3O12), a partir da deposição sobre o substrato de um filme fino indutor de tensão mecânica (stress) Nitreto de Silício (Si3N4) e definidas pelos processos de litografia óptica e corrosão seletiva por plasma. Os moduladores são obtidos através da deposição dos eletrodos de alumínio sobre o filme, seguida de Si3N4 dos processos de litografia óptica e corrosão, obtendo-se eletrodos. O processo iterativo proposto inicia-se com os resultados das simulações, em que são definidos os parâmetros de fabricação do filme, da trincheira e dos eletrodos. Após a fabricação desses elementos, o componente é caracterizado e são medidos os parâmetros reais filme e do substrato. Esses valores são realimentados nas simulações para refinar o projeto do componente. O trabalho, além de apresentar todos os passos do processo interativo de simulações, projeto, fabricação e caracterização do componente desejado, indica as dificuldades encontradas na implementação do processo e as atividades futuras a serem desenvolvidas para o aperfeiçoamento do mesmo. / This work presents a method developed by the author to support the project and fabrication of integrated optic waveguides and electro-optic modulators by means of Finite Element Method (FEM) multiphysics simulations, also enabling the electro-optic modulators performance analysis. The technique used for fabricating the optical waveguides was the thermally induced residual stress (ISS). The geometry parameters (film thicknesses and trenches widths) and the film deposition temperature are obtained in the simulations and subsequently used in the integrated optical waveguides fabrication process, which serve as a basic building block for the electrooptic modulators on crystalline cubic lattice substrate. The channel waveguide trenches are built on Bismuth Germanate (BGO Bi4Ge3O12) by depositing a Silicon Nitride (Si3N4) Stress-inducing thin film, being later defined by optical lithography and plasma etching process. Modulators are obtained depositing aluminum on the Si3N4 film followed by the optical lithography and corrosion process, defining electrodes. The proposed iterative process starts with the simulation results that define the fabrication parameters of the film, trench and electrodes. After the fabrication of these elements, the device is characterized and the actual parameters of the film and substrate are measured. These values are fed back into the simulations to refine the component design. The work besides presenting all the simulation-design-fabrication-characterization iterative process for obtaining the devised device also highlights the difficulties encountered in the implementation process along with suggestions of future activities aiming at improving it.

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Atmosphärendruckplasmen sind aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Anlagentechnik, potentiell geringen Betriebs- und Investitionskosten sowie ihrer Flexibilität bezüglich Substratgröße seit vielen Jahren von großem Interesse. Die Nutzung von Plasmaquellen mit hoher Precursoranregungseffizienz und ausgedehnter Beschichtungszone ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb erstmals eine neuartige Langlichtbogenplasmaquelle vom Typ LARGE (Long Arc Generator) zur plasmagestützten Synthese von Schichten bei AP (Atmosphärendruck) eingesetzt. Bei der Remoteaktivierung des Precursors erweisen sich insbesondere sauerstoff- sowie stickstoffhaltige Plasmagase als geeignet, um einen signifikanten Anteil der Plasmaenergie in den Remotebereich zu transferieren. Die entwickelte bogenbasierten PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) unter Atmosphärendruckbedingungen ist durch die Erzeugung hochenergetischer Plasmen gekennzeichnet, der Precursor wird stark fragmentiert und ursprüngliche Bindungen des Precursormoleküls werden vollkommen aufgebrochen. Die Ergebnisse der Gasphasencharakterisierung mittels optischer Emissions- sowie Infrarotspektroskopie lassen beim Prozess der Precursorfragmentierung im Remoteplasma auf eine zentrale Bedeutung metastabiler sowie dissoziierter Spezies schließen. Weiterhin sind hohe Plasmaleistungen, Molekulargasanteile im Plasmagas und große Plasmagasflüsse für eine wirkungsvolle Remoteaktivierung des Precursors von Vorteil. Einen wichtigen Aspekt des Verfahrens stellt darüber hinaus die Möglichkeit der Synthese sauerstofffreier Schichtmaterialien dar. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der genutzte Atmosphärendruckreaktoraufbau mit seinem Gasschleusenkonzept, als auch die Gasreinheit des verwendeten Prozessgases zu keiner nennenswerten Einlagerung von Sauerstoff in die Schicht führt. Die Schichthärte synthetisierter Siliziumnitrid-Schichten lässt sich ohne zusätzliche Substratheizung durch Prozessparameteroptimierung bis auf eine Härte von 17 GPa steigern. Die dynamische Abscheiderate ist mit 39 nm∙mm/s ebenfalls für eine technische Anwendung ausreichend hoch. Eine eingehende Analyse aller Daten legt den Schluss nahe, dass das Schichtwachstum bei der Atmosphärendruck Remote-PECVD häufig kinetisch gehemmt ist und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stattfindet. Der Wachstumsprozess ist in diesem Fall durch das Phänomen des DLG (Diffusion Limited Growth) gekennzeichnet. Homogennukleation bzw. Gasphasennukleation spielt anders als bislang angenommen auch bei Atmosphärendruckbedingungen keine bzw. eine nur untergeordnete Rolle und ist damit nicht limitierend für die erzielbare mechanische und chemische Stabilität der gebildeten Schichten. Mit steigender Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorganges wird eine Zunahme der Schichtrauheit beobachtet, daraus und aus dem Zuwachs an strained sowie dangling Bonds in der Schicht resultiert eine gesteigerte Affinität der synthetisierten Schichten gegenüber Sauerstoff. Als Schlüsselparameter bezüglich Schichtmorphologie sowie Topographie wird der DLG-Quotient angesehen, welcher das Verhältnis aus Oberflächendiffusionskoeffizient und Auftreffrate schichtbildender Spezies auf dem Substrat darstellt. Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit die entscheidenden und verfahrenslimitierenden Aspekte identifiziert und die Grundlage für die weitere Optimierung dieses und anderer Remote-AP-PECVD-Verfahren geschaffen. In ähnlicher Weise wie dies auch durch die Bereitstellung einer verbesserten thermischen Aktivierung des Diffusionsprozesses schichtbildender Spezies auf der Substratoberfläche geschieht, lässt sich mit Hilfe eines niedrigen Stickingkoeffizienten eine Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorgangs bei AP-PECVD unterdrücken. In diesem Zusammenhang besitzt insbesondere Ammoniak im Remotegas einen günstigen Einfluss auf die entstehende Schichtmorphologie und Konformalität der Beschichtung.

[ES] La presente tesis se ha centrado en el modelado, diseño y demonstración experimental por primera vez del dispositivo Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG). Para la consecución de este dispositivo que tiene posibilidades de uso en la espectrometría, una plataforma de nitruro de silicio llamada CNM-VLC se ha usado, ya que este material permite operar en un gran ancho de banda. Esta plataforma posee ciertas limitaciones y los elementos necesarios para el funcionamiento de este dispositivo tenían un performance bajo. Por ello, se ha desarrollado y validado una metodología que ha permitido obtener mejores divisores. Además, se ha diseñado un inverted taper que ha mejorado considerablemente el acoplo de luz al chip. Esto ha sido gracias a un exhaustivo análisis de opciones existentes en la literatura que también ha permitido escoger la mejor opción para realizar un espejo reconfigurable en la plataforma sin cambiar ni añadir ningún proceso de fabricación. Se han demostrado espejos reconfigurables gracias a utilizar divisores ópticos realimentados y también se ha desarrollado códigos que predicen el comportamiento del dispositivo experimentalmente. Con todo el trabajo realizado, se ha diseñado un R-RAWG para que pudiera operar en un gran ancho de banda y que los actuadores de fase no tuvieran peligro de estropearse. También se ha desarrollado un código para el modelado del R-RAWG que permite imitar la fabricación de estos dispositivos y que, gracias a esto, se ha desarrollado un método o algoritmo llamado DPASTOR, que usa algoritmos usados en machine learning, para optimizar la respuesta con tan sólo la potencia óptica de salida. Finalmente, se ha diseñado una PCB para poder conectar eléctricamente el chip fotónico y se ha desarrollado un método de medida que ha permitido tener una respuesta estable consiguiendo demostrar multitud de respuestas de filtros ópticos con el mismo dispositivo. / [CAT] La present tesi s'ha centrat en el modelatge, disseny i demonstració experimental per primera vegada del dispositiu Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG). Per a la consecució d'aquest dispositiu que té possibilitats d'ús en l'espectrometria, una plataforma de nitrur de silici anomenada CNM-VLC s'ha usat ja que aquest material permet operar en una gran amplada de banda. Aquesta plataforma posseeix certes limitacions i els elements necessaris per al funcionament d'aquest dispositiu tenien un performance baix. Per això, s'ha desenvolupat i validat una metodologia que ha permés obtindre millors divisors i també, gràcies als processos de fabricació, s'ha dissenyat un acoplador que ha millorat considerablement l'acoble de llum al xip. Això ha sigut gràcies a un exhaustiu analisis d'opcions existents en la literatura que també ha permés triar la millor opció per a realitzar un espill reconfigurable en la plataforma sense canviar ni afegir cap procés de fabricació. S'han demonstrat espills reconfigurables gràcies a utilitzar divisors realimentats i també s'ha desenvolupat codis que prediuen el comportament del dispostiu experimentalment. Amb tot el treball realitzat, s'ha dissenyat un R-RAWG fent ús de determinades consideracions perquè poguera operar en una gran amplada de banda i que els actuadors de fase no tingueren perill de desbaratar-se. També s'ha desenvolupat un codi per al modelatge del R-RAWG que permet imitar la fabricació d'aquests dispositius i que, gràcies a això, s'ha desenvolupat un mètode o algorisme anomenat DPASTOR, que usa algorismes usats en machine learning, per a optimitzar la resposta amb tan sols la potència òptica d'eixida. Finalment, s'ha dissenyat una PCB per a poder connectar elèctricament el xip fotònic i s'ha desenvolupat un mètode de mesura que ha permés tindre una resposta estable aconseguint demostrar multitud de respostes de filtres òptics amb el mateix dispositiu. / [EN] This thesis is focused on the modelling, design and experimental demonstration for the first time of Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG) device. In order to build this device, that can be employed in spectrometry, a silicon nitride platform termed CNM-VLC has been chosen since this material allows to operate in broad range of wavelengths. This platform has the necessary elements, but some limitations because the operation of this device had a low performance. Therefore, a methodology has been developed and validated, which has allowed to obtain better splitters. Also an inverted taper has been designed, which has considerably improved the coupling of light to the chip. This has been possible thanks to an exhaustive analysis of existing options in the literature, that has allowed choosing the best option to make a reconfigurable mirror on the platform without changing or adding new manufacturing steps. Reconfigurable mirrors have been demonstrated by using feedback splitters. Furthermore, codes have been developed to predict the behaviour of the actual device. With all the work done, a R-RAWG has been designed by using certain considerations so that it can operate over a broad wavelength range and the phase actuators are not in danger of being damaged. A code has also been developed for the modelling of the R-RAWG, which allows manufacturing imperfections to be considered, thanks to this, a method or algorithm called DPASTOR has been developed. DPASTOR resembles machine learning to optimise the response by just using the optical output power. Finally, a PCB and an assembly with the chip interconnected to it have been made and designed. Moreover, a measurement method has been developed, which has made it possible to have a stable response and to demonstrate a multitude of optical filter responses with the same device. / Fernández Vicente, J. (2021). Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating on Silicon Nitride [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165783

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.