Green photonics: photonic integrated circuits for optical communications and sensing based on organic-inorganic hybrids

Abstract

The present work aims the production and characterization of cost-effective photonic integrated circuits (PICs) to encounter green photonics goals, namely in the optical communications and sensing fields. Therefore, organic-inorganic hybrids (di-ureasil and tri-ureasil), doped with zirconium propoxide stabilized with methacrylic acid, were synthesized by the versatile sol-gel methodology, at room temperature, as planar waveguides processed in the form of monoliths, with controlled shape and size, and films with variable thickness (10−5-10−6 m) in vitreous or silicon oxide substrates. They exhibit stable and tunable properties, mechanical and thermal stability resulting from the synergy between the organic and inorganic counterparts. Their main feature is the heavily facilitated control of the surface optical properties by the inherent flexibility offered by these materials that are easily self-patterned by direct UV laser writing, and the refractive index tuning through chemical doping. The influence of different concentrations of zirconia-based clusters (20-60 mol%) in the local structure of di-ureasils and tri-ureasils was studied through X-ray diffraction, nuclear magnetic resonance of 13C and 29Si atoms, infrared spectroscopy by Fourier transform, Raman spectroscopy by Fourier transform and thermogravimetry analysis. The relevant optical features for applications in PICs were determined, showing acceptable attenuation values (∼1-5 dB·cm−1) for low dimension circuits, and reduced insertion losses arising from the fibre-device similar refractive index (1.49-1.52). Taking advantage of the material photosensibility, direct UV laser writing was used to pattern the desired optical architecture on the surface of organic-inorganic hybrids. In what concerns optical communications, passive and active devices were produced: a thermo-optic integrated variable wave plate device to control the state of polarization of an optical signal, showing a linear retardation coefficient of 17±1 °/°C; a 90° hybrid coupler to demodulate a 20 Gb/s quadrature phase shift keying transmission over 40 km of fibre, yielding a 2.5 dB power penalty, relatively to back-to-back; an electro-optic phase modulator based on a Mach-Zehnder interferometer (MZI) with a voltage shift required for a π phase change of 2.9±0.3 V; an optical amplifier in the blue spectral region for visible light communications with a maximum optical gain efficiency of 1.62±0.02 cm∙μJ−1. In the sensing field, the development of portable low-cost PICs based biosensors for lab-on-a-chip devices are of great interest. Thus, a biosensor based on an MZI was produced to monitor the growing concentration of bacteria in a liquid medium, presenting a sensitivity of 2×10−4 RIU and limit of detection of 2.0 pg·mm−3.

O presente trabalho tem como objetivos a produção e caracterização de circuitos de ótica integrada (OI) eficientes e de baixo custo, no contexto dos requisitos de fotónica sustentável, nomeadamente na área das comunicações óticas e dos sensores. Para isso, híbridos orgânico-inorgânicos (di-ureiasil e tri-ureiasil), dopados com propóxido de zircónio estabilizado com ácido metracrílico, foram sintetizados pela metodologia sol-gel, à temperatura ambiente, como guias de onda planares processados na forma de monólitos, com forma e tamanho controlados, ou filmes de espessura variável (10−5-10−6 m), em substratos vítreos e de silício oxidado. Estes materiais exibem propriedades óticas estáveis e ajustáveis, estabilidade mecânica e térmica resultantes da sinergia entre os componentes orgânicos e inorgânicos. A sua principal propriedade é o fácil controlo das propriedades óticas devido à inerente flexibilidade dos materiais que são auto-padronizados pela escrita direta por radiação ultravioleta (UV), e o controlo do índice de refração por dopagem química. A influência de diferentes concentrações de aglomerados de zircónio (20-60 mol%) na estrutura local dos di-ureails e tri-ureasils foi analisada através de difração de raio-X, ressonância magnética nuclear dos átomos de 13C e 29Si, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia Raman por transformada de Fourier e análise termogravimétrica. As características óticas relevantes para aplicações em OI foram determinadas, revelando coeficientes de atenuação aceitáveis (∼1-5 dB·cm−1) para circuitos de baixas dimensões, e baixas perdas de inserção devido à similaridade entre os índices de refração do dispositivo-fibra (1,49-1,52). Tomando partido da fotossensibilidade do material, foi utilizada a escrita direta por radiação UV para padronizar a arquitetura ótica desejada na superfície de híbridos orgânico-inorgânicos. No que respeita às comunicações óticas, foram produzidos dispositivos passivos e ativos: controlador de polarização termo-ótico para monitorizar o estado de polarização de um sinal ótico, apresentando um coeficiente de retardamento linear de 17±1 °/°C; um acoplador híbrido de 90° para demodular uma transmissão de quadratura de chaveamento de fase com 20 Gb/s em 40 km de fibra, resultando numa penalidade de potência de 2,5 dB comparativamente à configuração sem fibra; um modulador de fase eletro-ótico baseado num interferómetro Mach-Zehnder (MZI) com uma diferença de potencial para uma variação de fase de π de 2,9±0,3 V; amplificador ótico na região espectral do azul para comunicações óticas no visível com uma eficiência máxima de ganho ótico de 1,62±0,02 cm∙μJ–1. Na área dos sensores, o desenvolvimento de biosensores portáteis de baixo custo baseados em OI para dispositivos é de grande interesse. Sendo assim, um biosensor baseado na arquitetura de um MZI foi produzido para monitorizar a concentração de bactérias num meio líquido, apresentando uma sensibilidade de 2×10−4 RIU e um limite de deteção de 2,0 pg·mm−3.