Sidewall Roughness of Silicon Nitride Waveguides in Visible and Ultra-violet Wavelengths

Abstract

Diese Arbeit untersucht das Design, die Herstellung, die Charakterisierung und die Verlustanalyse von Siliziumnitrid-(SiN)-Wellenleitern im sichtbaren bis nahen UV-Wellenlängenbereich, mit einem Fokus auf der Charakterisierung von Ausbreitungsverlusten durch eine detaillierte Untersuchung der Seitenwandrauheit. Wellenleiter wurden erfolgreich gefertigt und charakterisiert, sowie die gemessenen Verluste mit Simulationen verglichen. Die Untersuchung bewertet verschiedene Ätztechniken und -werkzeuge, um den optimalen Prozess zu ermitteln, der Konuswinkel nahe 90◦ und minimale Seitenwandrauheit für SiN-Wellenleiter erreicht. Der beste Fertigungsprozess erzielte Seitenwandrauheitswerte im quadratischen Mittel von 1.05 nm und einer Korrelationslänge von 67 nm entlang der Ausbreitungsrichtung des geführten Lichts bei einem Konuswinkel von 85◦ im Querschnitt des Wellenleiters, was mit dem Stand der Technik vergleichbar ist. Die Wellenleiter wurden bei mehreren Wellenlängen gemessen, mit Ergebnissen von 6.02±0.77 dB/cm bei λ = 532 nmund bis zu 0.95±0.10 dB/cm bei λ = 730 nm für transversal elektrisch (TE)-polarisiertes Licht. In Kombination mit einem exponentiellen Materialabsorptionsmodell wurden die Verluste mithilfe eines bereits etablierten Modells zur Schätzung von Streuverlusten modelliert. Der Vergleich zeigt eine akzeptable Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation, obwohl bei kürzeren Wellenlängen und schmaleren Wellenleiterdimensionen Abweichungen weitere Untersuchungen erfordern. Letztlich zeigen die Ergebnisse, dass aktuelle Fertigungstechniken zwar akzeptable Rauheitswerte erzielen, jedoch zusätzliche Schritte erforderlich sind, um rauheitsbedingte Streuverluste weiter zu reduzieren und die Skalierbarkeit von photonischen integrierten Schaltungen (PIC) zu erreichen. Insbesondere für den Einsatz in Quantencomputern mit gefangenen Ionen, bei denen effiziente Lichtführung und hohe optische Güte entscheidend sind. Durch die Bewältigung von Fertigungsherausforderungen und die Verfeinerung von Verlustvorhersagemethoden schafft diese Arbeit die Grundlage für die Realisierung von ultra-verlustarmen Wellenleitern und vollständig integrierten PIC-Plattformen.

This thesis investigates the design, fabrication, characterisation, and loss analysis of silicon nitride (SiN) waveguides in the visible to near-UV wavelength range, with a focus on characterising propagation losses through a detailed study of the sidewall roughness. Waveguides were successfully fabricated and characterised, while measured losses were compared to simulations. The study evaluates various etching techniques and tools to determine the optimal process to achieve taper angles close to 90◦ and minimal sidewall roughness for SiN waveguides. The best fabrication process achieved root mean square sidewall roughness values of of 1.05 nm and correlation lengths along the waveguide’s propagation direction of 67 nm at a taper angle of 85◦ of the waveguide’s cross section, comparable to state-of-the-art benchmarks. The waveguides were measured for multiple wavelengths with results of 6.02±0.77 dB/cm at λ = 532 nm and as low as 0.95±0.10 dB/cm at λ = 730 nm for transverse electric (TE) polarised light. Combined with an exponential material absorption fit, losses were modelled using an already established model for estimation of the scattering loss. The comparison shows acceptable agreement of measurement and simulation, though deviations at shorter wavelengths and narrow waveguide dimensions require further investigation. Ultimately, the results indicate that while current fabrication techniques result in acceptable roughness, further steps need to be taken to reduce roughness-induced scattering losses to achieve scalability of photonic integrated circuits (PIC). In particular, for trapped-ion quantum computing, where efficient light delivery and high optical fidelity are paramount. By addressing fabrication challenges and refining loss prediction methodologies, this thesis sets the stage for realising ultra-low-loss waveguides and achieving fully integrated PIC platforms.