Optical coupling structures for heterogeneous integration of quantum photonic devices

Ljubotina, Miloš (avtor), Krč, Janez (mentor)

This thesis belongs to the general field of integrated photonics. In analogy to integrated electronics, integrated photonics offers several benefits over discrete optical assemblies, including small size and robust assembly, highly scalable functionality and complexity, as well as mass manufacturing at a fraction of the cost of bulk optical devices. However, in contrast to electronics, which is dominated by CMOS fabrication of silicon chips, there exist a plethora of photonic integration platforms and technologies based on a variety of materials such as Si, SiN, InP, GaAs, LiNbO3, glass, polymers, and more. This is due to the competing optical and optoelectronic properties of different materials—no single platform has all the capabilities necessary to enable monolithic fabrication of the variety of active and passive photonic components needed in conjunction to form fully featured devices. Hence, heterogeneous integration of diverse components on a single chip is a very active topic in integrated photonics. Besides enabling advances in more traditional application areas such as optical communications, it opens the door to new opportunities also in other areas, including quantum technologies. In this context, the benefits of photonic integration and importance of photons as quantum information carriers makes quantum photonic integrated circuits (QPICs) critical to the development of future scalable quantum technologies. However, to satisfy the stringent requirements of these technologies, diverse materials and photonic platforms must be heterogeneously integrated. Here, a critical limitation of current integration techniques are optical losses associated with the optical coupling of these platforms, which must be minimised. In this thesis, we focus on design and experimental demonstrations of robust and highly efficient coupling structures used to optically couple heterogeneously integrated quantum photonic devices in QPICs. We particularly focus on the integration of GaAs waveguides with SiN waveguides. The former are used in single-photon sources based on waveguide-embedded InAs quantum dots but suffer from high optical propagation loss. In contrast, the latter are well-known for their low-loss operation and thus present an excellent interposer platform for scalable QPICs. Due to the high losses of GaAs waveguides, which hinder the SiN-GaAs optical coupling efficiency, the research presented in this thesis comes in two parts. First, we systematically investigate the propagation losses of standalone GaAs waveguides to identify their main origins and develop deeper insight into underlying scattering mechanisms. And second, we devise a strategy to design efficient optical couplers for heterogeneous integration considering realistic operating conditions. These conditions include GaAs propagation losses, analysed in the first part of our research, and key structural variations of fabricated devices, which originate from the limitations of current integration techniques. Our study of scattering propagation losses spans two suspended GaAs platforms operating at wavelengths of 930 nm and 1300 nm, corresponding respectively to an established platform used to fabricate high-quality single-photon sources and an emerging one in the telecommunication O-band. This approach allows us to evaluate and compare scattering losses across both mature and exploratory wavelengths relevant to QPICs. Using a combined approach of numerical simulations and experimental measurements, we examine four key waveguide nano- and micro-scale perturbation types: sidewall roughness, top surface roughness, surface particles, and suspension tethers. We decouple their individual contributions to the total propagation loss by employing the same rigorous numerical method in all cases, enabling a well-founded comparative analysis not found in existing literature. We characterise fabricated PIC samples to determine the statistical properties of waveguide perturbations and to directly measure the total scattering propagation loss, also isolating the loss induced by a single suspension tether. By correlating experimental data with simulations, we identify sidewall roughness as the dominant source of scattering loss in both platforms, contributing about 3× more in the 930 nm case than in the 1300 nm case. Secondly, we also identify suspension tethers as significant loss contributors, accounting for roughly ⅓ of the losses at 1300 nm and down to ⅙ (due to higher overall losses) at 930 nm. Through additional simulation analyses, we investigate these losses and propose two design-time avenues for loss reduction. We consider the waveguide width dependence of sidewall scattering and link observed local maxima to the occurrence of weakly-guided higher-order modes, which is an insight enabled by our rigorous numerical approach. By selecting wider waveguide widths corresponding to local minima, we show that sidewall scattering losses can be reduced by factors up to 4–5. To address suspension tether losses, we propose a concrete tether geometry optimisation strategy and demonstrate a simulated loss reduction of ~2.5× while maintaining the overall structure layout. In the second part of our research, we investigate the optimisation of adiabatic taper mode-couplers for high efficiency operation tolerant to fabrication variations and propagation losses. We particularly focus on the integration of the 930 nm suspended GaAs platform with a low-loss SiN interposer through micro-transfer printing (µTP). In this case, the key coupling loss mechanisms are mode coupling and scattering caused by systematic fabrication variations like µTP-induced misalignment and sidewall scattering propagation losses, which are investigated in the scope of the first part of our research. These effects can be minimised by optimising the adiabatic waveguide tapering profile and length. Here, we propose a fully numerical strategy directly incorporating systematic fabrication variations in the taper optimisation procedure based on simulations and a global optimisation algorithm. Moreover, we take a second step and also include sidewall scattering losses determined in the first part of the thesis in the optimisation objective function in addition to losses caused by systematic variations. These are modelled in the same way as in the case of standalone GaAs waveguides and are critically important as they are heavily influenced by the waveguide width variation in the taper. In this way, the optimisation algorithm is guided towards an optimal tapering profile tolerant to explicitly defined variations and propagation losses. We apply our devised strategy to design two adiabatic SiN-GaAs couplers considering: (1) only systematic variations, and (2) both systematic variations and propagation losses. We verify their performance through experiment (and simulations). Our measurements show increased coupling efficiency in the second case (-0.4 dB) compared to the first (-0.6 dB) and a substantial improvement compared to a reference established semi-analytical coupler design (-1.0 dB). In relation to propagation losses, our combined simulation and experimental approach provides deeper insight into the underlying scattering loss mechanisms, which remain a fundamental challenge across all photonic integration technologies—including heterogeneous approaches. Our adiabatic coupler design approach builds on this and incorporates a waveguide width dependent propagation loss model in the taper optimisation procedure for the first time to our knowledge. The devised optimisation strategy enables accurate consideration of explicitly defined systematic fabrication variations and propagation losses, substantially improving coupling performance. We apply this strategy to design adiabatic tapers enabling high efficiency coupling between a low-loss SiN platform and a high loss GaAs platform used to fabricate high quality single-photon sources. Therefore, our findings in both parts of our research advance QPICs both at the monolithic and heterogeneous integration levels. First, the proposed improvements of the standalone GaAs platform offer a practical route to significantly reduce propagation losses in suspended GaAs strip waveguides, representing a valuable step toward enabling more complex QPICs directly within the single-photon source host platform. And second, our adiabatic coupler optimisation strategy and concrete SiN-GaAs coupler designs enable improved coupling of heterogeneously integrated single-photon sources and represent a key step forward for robust high-efficiency adiabatic mode-coupler design, supporting heterogeneous integration of diverse QPIC components.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: adiabatic waveguide tapers, heterogeneous integration, integrated optical coupling structures, optical coupling efficiency, quantum photonic integrated circuits, silicon nitride waveguides, suspended gallium arsenide waveguides, waveguide propagation losses, waveguide sidewall roughness
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2025
• PID: 20.500.12556/RUL-177727
• COBISS.SI-ID: 264640515
• Datum objave v RUL: 05.01.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Optične sklopne strukture za heterogeno integracijo gradnikov kvantne fotonike

Izvleček

Ta doktorska disertacija spada v širše področje integrirane fotonike. Po analogiji z integrirano elektroniko integrirana fotonika ponuja več prednosti v primerjavi z diskretnimi optičnimi sistemi. Te vključujejo manjšo velikost in bolj robusten sklop gradnikov, zelo razširljivo funkcionalnost in kompleksnost sistemov ter množično proizvodnjo ob znatno nižji ceni v primerjavi z diskretnimi optičnimi gradniki. V nasprotju z elektroniko, kjer prevladuje CMOS-proizvodnja silicijevih čipov, pa v fotoniki obstaja množica integracijskih platform in tehnologij, ki temeljijo na različnih materialih, kot so Si, SiN, InP, GaAs, LiNbO₃, steklo, polimeri in še več. To izhaja iz konkurenčnih optičnih in optoelektronskih lastnosti različnih materialov – nobena posamezna platforma ne zagotavlja vseh potrebnih zmogljivosti, ki bi skupaj omogočale monolitno izdelavo raznolikih aktivnih in pasivnih fotonskih komponent, nujnih za proizvodnjo celovitih naprav s široko funkcionalnostjo. Zato je v integrirani fotoniki heterogena integracija raznolikih gradnikov na enem samem čipu zelo aktivna raziskovalna tema. Poleg napredka na bolj tradicionalnih področjih, kot so optične komunikacije, ta odpira tudi nove priložnosti na drugih področjih, med drugim v kvantnih tehnologijah. V tem kontekstu kombinacija prednosti integrirane fotonike in pomena fotonov kot kvantnih nosilcev informacij daje kvantnim fotonskim integriranim vezjem (QPIC) ključno vlogo v razvoju prihodnjih razširljivih kvantnih tehnologij. Vendar pa je za izpolnjevanje strogih zahtev teh tehnologij nujna heterogena integracija različnih materialov in platform integrirane fotonike. Pri tem so ena glavnih omejitev sodobnih integracijskih tehnik optične izgube pri sklopu med platformami, ki jih je treba čim bolj zmanjšati. V tej disertaciji se osredotočamo na načrtovanje in eksperimentalno demonstracijo robustnih in visoko učinkovitih sklopnih struktur, ki se uporabljajo za optično sklapljanje heterogeno integriranih kvantnih fotonskih gradnikov v QPIC. Posebno se osredotočamo na integracijo valovodov GaAs in valovodov SiN. Prvi (GaAs) se uporabljajo v enofotonskih virih, ki temeljijo na vgrajenih kvantnih pikah InAs, vendar so omejeni z visokimi optičnimi izgubami širjenja svetlobe. Drugi (SiN) so pa znani po nizko-izgubnem delovanju in predstavljajo odlično povezovalno platformo za razširljive QPIC. Zaradi visokih izgub valovodov GaAs, ki zmanjšajo učinkovitost optičnega sklopa SiN–GaAs, so raziskave, predstavljene v tej disertaciji, razdeljene na dva dela. Najprej sistematično preučimo izgube pri širjenju svetlobe v samostojnih valovodih GaAs, da identificiramo njihove glavne izvore in pridobimo globlji vpogled v temeljne sipalne mehanizme. Nato pa razvijemo strategijo za načrtovanje učinkovitih optičnih sklopnikov za heterogeno integracijo ob upoštevanju realnih delovnih pogojev. Ti pogoji vključujejo izgube širjenja v GaAs, preučene v prvem delu raziskav, in ključne strukturne variacije izdelanih naprav, ki izvirajo iz omejitev sodobnih integracijskih postopkov. Naša študija sipalnih izgub pri širjenju svetlobe zajema dve platformi visečih valovodov GaAs, ki delujeta pri valovnih dolžinah 930 nm in 1300 nm, kar ustreza uveljavljeni platformi za izdelavo visokokakovostnih enofotonskih virov in platformi v razvoju za enofotonske vire v telekomunikacijskem pasu O. Ta pristop nam omogoča evaluacijo in primerjavo sipalnih izgub pri zrelih in eksperimentalnih valovnih dolžinah, pomembnih za QPIC. Z združenim pristopom numeričnih simulacij in eksperimentalnih meritev preučimo štiri ključne nano- in mikro-strukturne vrste perturbacij valovodov: hrapavost stranic, hrapavost zgornje ploskve, površinske delce in nosilne mostičke. Njihove posamezne prispevke k skupnim izgubam širjenja razločimo z uporabo iste rigorozne numerične metode v vseh primerih, kar omogoča dobro utemeljeno primerjalno analizo, kakršne v obstoječi literaturi ni mogoče najti. S karakterizacijo izdelanih vzorcev PIC določimo statistične lastnosti perturbacij valovodov in neposredno izmerimo skupne sipalne izgube širjenja, pri čemer izoliramo tudi izgube, ki jih povzroči posamezen nosilni mostiček. S korelacijo eksperimentalnih podatkov s simulacijami identificiramo hrapavost stranic valovoda kot dominanten vir sipalnih izgub na obeh platformah, pri čemer ta prispeva približno 3× več pri 930 nm kot pri 1300 nm. Poleg tega identificiramo nosilne mostičke kot pomembne povzročitelje dodatnih izgub, ki predstavljajo približno ⅓ izgub pri 1300 nm in najmanj ⅙ (manjši delež zaradi večjih skupnih izgub) pri 930 nm. Z dodatnimi simulacijskimi analizami te izgube podrobneje preučimo in predlagamo dva pristopa k njihovemu zmanjšanju v fazi načrtovanja PIC. Obravnavamo odvisnost sipanja na stranicah valovoda od njegove širine in opažene lokalne maksimume povežemo s pojavom šibko vodenih višjih rodov, kar je vpogled, omogočen z našim rigoroznim numeričnim pristopom. Z izbiro širših valovodov, ki ustrezajo lokalnim minimumom, pokažemo, da je mogoče sipalne izgube stranic zmanjšati za faktor do 4–5. Za zmanjšanje izgub nosilnih mostičkov pa predlagamo konkretno strategijo optimizacije njihove geometrije in pokažemo simulirano zmanjšanje izgub za ~2,5× brez sprememb topologije strukture. V drugem delu raziskav obravnavamo optimizacijo adiabatnih zožitvenih sklopnikov za visoko učinkovito delovanje, odporno na variacije pri izdelavi vezij in izgube širjenja. Posebno se osredotočamo na integracijo viseče platforme GaAs 930 nm z nizko-izgubno povezovalno platformo SiN preko mikro-prenosnega tiska (µTP). V tem primeru so ključni mehanizmi izgub pri sklopitvi medrodovno sklapljanje in sipanje svetlobe, ki ga povzročijo sistematične proizvodne variacije, kot je zamik struktur zaradi µTP, ter sipalne izgube stranic valovodov, ki so obravnavane v prvem delu raziskav. Te učinke lahko minimiziramo z optimizacijo profila in dolžine adiabatne zožitve valovoda. Za to predlagamo popolnoma numerično strategijo, ki neposredno vključuje sistematične variacije v postopek optimizacije zožitve na osnovi simulacij in algoritma globalne optimizacije. V nadaljnjem, drugem koraku, v cenovno funkcijo optimizacije vključimo poleg izgub zaradi teh variacij tudi sipalne izgube stranic valovoda, določene v prvem delu disertacije. Te modeliramo na enak način kot pri samostojnih valovodih GaAs v prvem delu raziskav in so ključnega pomena, saj nanje močno vplivajo spremembe širine valovoda vzdolž zožitve. Na ta način optimizacijski algoritem usmerimo proti optimalnemu profilu zožitve, odpornemu na eksplicitno definirane variacije in izgube širjenja. Našo zasnovano strategijo uporabimo za načrtovanje dveh adiabatnih sklopnikov SiN–GaAs, pri čemer upoštevamo: (1) le sistematične variacije in (2) tako sistematične variacije kot tudi izgube širjenja. Njuno delovanje preverimo z eksperimentom (in simulacijami). Naše meritve pokažejo povečano učinkovitost sklopitve v drugem primeru (-0,4 dB) v primerjavi s prvim (-0,6 dB) ter bistveno izboljšanje v primerjavi z referenčnim uveljavljenim semi-analitično zasnovanim sklopnikom (-1,0 dB). V povezavi z izgubami širjenja naš kombiniran pristop simulacij in eksperimenta ponuja globlji vpogled v osnovne mehanizme sipalnih izgub, ki ostajajo temeljni izziv v vseh tehnologijah fotonske integracije – tudi v heterogenih pristopih. Naš pristop k načrtovanju adiabatnih sklopnikov temelji na tem in v postopek optimizacije zožitve vključi model izgub širjenja z odvisnostjo od širine valovoda, kar je po naših informacijah prvi tovrsten pristop. Razvita optimizacijska strategija omogoča natančno upoštevanje eksplicitno definiranih sistematičnih proizvodnih variacij in izgub širjenja, kar bistveno izboljša učinkovitost in zanesljivost sklopitve. To strategijo uporabimo za načrtovanje adiabatnih zožitev, ki omogočajo visoko učinkovito sklapljanje med nizko-izgubno platformo SiN in visoko-izgubno platformo GaAs, uporabljeno za izdelavo visokokakovostnih enofotonskih virov. Naše ugotovitve v obeh delih raziskav prispevajo k napredku QPIC tako na monolitni kot tudi na heterogeni ravni. Predlagane izboljšave samostojne platforme GaAs ponujajo praktično pot k znatnemu zmanjšanju izgub pri širjenju svetlobe v visečih valovodih GaAs, kar predstavlja pomemben korak k omogočanju bolj kompleksnih QPIC neposredno na gostiteljski platformi enofotonskih virov. Hkrati pa naša strategija za optimizacijo adiabatnih sklopnikov ter konkretni načrti sklopnikov SiN–GaAs omogočajo izboljšano sklapljanje heterogeno integriranih enofotonskih virov in predstavljajo ključen korak naprej za načrtovanje robustnih in visoko učinkovitih adiabatnih zožitvenih sklopnikov za heterogeno integracijo raznolikih gradnikov QPIC.

• Ključne besede: adiabatne zožitve valovodov, heterogena integracija, hrapavost stranic valovoda, integrirane optične sklopne strukture, kvantna fotonska integrirana vezja, optične izgube širjenja, učinkovitost optičnega sklopa, valovodi iz silicijevega nitrida, viseči valovodi iz galijevega arzenida