Fundamentals and Applications of On-Chip Interferometers Based on Deep-Etched Silicon-Air Multilayer Reflectors

Les technologies de gravure profonde de silicium par plasma peuvent etre utilisees pour la fabrication de miroirs verticaux a alternance de couches de silicium et d'air. Comparativement aux miroirs hors-plan fabriquees par deposition de couches minces, ces miroirs verticaux peuvent etre integres, de facon simple et monolithique, a une importante variete de dispositifs tels que des tranchees pour l'alignement passif de fibres optiques, des systemes microfluidiques, des guides d'ondes et des microsystemes d'actionnement electromecaniques (MEMS). Par contre, tous les dispositifs rapportes a ce jour se sont montres affectes par d'importantes pertes d'insertion (> 10 dB) lesquelles se sont traduites, dans la majorite des cas, par de faibles capacites de confinement de la lumiere (ex: faibles finesses dans le cas d'interferometres Fabry-Perot). Le premier objectif de ce travail est donc d'identifier les sources de pertes et les limites technologiques affectant les interferometres a miroirs multicouches verticaux. Des modeles theoriques permettant la prediction de pertes—dues a la divergence angulaire du faisceau Gaussien incident, a la rugosite de surface aux interfaces silicium-air, a la verticalite imparfaite des profils de gravure et aux erreurs d'alignement entre les fibres optiques de couplage—sont fournis. Il est demontre que les trois premieres de ces quatre sources de pertes sont generalement significatives. Par contre, pour ce qui est des dispositifs presentes dans cette these, il est demontre que l'erreur sur la verticalite des profils de gravures (~ 0.04°) est negligeable comparativement aux pertes causees par la rugosite de surface (30 nm RMS) et par la divergence du faisceau Gaussien incident. Il est finalement demontre que la quatrieme source de perte (erreur d'alignement entre fibres optiques) peut etre negligee dans pratiquement tous les cas. Puisque ces modeles correspondent remarquablement bien a nos resultats experimentaux, nous sommes en mesure d'etablir des limites claires quant aux possibilites des interferometres a multicouches silicium-air fabriques par gravure profonde. A l'interieur de ces limites, trois nouveaux dispositifs—pour des applications potentielles comme capteurs biomedicaux, capteurs chimiques ou comme composants pour reseaux de telecommunication par fibre optique—sont proposes. Premierement, un interferometre Fabry-Perot est integre a un reseau microfluidique de silicium et est utilise pour mesurer l'indice de refraction de liquides. La sensibilite a l'indice de refraction obtenue (907 nm/RIU) est considerablement elevee et, fait important, est independante----------Abstract Deep reactive ion etching (DRIE) of silicon can be used to fabricate vertical (i.e. in-plane) silicon-air multilayer mirrors. In comparison with out-of-plane reflectors fabricated by thin film deposition, in-plane multilayer assemblies can be monolithically integrated with a variety of useful structures such as passive optical fiber alignment grooves, microfluidic systems, waveguides, and microelectromechanical (MEMS) actuators. However, all previously reported devices suffered from high insertion losses (> 10 dB) which translated, in most cases, in weak light confinement abilities (e.g. low finesses in the case of Fabry-Perot cavities). The first objective of this work is therefore to investigate the sources of loss and the technological limitations that affect interferometers based on deep-etched multilayer reflectors. Theoretical models for the prediction of losses—due to Gaussian beam divergence, surface roughness at silicon-air material interfaces, imperfect verticality of the etch profiles, and misalignment between input and output coupling optical fibers—are provided. Of these four loss mechanisms, the first three are demonstrated to be generally significant. For the devices presented in the current thesis, however, verticality deviation of the etch profiles (etch angle error ~ 0.04°) is found to be negligible compared with the measured contributions of surface roughness (30 nm RMS) and Gaussian beam divergence. The fourth loss mechanism (fiber misalignment) is found to be essentially negligible in all cases. These theoretical models are demonstrated to correspond remarkably well with our experimental results, such that we are able to state clear boundaries on the possibilities and limitations of interferometers based on deep-etched silicon-air multilayer reflectors. Within these boundaries, three new devices—with potential applications in biomedical sensing, chemical sensing, and optical fiber telecommunications—are investigated. Firstly, a deep-etched Fabry-Perot interferometer is monolithically integrated with a silicon microfluidic system and is used to measure the refractive index of homogenous liquids. The refractive index sensitivity of this interferometer (907 nm/RIU) is found to be considerably high and, interestingly, to be independent of insertion losses. A refractive index resolution among the highest reported, for volumetric sensing in microfluidic systems, is consequently achieved (1.7×10−5 RIU), even if high insertion losses (~ 25 dB) and low resonance finesse (< 10) affect the interferometer. This sensor performs measurements in volumes (~ pL) similar to those of single living cells, and allows great flexibility in the design of monolithically integrated