Abstract

We have successfully fabricated low-loss silicon-on-oxidized-porous-silicon (SOPS) strip waveguides with high-index contrast using focused proton-beam irradiation and electrochemical etching. Smooth surface quality with rms roughness of 3.1nm is achieved for a fluence of 1×1015cm2 after postoxidation treatment. Optical characterization at a wavelength of 1550nm shows a loss of 1.1±0.4dBcm and 1.2±0.4dBcm in TE and TM polarization respectively, which we believe is the lowest reported loss for SOPS waveguides. This opens up new opportunities for all-silicon-based optoelectronics applications.

© 2009 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. L. Pavesi, Riv. Nuovo Cimento 20, 1 (1997).
  2. P. Ferrand and R. Romestain, Appl. Phys. Lett. 77, 3535 (2000).
    [Crossref]
  3. A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
    [Crossref]
  4. M. Takahashi and N. Koshida, J. Appl. Phys. 86, 5274 (1999).
    [Crossref]
  5. K. Imai, Solid-State Electron. 24, 150 (1981).
    [Crossref]
  6. E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
    [Crossref] [PubMed]
  7. E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
    [Crossref]
  8. A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
    [Crossref]
  9. P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
    [Crossref]
  10. T. L. Lin and K. L. Wang, Appl. Phys. Lett. 49, 1104 (1986).
    [Crossref]
  11. D. E. Aspnes, Thin Solid Films 89, 249 (1982).
    [Crossref]
  12. K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
    [Crossref]
  13. G. Lerondel, R. Romestain, and S. Barret, J. Appl. Phys. 81, 6171 (1997).
    [Crossref]
  14. K. K. Lee, D. R. Lim, L. C. Kimerling, J. Shin, and F. Cerrina, Opt. Lett. 26, 1888 (2001).
    [Crossref]

2008 (1)

2007 (1)

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

2006 (1)

A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
[Crossref]

2004 (1)

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

2001 (1)

2000 (2)

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

P. Ferrand and R. Romestain, Appl. Phys. Lett. 77, 3535 (2000).
[Crossref]

1999 (1)

M. Takahashi and N. Koshida, J. Appl. Phys. 86, 5274 (1999).
[Crossref]

1997 (2)

L. Pavesi, Riv. Nuovo Cimento 20, 1 (1997).

G. Lerondel, R. Romestain, and S. Barret, J. Appl. Phys. 81, 6171 (1997).
[Crossref]

1996 (1)

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

1986 (1)

T. L. Lin and K. L. Wang, Appl. Phys. Lett. 49, 1104 (1986).
[Crossref]

1982 (1)

D. E. Aspnes, Thin Solid Films 89, 249 (1982).
[Crossref]

1981 (1)

K. Imai, Solid-State Electron. 24, 150 (1981).
[Crossref]

Agarwal, A.

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

Arens-Fischer, R.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Arrand, H. F.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Aspnes, D. E.

D. E. Aspnes, Thin Solid Films 89, 249 (1982).
[Crossref]

Barret, S.

G. Lerondel, R. Romestain, and S. Barret, J. Appl. Phys. 81, 6171 (1997).
[Crossref]

Benson, T. M.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Berger, M. G.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Bettiol, A. A.

E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
[Crossref] [PubMed]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
[Crossref]

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

Blackwood, D. J.

E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
[Crossref] [PubMed]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

Breese, M. B. H

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

Breese, M. B. H.

E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
[Crossref] [PubMed]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

Canham, L. T.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Cerrina, F.

Ferrand, P.

P. Ferrand and R. Romestain, Appl. Phys. Lett. 77, 3535 (2000).
[Crossref]

Foresi, J.

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

Gomez-Morilla, I.

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

Headley, W. R.

E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
[Crossref] [PubMed]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

Imai, K.

K. Imai, Solid-State Electron. 24, 150 (1981).
[Crossref]

Kimerling, L. C.

K. K. Lee, D. R. Lim, L. C. Kimerling, J. Shin, and F. Cerrina, Opt. Lett. 26, 1888 (2001).
[Crossref]

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

Koshida, N.

M. Takahashi and N. Koshida, J. Appl. Phys. 86, 5274 (1999).
[Crossref]

Lee, K. K.

K. K. Lee, D. R. Lim, L. C. Kimerling, J. Shin, and F. Cerrina, Opt. Lett. 26, 1888 (2001).
[Crossref]

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

Lerondel, G.

G. Lerondel, R. Romestain, and S. Barret, J. Appl. Phys. 81, 6171 (1997).
[Crossref]

Lim, D. R.

K. K. Lee, D. R. Lim, L. C. Kimerling, J. Shin, and F. Cerrina, Opt. Lett. 26, 1888 (2001).
[Crossref]

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

Lin, T. L.

T. L. Lin and K. L. Wang, Appl. Phys. Lett. 49, 1104 (1986).
[Crossref]

Liu, M. H.

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

Loni, A.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Luan, H. C.

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

Luth, H.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Mashanovich, G.

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

Mashanovich, G. Z.

Munderm, H.

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

Pavesi, L.

L. Pavesi, Riv. Nuovo Cimento 20, 1 (1997).

Rao, S. V.

A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
[Crossref]

Reed, G. T.

E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
[Crossref] [PubMed]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

Romestain, R.

P. Ferrand and R. Romestain, Appl. Phys. Lett. 77, 3535 (2000).
[Crossref]

G. Lerondel, R. Romestain, and S. Barret, J. Appl. Phys. 81, 6171 (1997).
[Crossref]

Shin, J.

Takahashi, M.

M. Takahashi and N. Koshida, J. Appl. Phys. 86, 5274 (1999).
[Crossref]

Tavernier, E. P.

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

Teo, E. J.

E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
[Crossref] [PubMed]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
[Crossref]

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

Van Kan, J. A.

A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
[Crossref]

Wang, K. L.

T. L. Lin and K. L. Wang, Appl. Phys. Lett. 49, 1104 (1986).
[Crossref]

Watt, F.

A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
[Crossref]

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

Yang, P.

E. J. Teo, A. A. Bettiol, M. B. H. Breese, P. Yang, G. Z. Mashanovich, W. R. Headley, G. T. Reed, and D. J. Blackwood, Opt. Express 16, 573 (2008).
[Crossref] [PubMed]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

Appl. Phys. Lett. (6)

E. J. Teo, M. B. H Breese, E. P. Tavernier, A. A. Bettiol, F. Watt, M. H. Liu, and D. J. Blackwood, Appl. Phys. Lett. 84, 3202 (2004).
[Crossref]

A. A. Bettiol, S. V. Rao, E. J. Teo, J. A. Van Kan, and F. Watt, Appl. Phys. Lett. 88, 171106 (2006).
[Crossref]

P. Yang, G. Mashanovich, I. Gomez-Morilla, W. R. Headley, G. T. Reed, E. J. Teo, D. J. Blackwood, M. B. H. Breese, and A. A. Bettiol, Appl. Phys. Lett. 90, 241109 (2007).
[Crossref]

T. L. Lin and K. L. Wang, Appl. Phys. Lett. 49, 1104 (1986).
[Crossref]

K. K. Lee, D. R. Lim, H. C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 77, 1617 (2000).
[Crossref]

P. Ferrand and R. Romestain, Appl. Phys. Lett. 77, 3535 (2000).
[Crossref]

J. Appl. Phys. (2)

G. Lerondel, R. Romestain, and S. Barret, J. Appl. Phys. 81, 6171 (1997).
[Crossref]

M. Takahashi and N. Koshida, J. Appl. Phys. 86, 5274 (1999).
[Crossref]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (1)

Riv. Nuovo Cimento (1)

L. Pavesi, Riv. Nuovo Cimento 20, 1 (1997).

Solid-State Electron. (1)

K. Imai, Solid-State Electron. 24, 150 (1981).
[Crossref]

Thin Solid Films (2)

A. Loni, L. T. Canham, M. G. Berger, R. Arens-Fischer, H. Munderm, H. Luth, H. F. Arrand, and T. M. Benson, Thin Solid Films 276, 143 (1996).
[Crossref]

D. E. Aspnes, Thin Solid Films 89, 249 (1982).
[Crossref]

Cited By

OSA participates in Crossref's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Schematics of the fabrication process showing (a) direct proton-beam irradiation, (b) PS formation till the end of ion range, (c) a second etching step to undercut the irradiated structures, and (d) the oxidation step.

Fig. 2
Fig. 2

SEM of the waveguides irradiated with fluences of (a) 7 × 10 13 , (b) 1 × 10 14 , and (c) 1 × 10 15 cm 2 .

Fig. 3
Fig. 3

RMS roughness ( σ ) and autocorrelation length ( L c ) of the three waveguides as a function of height.

Fig. 4
Fig. 4

(a) Scattered light from the three waveguides, (b) loss data for 7 × 10 13 cm 2 (◻, ◼), 1 × 10 14 cm 2 (△, ▲), and 1 × 10 15 cm 2 (○, ●) after oxidation. The empty shapes represent TE polarization, and the filled shapes represent TM polarization. The straight line shows a linear fit of the output power (dB) as a function of length.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Waveguide Dimensions, σ, L c , and Measured Losses for Each Waveguide Fluence after Oxidation

Metrics