Abstract An overview is presented of the current state‐of‐the‐art in silicon nanophotonic ring resonators. Basic theory of ring resonators is discussed, and applied to the peculiarities of submicron silicon photonic wire waveguides: the small dimensions and tight bend radii, sensitivity to perturbations and the boundary conditions of the fabrication processes. Theory is compared to quantitative measurements. Finally, several of the more promising applications of silicon ring resonators are discussed: filters and optical delay lines, label‐free biosensors, and active rings for efficient modulators and even light sources.

High-index-contrast, wavelength-scale structures are key to ultracompact integration of photonic integrated circuits.The fabrication of these nanophotonic structures in silicon-on-insulator using complementary metal-oxide-seminconductor processing techniques, including deep ultraviolet lithography, was studied.It is concluded that this technology is capable of commercially manufacturing nanophotonic integrated circuits.The possibilities of photonic wires and photonic-crystal waveguides for photonic integration are compared.It is shown that, with similar fabrication techniques, photonic wires perform at least an order of magnitude better than photonic-crystal waveguides with respect to propagation losses.Measurements indicate propagation losses as low as 0.24 dB/mm for photonic wires but 7.5 dB/mm for photonic-crystal waveguides.

We give an overview of recent progress in passive spectral filters and demultiplexers based on silicon-on-insulator photonic wire waveguides: ring resonators, interferometers, arrayed waveguide gratings, and echelle diffraction gratings, all benefit from the high-index contrast possible with silicon photonics.We show how the current generation of devices has improved crosstalk levels, insertion loss, and uniformity due to an improved fabrication process based on 193 nm lithography.

We demonstrate single-mode photonic wires in silicon-on-insulator with propagation loss as low as 2.4 dB/cm, fabricated with deep ultraviolet lithography and dry etching. We have also made compact racetrack and ring resonators functioning as add-drop filters, attaining Q values larger than 3000 and low add-drop crosstalk.

We present a number of compact wavelength-selective elements implemented in silicon-on-insulator (SOI) photonic wires. These include arrayed waveguide gratings (AWGs), Mach-Zehnder lattice filters (MZLFs), and ring resonators. The circuits were fabricated with deep UV lithography. We also address the sensitivity of photonic wires to phase noise by selectively broadening the waveguides, and demonstrate this in a compact AWG with -20 dB crosstalk and an insertion loss of 2.2 dB for the center channels

We present compact crossings for silicon-on-insulator photonic wires. The waveguides are broadened using a 3 microm parabolic taper in each arm. By locally applying a lower index contrast using a double-etch technique, loss of confinement is reduced and 97.5% transmission (-1.7 dB) is achieved with only -40 dB cross talk.

We report subnanometer linewidth uniformity in silicon nanophotonics devices fabricated using high-volume CMOS fabrication tools. We use wavelength-selective devices such as ring resonators, Mach-Zehnder interferometers, and arrayed waveguide gratings to assess the device nonuniformity within and between chips. The devices were fabricated using 193 or 248 nm optical lithography and dry etching in silicon-on-insulator wafer technology. Using 193 nm optical lithography, we have achieved a linewidth uniformity of 2 nm (after lithography) and 2.6 nm (after dry etch) over 200 mm wafer. Furthermore, with the developed fabrication process, using wavelength-selective devices, we have demonstrated a linewidth control better than 0.6 nm within chip and better than 2 nm chip-to-chip. The necessity for high-resolution optical lithography is demonstrated by comparing device nonuniformity between the 248 and 193 nm optical lithography processes.

Athermal silicon ring resonators are experimentally demonstrated by overlaying a polymer cladding on narrowed silicon wires.The ideal width to achieve athermal condition for the TE mode of 220nm-height SOI waveguides is found to be around 350nm.After overlaying a polymer layer, the wavelength temperature dependence of the silicon ring resonator is reduced to less than 5 pm/°C, almost eleven times less than that of normal silicon waveguides.The optical loss of a 350-nm bent waveguide (with a radius of 15µm) is extracted from the ring transmission spectrum.The scattering loss is reduced to an acceptable level of about 50dB/cm after overlaying a polymer cladding. 2009 Optical Society of America