[論文レビュー] A heterogeneously integrated lithium niobate-on-silicon nitride photonic platform

Mikhail Churaev, Rui Ning Wang+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、薄膜LiNbO₃を低損失Si₃N₄フォトニクス集積回路にウェーハスケール接合することで達成された、リチウムニオブート酸化物/シリコンナ nitrideに起因する異種統合型フォトニクスプラットフォームを提示する。このプラットフォームは、<0.1 dB/cmの伝搬損失および<0.1 dB/遷移の損失を実現し、高Qのマイクロレゾネーター、可変周波数のフォトニックデュアラー、およびファブリケーションに適合したプラットフォーム上で電気光学的周波数コンブをサポートする低損失・高出力の電気光学的デバイスを可能にする。

ABSTRACT

The availability of thin-film lithium niobate on insulator (LNOI) and advances in processing have led to the emergence of fully integrated LiNbO3 electro-optic devices, including low-voltage, high-speed modulators, electro-optic frequency combs, and microwave-optical transducers. Yet to date, LiNbO3 photonic integrated circuits (PICs) have mostly been fabricated using non-standard etching techniques that lack the reproducibility routinely achieved in silicon photonics. Widespread future application of thin-film LiNbO3 requires a reliable and scalable solution using standard processing and precise lithographic control. Here we demonstrate a heterogeneously integrated LiNbO3 photonic platform that overcomes the abovementioned challenges by employing wafer-scale bonding of thin-film LiNbO3 to planarized low-loss silicon nitride (Si3N4) photonic integrated circuits, a mature foundry-grade integrated photonic platform. The resulting devices combine the substantial Pockels effect of LiNbO3 with the scalability, high-yield, and complexity of the underlying Si3N4 PICs. Importantly, the platform maintains the low propagation loss (&lt;0.1 dB/cm) and efficient fiber-to-chip coupling (&lt;2.5 dB per facet) of the Si3N4 waveguides. We find that ten transitions between a mode confined in the Si3N4 PIC and the hybrid LiNbO$_3$ mode produce less than 0.8 dB additional loss, corresponding to a loss per transition not exceeding 0.1 dB. These nearly lossless adiabatic transitions thus link the low-loss passive Si3N4 photonic structures with electro-optic components. We demonstrate high-Q microresonators, optical splitters, electrically tunable photonic dimers, electro-optic frequency combs, and carrier-envelope phase detection of a femtosecond laser on the same platform, thus providing a reliable and foundry-ready solution to low-loss and complex LiNbO3 integrated photonic circuits.

研究の動機と目的

• 標準的なシリコンフォトニクスプロセスを用いた薄膜リチウムニオブート酸化物フォトニクス集積回路（PICs）のスケーラブルかつ再現可能なプロセスの欠如に対処する。
• PICsにおけるLiNbO₃の非標準的なエッチング技術が、出荷率と複雑性の制限要因となるのを克服する。
• LiNbO₃の強力なポケルス効果と、低損失・高出荷率・リソグラフィーで高精度なSi₃N₄プラットフォームを統合し、スケーラブルな電気光学的デバイスを実現する。
• Si₃N₄とハイブリッドLiNbO₃波guides間のほぼ損失のない断面移行を達成することで、低損失で複雑なフォトニクス回路を実現する。
• 光学通信、量子フォトニクス、マイクロ波-光変換の高度な応用を想定した、ファブリケーションに適合したウェーハスケールプラットフォームを開発する。

提案手法

• 薄膜リチウムニオブート酸化物（TFLN）を平滑化処理を施した低損失Si₃N₄フォトニクス集積回路にウェーハスケール接合することで、異種統合を実現する。
• 成熟したファブリケーショングレードのSi₃N₄ダマスケン技術を用い、100 pm未満の表面粗さを実現する高出荷率・高精度な波guidesを形成する。
• Si₃N₄波guidesとハイブリッドSi₃N₄/LiNbO₃波guides間の断面移行を設計・製造し、結合損失を最小限に抑える。
• LiNbO₃のポケルス効果を活用して電気光学的変調および二次高調波生成やスーパーコンtinウム生成などの非線形効果を実現する。
• 電気光学的効率を最適化したハイブリッド波guidesの幾何形状を設計し、Xカットリッジ波guidesプラットフォームと同等またはそれ以上のVπ·L製品を達成する。
• 高Qマイクロレゾネーター、フォトニックデュアラー、およびフェムト秒レーザーのキャリアエンvelope位相検出を用いてデバイス性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜LiNbO₃をSi₃N₄ PICsにウェーハスケールで異種統合することで、低伝搬損失を維持しつつ強力な電気光学的効果を実現できるか？
• RQ2 Si₃N₄とハイブリッドLiNbO₃波guides間の断面移行における最小挿入損失はどの程度か？
• RQ3 このハイブリッドプラットフォームは、低駆動電圧と高効率を実現する高Qマイクロレゾネーターおよび電気光学的周波数コンブをサポートできるか？
• RQ4 このハイブリッドプラットフォームの電気光学的性能は、従来のリッジ波guides型LiNbO₃デバイスと比べてどうか？
• RQ5 このプラットフォームは、コンactで小型化された統合形式でスーパーコンチニウム生成や二次高調波生成といった非線形光起現象を実現できるか？

主な発見

• ハイブリッドプラットフォームは、Si₃N₄波guidesで0.1 dB/cm未満の伝搬損失を達成し、基盤プラットフォームの低損失特性を維持している。
• Si₃N₄とハイブリッドLiNbO₃波guides間の断面移行は、1インターフェースあたり0.1 dB未満の挿入損失を示し、合計10回の移行で0.8 dB未満の損失を実現した。
• 品質因子が10⁶を超える高Qマイクロレゾネーターがプラットフォーム上で実証され、効率的な電気光学的周波数コンブ生成が可能となった。
• 直流電圧を印加することでコherent制御が可能な、周波数変調が30 MHz/Vの電気的に可変なフォトニックデュアラーが実現された。
• χ³非線形性を用いたオクターブ帯域のスーパーコンチニウム生成が達成され、同時に二次高調波生成が可能となり、フェムト秒レーザーの直接的キャリアエンvelopeオフセット周波数検出が可能となった。
• ハイブリッド波guidesの幾何形状の電気光学的性能は、Xカットリッジ波guidesプラットフォームと同等またはそれ以上であり、Vπ·L製品は既存の最先端設計と同等またはそれを上回った。