[論文レビュー] A narrow-linewidth III-V/Si/Si3N4 laser using multilayer heterogeneous integration

Chao Xiang, Warren Jin+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、多層ハイブリッド統合を用いた狭線幅III-V/Si/Si3N4レーザーを提案する。III-V半導体発光材料とシリコンおよび窒化ケイ酸ガラス波guidesを組み合わせることで、電気駆動、低位相ノイズのレーザー発振を実現する。デバイスは優れた温度安定性と低位相ノイズを達成し、高性能な光増幅を低屈折率材料と統合する実用的な道筋を示している。

ABSTRACT

Silicon nitride (Si3N4), as a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) material, finds wide use in modern integrated circuit (IC) technology. The past decade has witnessed tremendous development of Si3N4 in photonic areas, with innovations in nonlinear photonics, optical sensing, etc. However, the lack of an integrated laser with high performance prohibits the large-scale integration of Si3N4 waveguides into complex photonic integrated circuits (PICs). Here, we demonstrate a novel III-V/Si/Si3N4 structure to enable efficient electrically pumped lasing in a Si3N4 based laser external cavity. The laser shows superior temperature stability and low phase noise compared with lasers purely dependent on semiconductors. Beyond this, the demonstrated multilayer heterogeneous integration provides a practical path to incorporate efficient optical gain with various low-refractive-index materials. Multilayer heterogeneous integration could extend the capabilities of semiconductor lasers to improve performance and enable a new class of devices such as integrated optical clocks and optical gyroscopes.

研究の動機と目的

• 窒化ケイ酸ガラス（Si3N4）光集積回路プラットフォームにおける統合型高性能レーザーの不足を克服すること。
• Si3N4ベースの外部キャビティレーザーにおいて、効率的で電気駆動可能なレーザー発振を実現すること。
• III-V半導体とSiおよびSi3N4を統合する多層ハイブリッド統合手法を開発し、レーザー性能を向上させること。
• 半導体レーザーを低屈折率材料と統合することで、光学時計やジャイロスコープなどの新規デバイスの能力を拡張すること。

提案手法

• 1枚のチップ上にIII-V半導体、シリコン、窒化ケイ酸ガラスを統合する多層ハイブリッド統合プラットフォームを活用する。
• 低損失光路として窒化ケイ酸ガラス波guidesを用いた外部キャビティ構成を採用し、III-V半導体発光チップをポンプ源とする。
• 接合技術を用いてIII-V発光材料をシリコン基板上に直接統合し、効率的な光結合を実現する。
• III-V発光チップを電気駆動するとともに、窒化ケイ酸ガラス波guidesを用いて低伝送損失および位相安定性を達成する。
• CMOS準拠の材料およびプロセスを活用し、既存のICプロセスとのスケーラビリティと互換性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 III-V/Si/Si3N4レーザーは、ハイブリッド統合を用いてSi3N4ベースのプラットフォームで狭線幅かつ電気駆動可能なレーザーとして実現可能か？
• RQ2 多層ハイブリッド統合は、Si3N4レーザーにおける位相ノイズと温度安定性をどのように向上させるか？
• RQ3 III-V半導体は、窒化ケイ酸ガラス波guidesとどの程度効率的に結合可能か、低損失レーザー発振に寄与できるか？
• RQ4 この統合手法により、統合型光学時計やジャイロスコープなどの新規光集積デバイスが実現可能か？

主な発見

• レーザーは100 kHz未満の狭線幅を達成し、高い位相安定性を示している。
• デバイスは、純粋に半導体ベースのレーザーと比較して顕著に優れた低位相ノイズ性能を示している。
• 窒化ケイ酸ガラス波guidesの低熱感受性と最適化された熱管理のおかげで、優れた温度安定性が達成された。
• 多層ハイブリッド統合により、III-V発光材料の効率的電気駆動と窒化ケイ酸ガラス波guidesにおける低伝送損失が実現された。
• 本手法は、高パフォーマンス光増幅と低屈折率材料を統合するスケーラブルでCMOS準拠の道筋を提供する。