[論文レビュー] A versatile, inexpensive integrated photonics platform

Jeffrey M. Shainline, Sonia Buckley+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2016

Photonic and Optical DevicesEngineering参考文献 72被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、iラインリソグラフィーを用い、近常温でSiN波guidesと超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を堆積させることで、低コストで多様性に富んだ統合フォトニクスプラットフォームを提示する。このプロセスにより、マハチンドル・インターフェロメーターやリングレゾネータなどの受動的デバイスを高精度かつスケーラブルに製造可能であり、1 Kから160 °Cの動作に耐える、プロセスに依存しないファイバーパッケージングを実現した。量子フォトニクスおよび非線形光学分野における高効率検出と低損失を実現する。

ABSTRACT

We present an approach to fabrication and packaging of integrated photonic devices that utilizes waveguide and detector layers deposited at near-ambient temperature. All lithography is performed with a 365 nm i-line stepper, facilitating low cost and high scalability. We have shown low-loss SiN waveguides, high-$Q$ ring resonators, critically coupled ring resonators, 50/50 beam splitters, Mach-Zehnder interferometers (MZIs) and a process-agnostic fiber packaging scheme. We have further explored the utility of this process for applications in nonlinear optics and quantum photonics. We demonstrate spectral tailoring and octave-spanning supercontinuum generation as well as the integration of superconducting nanowire single photon detectors with MZIs and channel-dropping filters. The packaging approach is suitable for operation up to 160 \degree C as well as below 1 K. The process is well suited for augmentation of existing foundry capabilities or as a stand-alone process.

研究の動機と目的

• 多様な基板およびファブリケーションプロセスワークフローと互換性を持つ低コストでスケーラブルな統合フォトニクスプロセスの開発。
• iラインステッパー光リソグラフィーと近常温堆積を用いた高精度・低損失受動フォトニックデバイスの実現。
• 超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）をオンチップフォトニック回路と統合し、量子光学応用を可能にする。
• 1 Kから160 °Cの広い温度範囲で機能するプロセスに依存しないファイバーパッケージング方式の構築。
• スーパーコンティニュüm生成とオンチップ検出器統合を通じて、非線形光学および量子フォトニクス分野におけるプラットフォームの有効性を実証する。

提案手法

• N₂およびSiH₄前駆体を用い、65 °C未満の近常温でプラズマ増強化学蒸着法（PECVD）によりSiN波guiding層を堆積。
• iラインステッパー（365 nm）を用いてすべてのリソグラフィー工程を実施し、低コストかつ高スケーラビリティを実現。
• バックエンドオブライン（BEOL）統合と互換性を持つ近常温でのスパッタリング堆積によりWSiベースのSNSPDを形成。
• アライメントマーカーとエポキシボンディングを用いたプロセスに依存しないファイバーパッケージング手法を採用し、1 Kから160 °Cの温度範囲で安定動作を実現。
• 直接波guiding結合により、マハチンドル・インターフェロメーターやチャネルドロップフィルターにSNSPDを統合。
• 分散設計された波guidesおよびリングレゾネータを用いて、Qファクターが10⁶を超える高Q値と臨界結合を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なiラインリソグラフィーと近常温堆積を用いて、低コストでスケーラブルなフォトニクスプラットフォームを開発可能か？
• RQ2 このアプローチにより、高精度・低損失のSiN波guidesおよび高Qレゾネータを製造可能か？
• RQ3 このプロセスを用いて、オンチップフォトニック回路と効果的にSNSPDを統合可能か？
• RQ4 ファイバーパッケージング方式が極端な温度範囲（1 Kから160 °C）で信頼性高く、高スルーレットの結合を実現可能か？
• RQ5 このプラットフォームは、オクターブ帯域のスーパーコンティニュüm生成および量子フォトニクス回路といった高度な応用をサポート可能か？

主な発見

• PECVD堆積を65 °C未満で実施したことで、約0.2 dB/cmの低損失SiN波guidesを実現。
• Qファクターが10⁶を超える高Qリングレゾネータを実証し、臨界結合と高いextinction比を達成。
• 50/50マハチンドル・インターフェロメータ（MZI）は、スペクトル応答でほぼ30 dBのextinction深さを示し、高可視性と低クロストークを示した。
• 波guidesに統合されたSNSPDは、複数のデバイスでほぼ同一の性能を示し、4チャネルドロップフィルターで20 dBを超えるextinctionが観測された。
• ファイバーパッケージング方式により、1 Kから160 °Cの広い温度範囲で安定した結合が実現され、性能劣化は観測されなかった。
• 周波数コンブとスペクトルチューニングを用いたことで、オクターブ帯域のスーパーコンティニュüm生成が実証され、非線形光学的有用性が確認された。