[論文レビュー] Anneal-free ultra-low loss silicon nitride integrated photonics

Debapam Bose, Mark Harrington+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 85被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、250 °Cの最大温度で実施されるデュテリウム化シランベースのプロセスフローを用いて、アニールを不要とする、CMOSと互換性のあるシリコンナイトライド集積光回路のプロセスを提示する。このプロセスにより、80 nmのナイトライド波ガイドでは1.77 dB/m、800 nmの波ガイドでは8.66 dB/mという記録的な低損失を達成した。この方法により、応力緩和や研磨を必要とせず、薄型および厚型の波ガイドを実現可能とし、超低損失で高Qの共振器、レーザー安定化、パラメトリック発振、スーパーコンtinウム生成を実現する。

ABSTRACT

Heterogeneous and monolithic integration of the versatile low loss silicon nitride platform with low temperature materials such as silicon electronics and photonics, III-V compound semiconductors, lithium niobate, organics, and glasses, has been inhibited by the need for high temperature annealing as well as the need for different process flows for thin and thick waveguides. New techniques are needed to maintain the state-of-the-art losses, nonlinear properties, and CMOS compatible processes while enabling this next generation of 3D silicon nitride integration. We report a significant advance in silicon nitride integrated photonics, demonstrating the lowest losses to date for an anneal-free process at a maximum temperature of 250 C, with the same deuterated silane based fabrication flow, for nitride and oxide, for an order of magnitude range in nitride thickness without requiring stress mitigation or polishing. We report record low losses for anneal-free nitride core and oxide cladding, enabling 1.77 dB/m loss and 14.9 million Q for 80 nm nitride core waveguides, more than half an order magnitude lower loss than previously reported 270 C processes, and 8.66 dB/m loss and 4.03 million Q for 800 nm thick nitride. We demonstrate laser stabilization with over 4 orders of magnitude frequency noise reduction using a thin nitride reference cavity. And using a thick nitride micro-resonator, we demonstrate parametric gain and Optical Parametric Oscillation (OPO) with the lowest reported OPO threshold per unit resonator length for low temperature fabricated nitride, and supercontinuum generation over two octaves. These results represent a significant step towards a uniform ultra-low loss silicon nitride homogeneous and heterogeneous platform for both thin and thick waveguides capable of linear and nonlinear photonic circuits and integration with low temperature materials and processes.

研究の動機と目的

• 高周波数アニールを回避することで、III-V半導体、リチウムniobate、有機材料などの低温度材料とのヘテロ集積を可能にする。
• 応力緩和や研磨を要せず、薄型（80 nm）および厚型（800 nm）のシリコンナイトライド波ガイドで超低損失を達成する。
• 高性能な線形および非線形光回路を1つのプラットフォームで実現するため、CMOS互換性を維持する。
• 低温度で実現可能な実用的応用を示すものとして、レーザー安定化、光パラメトリック発振（OPO）、スーパーコンチニウム生成を実証する。
• 広範な材料適合性を有する、均一でスケーラブルかつ低損失な3次元集積光回路プラットフォームを確立する。

提案手法

• シリコンナイトライドコアおよび酸化物クラッド層の両方に、デュテリウム化シランベースの誘導プラズマエッチング化学蒸着（PECVD）プロセスを採用する。
• 後処理のアニールを要せず、超高い内部損失を実現するためPECVDプロセスを最適化する。
• 80 nmから800 nmまでの1オクターブの厚さ範囲にわたって、薄型および厚型ナイトライド波ガイドを同時に実現可能な1つのプロセスフローを採用する。
• 高い精度で損失を測定するために、光熱歪みスペクトロスコピー（PDS）技術を導入する。
• 高Qファクター（Q > 1490万）のマイクロ共振器を形成し、Pound-Drever-Hall（PDH）ロックを用いてレーザー周波数を安定化する。
• 低温度で作製された厚型ナイトライドマイクロ共振器を用いて、光パラメトリック発振（OPO）およびスーパーコンチニウム生成を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温度アニールを要せずして、シリコンナイトライド波ガイドで超低損失を達成可能か？
• RQ2 1つのCMOS互換性のあるプロセスフローが、薄型および厚型のシリコンナイトライド波ガイドを最小限の損失で同時にサポート可能か？
• RQ3 低温度で高Q共振器を形成可能か。これにより、レーザー安定化および非線形光回路が可能か？
• RQ4 低温度で作製されたナイトライドマイクロ共振器における、報告済みで最も低いOPO閾値（単位長さ当たり）は何か？
• RQ5 アニールを不要とする低損失ナイトライド波ガイドで、2オクターブ以上のスーパーコンチニウム生成が可能か？

主な発見

• 著者らは、最大250 °Cのアニール不要プロセスを用いて、80 nmのシリコンナイトライド波ガイドで記録的な低損失1.77 dB/mを達成した。
• 800 nmの厚さのナイトライド波ガイドでは、損失が8.66 dB/mに測定され、従来のアニール不要プロセスと比較して顕著に低減された。
• 80 nmのナイトライド波ガイドマイクロ共振器で1490万という高Qファクターを達成し、PDHロックを用いてレーザー周波数ノイズを4桁以上低減可能となった。
• 低温度で作製されたナイトライドマイクロ共振器を用いて、報告済みで最も低い単位長さ当たりのOPO閾値を達成し、非線形光生成を効率的に行えることを実証した。
• 厚型ナイトライドマイクロ共振器で2オクターブを超えるスーパーコンチニウム生成を達成し、広帯域非線形機能を実証した。
• プロセスは完全にCMOSと互換性があり、応力緩和や研磨を不要とし、1つの製造フローで薄型および厚型波ガイドを両立可能とした。