[論文レビュー] Frequency Comb Generation in 300 nm Thick SiN Concentric-Racetrack-Resonators: Overcoming the Material Dispersion Limit

Sangsik Kim, Kyunghun Han+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、従来、正の群速度分散しか支持しないと考えられていた300 nm 厚のシリコンナ nitride同心円レーシングレック型マイクロレゾネータにおいて、幾何学的設計によるモード分散の制御により、Kerr周波数コンブ生成を実証した。この手法により、異常な群速度分散、高いQファクター（150万）、およびチェレンコフピークを示すコherentな周波数コンブと、単一ソリトン様パルスの証拠を達成し、可視域やUV領域を含む周波数コンブをCMOSプロセスと互換性のあるオンチップで実現可能とした。

ABSTRACT

Kerr nonlinearity based frequency combs and solitons have been generated from on-chip optical microresonators with high quality factors and global or local anomalous dispersion. However, fabrication of such resonators usually requires materials and/or processes that are not standard in semiconductor manufacturing facilities. Moreover, in certain frequency regimes such as visible and ultra-violet, the large normal material dispersion makes it extremely difficult to achieve anomalous dispersion. Here we present a concentric racetrack-shaped resonator that achieves anomalous dispersion in a 300 nm thick silicon nitride film, suitable for semiconductor manufacturing but previously thought to result only in waveguides with high normal dispersion, a high intrinsic Q of 1.5 million, and a novel mode-selective coupling scheme that allows coherent combs to be generated. We also provide evidence suggestive of soliton-like pulse formation in the generated comb. Our method can achieve anomalous dispersion over moderately broad bandwidth for resonators at almost any wavelength while still maintaining material and process compatibility with high-volume semiconductor manufacturing.

研究の動機と目的

• 300 nm SiN波導の根本的な高正の材料分散の制限を克服し、周波数コンブ生成に不可欠な異常分散を実現すること。
• 特に可視域や紫外線領域で正の分散が支配的であるため、周波数コンブ生成が困難であった標準的なCMOSプロセスと材料でオンチップKerr周波数コンブを実現すること。
• 高品質ファクター（Q > 150万）と効率的なポンプ結合を実現するが、高分解能リソグラフィーや非標準プロセスを必要としない、コンactな製造可能なレゾネータ設計を達成すること。
• 同心円レーシングレック型幾何構造と断続的テーパーを用いて、分散を設計し、異常分散を示すモードをモード選択的に励起すること。
• 滑らかなスペクトル形状とチェレンコフ放射ピークを示すコンブにおいて、ソリトン様パルス形成の実験的証拠を提供すること。これにより、コherentなマイクロコンブ動作が示された。

提案手法

• SiO2/Si基板上に300 nm SiN膜を有する同心円レーシングレック型マイクロレゾネータを採用。内側と外側のリング間のモードカップリングにより、局所的で強い異常分散を誘導するように設計した。
• 内側および外側のリングの断続的テーパーを用い、異常分散を示すモードを選択的に励起すると同時に、高いQファクターとバス波導への効率的結合を維持した。
• 内側および外側の共振モードの光学パス長（OPL）を設計して、300 nm SiNの固有の正の分散を補償し、群速度分散が異常となる領域を形成した。
• テーパー加工されたバス波導を用いたモード選択的結合方式を実装し、異常分散を示すターゲットモードのみを励起することで、クロストークの低減とコンブのコherenceの向上を達成した。
• ラインバイラインパルス整形とEDFAおよび非共面二次高調波生成を用いた時間領域自己相関測定により、トランスフォーム制限帯域幅の形成と分散補償の有効性を検証した。
• 標準的なCMOSプロセスを活用：LPCVDによるSiO2およびSi3N4成膜、HSQレジストを用いた電子ビームリソグラフィー、ICP-RIEエッチング、1150 °Cでのエッチング後アニール処理により、応力低減と光学的品質の向上を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300 nm 厚のSiNマイクロレゾネータにおいて、材料の固有の正の分散を有するにもかかわらず、異常分散を設計で実現できるか？
• RQ2 厚膜や複雑な応力緩和処理を必要とせず、標準厚さのSiNプラットフォームでQファクター（>100万）が高く、効率的なポンプ結合が達成できるか？
• RQ3 このようなシステムでコherentなKerr周波数コンブを生成でき、ソリトン形成の兆候を示すか？
• RQ4 可視域やUV領域のような、かつてコンブ生成を遮断していた正の分散が支配的なスペクトル領域において、このアプローチがどの程度周波数コンブ動作を可能にするか？
• RQ5 超高分解能リソグラフィーや非標準プロセスステップを必要とせず、標準的なCMOSプロセスで実装可能か？

主な発見

• 同心円レーシングレック型レゾネータ設計により、300 nm SiN膜において、材料の固有の正の分散を克服し、異常な群速度分散を効果的に誘導した。
• 実験的に150万という高いQファクターを達成し、低しきい値のコンブ生成と高いスペクトルコherenceを実現した。
• 1台のポンプレーザーを用いて、滑らかなスペクトル形状と明確なチェレンコフ放射ピークを示すコherentなKerr周波数コンブを生成した。
• 圧縮されたコンブパルスの時間領域自己相関測定により、近似トランスフォーム制限帯域幅が確認され、1つの明るいKerrソリトン様パルスの存在を裏付けた。
• 2台のフリー走行レーザーをポンプとして使用することで、広帯域で滑らかなコンブ状態が得られ、生成されたコンブのコherenceと安定性をさらに裏付けた。
• デバイスの幾何形状とプロセスは、商業的なCMOSファブリケーションプロセスと完全に互換性があり、重要な寸法が500 nm以上であるため、超高分解能リソグラフィーの必要性が排除された。