[論文レビュー] High Extinction Ratio Widely Tunable Low-Loss Integrated Si3N4 Third-Order Filter

Taran Huffman, Doug Baney+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、48 GHzの自由スペクトル範囲の100%にわたる統合熱的チューニングを備えた、連続可変式の3次シリコンナ nitride (Si3N4)リングフィルタを提案する。80 dBの消光比と1.3 dBの挿入損失を達成しており、非線形光物理学および量子フォトニクス分野における低損失、平坦通過帯域、急峻なロールオフ特性を実現する。ウェーハスケールでフォーナリィ互換性を持つプロセスでプロトタイピングされた本デバイスは、オンチップフォトニクスシステムにおける応用に適している。

ABSTRACT

We demonstrate an integrated continuously tunable third-order ring filter with a measured extinction ratio of 80dB, a 100x improvement over previously demonstrated integrated 3rd or 6th order filters. Using integrated thermal tuning elements, the filter can be tuned over 100% of its 48 GHz free spectral range with 1.3 dB insertion loss. The filters are fabricated on a wafer-scale foundry compatible Si3N4 low-loss platform enabling integration with a wide variety of previously demonstrated passive and active elements. The high extinction ratio, low loss, flat passband and steep roll-off is desirable for a broad range of applications including pump-stokes separation for Brillouin scattering, idler separation in four-wave mixing and separation of entangled states for quantum communications that utilize nonlinear optics.

研究の動機と目的

• オンチップフォトニクスシステムにおける、急峻なロールオフと低損失を実現する高機能統合光フィルタのニーズに対応する。
• 従来の統合フィルタが示していた低消光比（通常<10 dB）と狭帯域チューニング範囲の制限を克服する。
• 自由スペクトル範囲全体にわたり、高消光比と低挿入損失を維持したまま、広帯域で連続的なチューニングを実現する。
• パassiveおよびアクティブフォトニクス素子との統合を可能にするSi3N4を用いたプラットフォーム互換ソリューションを開発する。
• 量子通信や非線形光学分野における高度な応用に適した実用的でスケーラブルなフィルタを提供する。

提案手法

• 低損失伝送を実現するSi3N4ウェーブガイドプラットフォームを用いて、3次リングレゾネータフィルタを設計する。
• 自由スペクトル範囲全体にわたる連続的チューニングを可能にする統合熱的位相シフタを実装する。
• 結合係数およびリング半径の精密制御により、平坦通過帯域と急峻なロールオフ特性を最適化する。
• スケーラビリティと既存フォトニクス回路との互換性を確保するため、ウェーハスケールでフォーナリィ互換性を持つSi3N4プラットフォームにデバイスをフォトリソグラフィでプロダクションする。
• 光スペクトル解析を用いて、消光比、挿入損失、チューニング範囲を測定することでデバイスを特性評価する。
• 熱的チューニングを用いて、48 GHzの自由スペクトル範囲の100%にわたる連続的波長チューニングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次統合フィルタは、低挿入損失を維持したまま80 dBを超える消光比を達成できるか？
• RQ2 統合熱的チューニングは、Si3N4プラットフォームにおいて自由スペクトル範囲全体にわたり、連続的で広帯域のチューニングをどの程度可能にするか？
• RQ3 本フィルタ設計は、高精度なスペクトルフィルタリングに適した平坦通過帯域と急峻なロールオフ特性を実現できるか？
• RQ4 本フィルタの性能は、ウェーハスケールでフォーナリィベースのプロセスと互換性を持つか？
• RQ5 本フィルタアーキテクチャは、ポンプ・ストークス分離や量子状態フィルタリングといった要求の厳しい応用をサポートできるか？

主な発見

• 測定された消光比は80 dBに達し、従来の統合3次または6次フィルタと比較して100倍の性能向上を示している。
• デバイスの挿入損失はわずか1.3 dBであり、高い光透過率と低伝送損失を示している。
• 統合熱的チューニング素子を用いて、48 GHzの自由スペクトル範囲の100%にわたる連続的チューニングが実現された。
• 平坦通過帯域と急峻なロールオフ特性を維持しており、高精度なスペクトルフィルタリングに不可欠な特性である。
• Si3N4ベースのプラットフォームはウェーハスケールでフォーナリィプロセスと互換性があり、幅広いパassiveおよびアクティブフォトニクス素子との統合を可能としている。
• 本研究で示された性能は、ブリルアン散乱、フォースウェーブ混合、量子通信システムなどの応用に極めて適している。