[論文レビュー] High quality waveguides for the mid-infrared wavelength range in a silicon-on-sapphire platform

Fangxin Li, Stuart D. Jackson+11 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 10被引用数 41

ひとこと要約

本論文では、中赤外域で記錉低損失を達成する高品質なシリコンオンサファイア波ガイドを提案している。1550 nm では 0.8 dB/cm、2080 nm では 1.1–1.4 dB/cm、5.18 µm では 2 dB/cm 未満の損失を達成した。このプラットフォームは、シリコンナノワイヤをサファイア基板上に配置することで散乱と吸収を最小限に抑え、中赤外光通信応用に向けた低損失伝送を可能にした。

ABSTRACT

We report record low loss silicon-on-sapphire nanowires for applications to mid infrared optics. We achieve propagation losses as low as 0.8dB/cm at 1550nm, 1.1 to 1.4dB/cm at 2080nm and < 2dB/cm at = 5.18 microns.

研究の動機と目的

• 中赤外（mid-IR）スケールで低損失波ガイドを開発し、高度なフォトニクス応用を可能にすること。
• 既存の中赤外波ガイドプラットフォームにおける高い伝搬損失の課題を解決すること。
• 光学的品質の向上と散乱の低減を実現するため、シリコンオンサファイア（SOS）基板の利点を活用すること。
• 2080 nm や 5.18 µm といった重要な中赤外波長帯域で、超低損失伝搬を実証すること。
• 中赤外統合フォトニクス向けにスケーラブルで高パフォーマンスなプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 散乱損失を低減するため、高品質なサファイア基板を用いたシリコンオンサファイア（SOS）波ガイドのプロセス。
• 電子ビームリソグラフィーとレアクティブアイオンエッチングを用いてナノスケールのシリコン波ガイドを定義。
• 波ガイド寸法と表面平滑化の最適化により、散乱損失および放射損失を最小限に抑える。
• 複数の中赤外波長帯で伝搬損失を測定するためにカットスルーメソッドを用いる。
• 損失のトレンドを評価するため、1550 nm、2080 nm、5.18 µm での波ガイド性能を特徴づける。
• サファイアの格子定数および熱的不整合特性を活用し、波ガイドの安定性と光学的品質を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンオンサファイア波ガイドは、中赤外域で伝搬損失を 1 dB/cm 未満に抑えることができるか？
• RQ2 2080 nm および 5.18 µm における、サファイア上に形成されたシリコンナノワイヤで達成可能な最小伝搬損失はどの程度か？
• RQ3 光学的損失および材料適合性の観点から、SOSプラットフォームは他の中赤外波ガイドプラットフォームと比較してどのように差別化されるか？
• RQ4 シリコンオンサファイア波ガイドでは、表面粗さと散乱をどの程度まで低減できるか？
• RQ5 SOSプラットフォームは、広帯域の中赤外帯域にわたり低損失伝送をサポートできるか？

主な発見

• 1550 nm で記録的な低損失 0.8 dB/cm を達成し、近赤外域で優れた性能を示した。
• 2080 nm では伝搬損失が 1.1 dB/cm から 1.4 dB/cm の間で測定され、中赤外域でも優れた性能を示した。
• 5.18 µm では伝搬損失が 2 dB/cm 未満であったため、長波長中赤外応用の実現可能性が確認された。
• 高品質なサファイア基板と滑らかな波ガイド表面のおかげで、SOSプラットフォームは散乱損失を顕著に低減した。
• これらの結果から、SOS波ガイドは低損失中赤外統合フォトニクスに有望なプラットフォームであることが示された。
• 本研究は、1.5–5.2 µm 範囲におけるシリコンベース波ガイドの伝搬損失のベンチマークを確立した。