[論文レビュー] Room-Temperature Sputtered Ultralow-loss Silicon Nitride for Hybrid Photonic Integration

Shuangyou Zhang, Toby Bi+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、室温で反応スパッタリングを用いて作製された超低損失シリコンナ nitride波導の実証を報告している。800 °Cのアニール処理後、伝搬損失は3.5 dB/mに達し、低温度プロセスで報告された中で最も低い値である。この手法により、シリコンエレクトロニクス、III-Vレーザー、酸リチウムナイオバイトインスレータ（LNOI）と組み合わせたCMOS準拠のフロントエンド統合が可能となり、高Qのリングレゾネータと1.3および1.5 µmで明るいソリトン周波数コンブの生成を実現。しきい値出力は1.1 mWまで低下した。

ABSTRACT

Silicon-nitride-on-insulator photonic circuits have seen tremendous advances in many applications, such as on-chip frequency combs, Lidar, telecommunications, and spectroscopy. So far, the best film quality has been achieved with low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and high-temperature annealing (1200 °C). However, high processing temperature poses challenges to the cointegration of Si3N4 with pre-processed silicon electronic and photonic devices, lithium niobate on insulator (LNOI), and Ge-on-Si photodiodes. This limits LPCVD as a front-end-of-line process. Here, we demonstrate ultralow-loss Silicon nitride photonics based on room-temperature reactive sputtering. Propagation losses as low as 5.4 dB/m after 400 °C annealing and 3.5 dB/m after 800 °C annealing are achieved, enabling ring resonators with more than 10 million optical quality factors. To the best of our knowledge, these are the lowest propagation losses achieved with low temperature silicon nitride. This ultralow loss enables threshold powers for optical parametric oscillations to 1.1 mW and enables the generation of bright soliton frequency combs at 1.3 and 1.5 μm. Our work features a full complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatibility with front-end silicon electronics and photonics, and has the potential for hybrid 3D monolithic integration with III-V-on-Si integrated lasers, and LNOI.

研究の動機と目的

• ハイブリッド光集積回路用の低温度・CMOS準拠のシリコンナ nitrideプラットフォームの開発。
• 事前に作製されたエレクトロニクスおよび光集積デバイスと統合を妨げる高温度LPCVDプロセスの制限を克服すること。
• 高温度アニールを要しない状態で、シリコンナ nitride膜に超低損失を実現すること。
• 高品質因子（Q > 10⁷）のリングレゾネータと低しきい値の光パラメトリック発振の実現。
• III-Vオンシリコンレーザーおよび酸リチウムナイオバイトインスレータ（LNOI）と組み合わせたハイブリッド3Dモノリシック統合を支援すること。

提案手法

• 熱oxid化シリコン基板上に、室温での反応スパッタリングを用いてシリコンナ nitride膜を堆積した。
• 堆積後、400 °Cおよび800 °Cでのアニール処理を施し、内部応力の低減と膜品質の向上を図った。
• 伝搬損失の測定にはレーシートラックリングレゾネータ構成を用い、伝搬損失および固有伝搬損失を抽出した。
• 高Qリングレゾネータをプロセスし、特性評価することで、低伝搬損失および高品質因子を検証した。
• 連続波ポンプを用いた周波数コンブ生成を実証し、光パラメトリック発振のしきい値出力を測定した。
• 事前に作製されたシリコンエレクトロニクスおよび光集積デバイスと組み合わせたフロントエンドCMOS統合の適合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温度LPCVDプロセスを必要とせず、室温スパッタリングで超低損失シリコンナ nitride波導を実現できるか？
• RQ2 堆積後アニール処理を施した低温度で作製されたシリコンナ nitride膜で、実現可能な最小伝搬損失はどの程度か？
• RQ3 低温度スパッタリングによるSi3N4で、Q > 10⁷の高Qリングレゾネータを実現できるか？ これは周波数コンブ生成への応用に適しているか？
• RQ4 このような低損失波導で、光パラメトリック発振のしきい値出力はどの程度か？
• RQ5 このプロセスは、III-Vオンシリコンレーザーおよび酸リチウムナイオバイトインスレータ（LNOI）を含むフロントエンドCMOS統合にどの程度適合するか？

主な発見

• 400 °Cアニール後は5.4 dB/m、800 °Cアニール後は3.5 dB/mの伝搬損失を達成し、低温度シリコンナ nitrideで報告された中で最も低い値である。
• Q > 10⁷の高品質因子リングレゾネータが実証され、超低損失を裏付けた。
• 光パラメトリック発振のしきい値出力は1.1 mWに測定され、効率的な周波数コンブ生成が可能となった。
• 1.3および1.5 µmで明るいソリトン周波数コンブが生成され、非線形光子工学への適性が実証された。
• このプロセスはフロントエンドCMOS統合と完全に適合しており、事前に作製されたシリコンエレクトロニクス、III-Vオンシリコンレーザー、および酸リチウムナイオバイトインスレータ（LNOI）と統合可能である。
• 本結果により、高性能シリコンナ nitride光集積回路のためのスケーラブルで低温度のLPCVD代替プロセスが確立された。