[論文レビュー] Superefficient microcombs at the wafer level

Marcello Girardi, Óskar B. Helgason+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超低損失波ガイド処理とフォトニックスモolecule設計を活用することで、98%以上の出荷率と50%を超える電力変換効率を達成したウェーハスケールの窒化シリコンマイクロコムのプロセスを示した。この手法により、データセンターアプリケーション、ライダー、および広帯域位相感受性分光法（トリコム干渉計）を用いた分光法への応用が可能な、高精度でスケーラブルなソリトンマイクロコムの生産が可能になった。

ABSTRACT

Photonic integrated circuits utilize planar waveguides to process light on a chip, encompassing functions like generation, routing, modulation, and detection. Similar to the advancements in the electronics industry, photonics research is steadily transferring an expanding repertoire of functionalities onto integrated platforms. The combination of best-in-class materials at the wafer-level increases versatility and performance, suitable for large-scale markets, such as datacentre interconnects, lidar for autonomous driving or consumer health. These applications require mature integration platforms to sustain the production of millions of devices per year and provide efficient solutions in terms of power consumption and wavelength multiplicity for scalability. Chip-scale frequency combs offer massive wavelength parallelization, holding a transformative potential in photonic system integration, but efficient solutions have only been reported at the die level. Here, we demonstrate a silicon nitride technology on a 100 mm wafer that aids the performance requirements of soliton microcombs in terms of yield, spectral stability, and power efficiency. Soliton microcombs are reported with an average conversion efficiency exceeding 50%, featuring 100 lines at 100 GHz repetition rate. We further illustrate the enabling possibilities of the space multiplicity, i.e., the large wafer-level redundancy, for establishing new sensing applications, and show tri-comb interferometry for broadband phase-sensitive spectroscopy. Combined with heterogeneous integration of lasers, we envision a proliferation of high-performance photonic systems for applications in future navigation systems, data centre interconnects, and ranging.

研究の動機と目的

• 大規模フォトニクス統合に不可欠なチップスケール周波数コムのスケーラブルかつ高出荷率の製造法の欠如に応える。
• デイレベルでのマイクロコム製造の限界を克服し、高出荷率とスペクトル安定性を実現するウェーハレベル処理を可能にする。
• ソリトンマイクロコムにおける電力変換効率を50%以上に向上させ、光学出力パワーを最大化し、壁面電力消費を低減する。
• ウェーハスケールのリダンドンスを活用し、広帯域位相感受性分光法のための新しいセンシングモダリティ（例えば、トリコム干渉計）を実現する。
• 異種レーザーと統合することで、データセンターコパッケージドオプティクスおよび自動運転車両システムにおける大規模市場展開を可能にする。

提案手法

• 100 mmの窒化シリコンウェーハ上に、サブトラクティブでCMOS準拠のプロセスを採用し、波ガイドにおける超低損失を実現した。
• メインループレゾネータと補助キャビティを有するフォトニックスモoleculeアーキテクチャを設計し、一定の位相シフトを誘導することで、ポンプパワーの結合と変換効率を向上させた。
• ウェーハエッジにクラックバリアを設け、欠陥の拡大を防ぎ、シングルネーション工程における高出荷率を確保した。
• 1562.3 nmの単一連続波レーザーを用いて、複数のマイクロコムを同時にポンプし、干渉計用途に適した相互コherentlyな状態を維持した。
• 局所発振器コムを用いたマルチヘテロダイン検出により、ビートノートをダウンコンバートし、フーリエ解析を用いてスペクトル位相を再構築した。
• 光学パルスシェーパーをプログラミングして位相プロファイルを生成し、複数のサンプルを模擬することで、振幅および位相の逐次的特性評価を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 mmウェーハ上でのスケーラブルな製造が可能で、高出荷率かつ再現性の高い超効率的ソリトンマイクロコムを実現できるか？
• RQ2 フォトニックスモolecule設計は、従来の設計と比較して、マイクロコムにおける電力変換効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 ウェーハレベルのリダンドンスは、広帯域位相感受性分光法のような新しいセンシング応用を可能にするか？
• RQ4 高効率マイクロコムと異種レーザーの統合は、システムレベルのスケーラビリティと電力効率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 複数の高効率コムを用いたトリコム干渉計により、高感度かつ並列的なスペクトル位相再構築が可能になるか？

主な発見

• ソリトンマイクロコムのウェーハスケール製造において98%の出荷率を達成し、プロセスの信頼性とスケーラビリティを実証した。
• マイクロコムは50%を超える電力変換効率を達成し、光学出力パワーの増大と壁面電力消費の低減を顕著に改善した。
• フォトニックスモolecule設計により、スペクトル分布が平坦で、ポンプパワー結合効率が向上した決定論的ソリトン生成が実現した。
• 2つのプローブコムと1つの局所発振器コムを用いたトリコム干渉計が成功裏に実証され、残差標準偏差が0.07 radおよび0.25 radの並列的で高感度の位相再構築が可能になった。
• 1本のポンプレーザーとマルチヘテロダイン検出を用いて、ポンプの事前フィルタリングなしに45 nm帯域の広帯域スペクトル特性評価を達成した。
• 本結果は、データセンターアプリケーション、自動運転、高精度センシング分野におけるチップスケールマイクロコムモジュールの大量市場展開の基盤を確立した。