[論文レビュー] Suspended silicon waveguides for long-wave infrared wavelengths

Jordi Soler Penadés, Alejandro Sánchez‐Postigo+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、長波長赤外域（7.67 µm）で3.1 ± 0.3 dB/cmの伝搬損失を達成した、サブ波長グレーティング（SWG）構造を用いたアンカー付きシリコン波guidesを示している。この構造により、ヒドロフルオリック酸を用いたエッチングで埋め込み酸化シリコン（BOX）層を選択的に除去可能であり、横方向の光閉じ込めを実現するとともに、機械的安定性を維持し、低損失の曲げ部およびS字湾曲部を実現している。これは、レア材料プラットフォームと同等の性能を示す、長波長赤外域で初めての低損失シリコン波guidesの実現を意味する。

ABSTRACT

In this paper we report suspended silicon waveguides operating at a wavelength of 7.67 mm with a propagation loss of 3.1 ? 0.3 dB/cm. To our knowledge this is the first demonstration of low loss silicon waveguides at such a long wavelength, with loss comparable to other platforms that use more exotic materials. The suspended Si waveguide core is supported by a subwavelength grating that provides lateral optical confinement, while also allowing access to the buried oxide layer so that it can be wet etched using hydrofluoric acid. We also demonstrate low loss waveguide bends and s-bends.

研究の動機と目的

• 4 µmを超える波長域におけるシリコンを用いた低損失中赤外光通信を実現する。この領域ではSiO2が過度に吸収するため、その影響を回避する必要がある。
• 長波長域におけるシリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォームの限界を克服するため、シリコン波guidesコアをアンカー化し、損失の大きい埋め込み酸化シリコン（BOX）層との相互作用を最小限に抑える。
• サブ波長グレーティングを介した選択的湿式エッチングと1回のドライエッチング工程を組み合わせたプロセスを開発し、機械的安定性を向上させるとともに、プロセスの複雑さを低減する。
• 統合中赤外光回路用に、7.67 µmにおける低伝搬損失、低曲げ損失、および高性能部品（例：グレーティングカップラー）の実証を行う。

提案手法

• サブ波長グレーティング（SWG）構造をシリコン波guidesコアにパターン形成し、横方向の光閉じこめを提供するとともに、埋め込み酸化シリコン（BOX）層へのアクセスポイントを形成する。
• 波guidesおよびSWGの定型化に1回のドライエッチング工程を実施後、ヒドロフルオリック酸（HF）を用いてBOX層を波guides下面から選択的に除去し、シリコンコアをアンカー化する。
• SWG構造は光モードの閉じ込めを維持しつつ、完全なBOX除去を可能にし、基板漏れと伝搬損失の低減を実現する。
• 90°曲げ部およびS字湾曲部を含む波guides部品は、同一プロセスで製造され、モードプロファイルと損失はカットバック法により評価された。
• 光学測定は7.67 µmの量子カスケードレーザーを用い、グレーティングカップラーを介してMCT検出器に結合し、ロックイン検出法により信号対雑音比を向上させた。
• 伝搬損失は、異なる長さの波guides間の透過特性を比較し、最も短い波guidesの結果を基準に正規化することで定量された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンカー付きシリコン波guidesは、SiO2の透過窓を超過する7.67 µm波長域で低伝搬損失を達成できるか？
• RQ2 サブ波長グレーティング（SWG）設計は、横方向の光閉じこめを効果的に行い、HFエッチングによる完全なBOX除去を可能にするか？
• RQ3 アンカー付きSi波guidesにおける7.67 µm波長域での実現可能な伝搬損失はどの程度か？ また、材料吸収の限界値や他のグループIV半導体プラットフォームと比較してどうか？
• RQ4 このプロセスアプローチにより、長波長赤外域で低損失の波guides曲げ部およびS字湾曲部を実現できるか？
• RQ5 HFエッチングによる表面粗さが伝搬損失にどの程度寄与しているか？ また、その影響を軽減できるか？

主な発見

• アンカー付きシリコン波guidesは、7.67 µmで3.1 ± 0.3 dB/cmの伝搬損失を達成し、シリコンの固有吸収（約2.1 dB/cm）に近づいた。
• 埋め込み酸化シリコン（BOX）層の除去により、伝搬損失は62.3 ± 9.6 dB/cmから3.1 ± 0.3 dB/cmに低下し、非アンカー波guidesにおけるSiO2吸収の主因であることが確認された。
• 90°曲げ部の損失は0.08 ± 0.02 dB/曲げ、S字湾曲部の損失は0.06 ± 0.02 dB/曲げと測定され、統合光回路に適した低曲げ損失であることが示された。
• 全損失の約0.9 dB/cmは、主にSi/空気界面で長時間HFエッチングにより生じた表面粗さに起因する散乱損失である。
• シミュレーションでは、2.2 dB/cmの損失のうち約2.1 dB/cmが材料吸収（~2.1 dB/cm）および基板漏れ（~0.1 dB/cm）に起因しており、プロセス最適化によりさらなる損失低減が可能であると示唆された。
• 本結果は、SWGを用いたアンカー付き波guidesを有するSOIウェーハが、7–8 µm範囲で低損失中赤外光通信を実現可能であり、センシングおよび分光法応用に適していることを示している。