[論文レビュー] Tailoring Broadband Kerr Soliton Microcombs via Post-Fabrication Tuning of the Geometric Dispersion

Grégory Moille, Daron Westly+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 39被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、ウェーハレベルでサブ10 nmの精度で窒化シリコン（Si3N4）マイクロレゾネータの厚さを後工程でドライエッチングすることで、広帯域ケルス・ソリトンマイクロコンブにおける幾何的分散および分散波（DW）の位置を精密に制御する技術を示している。この手法は高い光学的Qファクターを維持し、チップレベルでのトリミングおよびマルチプロジェクトウェーハ統合を可能にし、40 THzのDW周波数範囲を実現し、73 GHz/nmの感度を達成した。

ABSTRACT

Geometric dispersion in integrated microresonators plays a major role in nonlinear optics applications, especially at short wavelengths, to compensate the natural material normal dispersion. Tailoring of geometric confinement allows for anomalous dispersion, which in particular enables the formation of microcombs which can be tuned into the dissipative Kerr soliton (DKS) regime. Due to processes like soliton-induced dispersive wave generation, broadband DKS combs are particularly sensitive to higher-order dispersion, which in turn is sensitive to the ring dimensions at the nanometer-level. For microrings exhibiting a rectangular cross section, the ring width and thickness are the two main control parameters to achieve the targeted dispersion. The former can be easily varied through parameter variation within the lithography mask, yet the latter is defined by the film thickness during growth of the starting material stack, and can show a significant variation (few percent of the total thickness) over a single wafer. In this letter, we demonstrate that controlled dry-etching allows for fine tuning of the device layer (silicon nitride) thickness at the wafer level, allowing multi-project wafers targeting different wavelength bands, and post-fabrication trimming in air-clad ring devices. We demonstrate that such dry etching does not significantly affect either the silicon nitride surface roughness or the optical quality of the devices, thereby enabling fine tuning of the dispersion and the spectral shape of the resulting DKS states.

研究の動機と目的

• ウェーハ全体にわたるSi3N4膜の自然な厚さばらつきがマイクロコンブの性能の一貫性を制限するという課題に対処すること。
• 空気クラッドSi3N4マイクロレゾネータにおける幾何的分散の後工程での調整を可能にし、広帯域ダイスシブ・ケルス・ソリトン（DKS）マイクロコンブにおける分散波（DW）のスペクトル位置を精密に制御すること。
• 高い光学的Qファクターおよび表面の滑らかさを維持するウェーハスケールの選択的ドライエッチングプロセスを開発すること。
• 散乱損失を伴うケルス・ソリトン（DKS）マイクロコンブにおける分散工学のためのチップレベルでのトリミングを実証し、マルチプロジェクトウェーハプロダクションを支援すること。

提案手法

• 反応性イオンエッチング（RIE）を用いた選択的ドライエッチングプロセスで、45 WのRF出力と20 sのエッチング時間により、1ステップあたり約4 nmの厚さ調整が可能となった。
• 波ガイド端部に酸化物クラッドを設けた空気クラッドマイクロレゾネータ構造により、後工程でのSi3N4層へのアクセスを可能にしつつ、ファイバー結合のための低損失を維持した。
• トリミング中に光学的特性を測定し、リアルタイムフィードバックを用いることで、分散およびDKS状態の進化を精密に制御した。
• 調整された分散プロファイルを用いたLugiato-Lefever方程式による理論的モデリングにより、実験結果の妥当性が検証され、リング幅への影響は最小限であることが確認された。
• ウェーハスケールの選択的マスキングにより、1枚のウェーハ上で異なる厚さを有する複数のプロダクトを同時に製造可能となり、多様なスペクトル帯域要件に対応したマルチプロジェクトファブリケーションが実現した。
• 表面粗さおよびQファクターの測定により、エッチング後も顕著な劣化は観察されず、光学的性能が保持されていることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 後工程のドライエッチングは、光学的Qファクターの劣化を伴わずに、Si3N4マイクロレゾネータの厚さをサブ10 nmで調整可能か？
• RQ2 厚さ調整による制御が、広帯域ダイスシブ・ケルス・ソリトン（DKS）マイクロコンブにおける分散波（DW）のスペクトル位置にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 このトリミング技術は、100 mmのSi3N4ウェーハ全体にわたる自然な厚さばらつきを補正し、所望の分散特性を持つデバイスの出荷率を向上させることができるか？
• RQ4 空気クラッドマイクロレゾネータと酸化物クラッド波ガイド端部の組み合わせが、後工程での調整と低損失結合を両立する仕組みは何か？
• RQ5 統合分散モデルを用いて、DWの調整範囲を予測および制御できるか？

主な発見

• ドライエッチングプロセスは1ステップあたり4 nmの厚さ調整分解能を達成し、Si3N4マイクロレゾネータにおける幾何的分散の精密制御が可能となった。
• DKSマイクロコンブにおける分散波（DW）の位置は、厚さの1 nm減少あたり約-73 GHzの速度で調整可能であり、実験的およびシミュレーション的スペクトルが良好に一致した。
• トリミング後も光学的Qファクターは高く、変化がなく、表面粗さの顕著な増加も観察されなかった。
• 30 nmの厚さ変動範囲で40 THzの広いDW調整範囲を達成し、マイクロコンブにおける広帯域制御の可能性を示した。
• 異なる厚さを1枚のウェーハ上で選択的にエッチング可能であるため、マルチプロジェクトウェーハファブリケーションが可能となり、1チップに多様なデバイスプロジェクトを統合できる。
• 調整された分散プロファイルを用いたLugiato-Lefever方程式による理論的シミュレーションは、実験結果と良好に一致し、エッチングプロセスが主に物理的プロセスであり、リング幅に顕著な影響を及ぼさないことを確認した。