[논문 리뷰] A heterogeneously integrated lithium niobate-on-silicon nitride photonic platform

Mikhail Churaev, Rui Ning Wang외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 03.

Photonic and Optical Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 박막 LiNbO₃를 저손실 Si₃N₄ 광학 집적 회로에 웨이퍼 수준의 접합을 통해 이방성 통합한 리튬니오브산탄(리튬니오브산탄) 기반 광학 플랫폼을 제시한다. 이 플랫폼은 <0.1 dB/cm의 전파 손실과 <0.1 dB/전이의 손실을 제공하여 저손실, 고수율의 전기광학 장치를 실현하며, 고-Q 마이크로공진기, 조절 가능한 광학 이중체, 그리고 공장에서 사용 가능한 플랫폼에서 전기광학 주파수 조화를 지원한다.

ABSTRACT

The availability of thin-film lithium niobate on insulator (LNOI) and advances in processing have led to the emergence of fully integrated LiNbO3 electro-optic devices, including low-voltage, high-speed modulators, electro-optic frequency combs, and microwave-optical transducers. Yet to date, LiNbO3 photonic integrated circuits (PICs) have mostly been fabricated using non-standard etching techniques that lack the reproducibility routinely achieved in silicon photonics. Widespread future application of thin-film LiNbO3 requires a reliable and scalable solution using standard processing and precise lithographic control. Here we demonstrate a heterogeneously integrated LiNbO3 photonic platform that overcomes the abovementioned challenges by employing wafer-scale bonding of thin-film LiNbO3 to planarized low-loss silicon nitride (Si3N4) photonic integrated circuits, a mature foundry-grade integrated photonic platform. The resulting devices combine the substantial Pockels effect of LiNbO3 with the scalability, high-yield, and complexity of the underlying Si3N4 PICs. Importantly, the platform maintains the low propagation loss (&lt;0.1 dB/cm) and efficient fiber-to-chip coupling (&lt;2.5 dB per facet) of the Si3N4 waveguides. We find that ten transitions between a mode confined in the Si3N4 PIC and the hybrid LiNbO$_3$ mode produce less than 0.8 dB additional loss, corresponding to a loss per transition not exceeding 0.1 dB. These nearly lossless adiabatic transitions thus link the low-loss passive Si3N4 photonic structures with electro-optic components. We demonstrate high-Q microresonators, optical splitters, electrically tunable photonic dimers, electro-optic frequency combs, and carrier-envelope phase detection of a femtosecond laser on the same platform, thus providing a reliable and foundry-ready solution to low-loss and complex LiNbO3 integrated photonic circuits.

연구 동기 및 목표

• 표준 실리콘 광학 회로 공정을 사용한 박막 리튬니오브산탄 광학 집적 회로(PIC)의 스케일업 및 재현 가능 제조의 부족을 해결한다.
• LiNbO₃ PIC에서 표준이 아닌 에칭 기술로 인한 수율 및 복잡성 제한을 극복한다.
• LiNbO₃의 강력한 포켈 효과를 저손실, 고수율, 리소그래피 정밀도가 뛰어난 Si₃N₄ 플랫폼과 통합하여 스케일업 가능한 전기광학 장치를 실현한다.
• Si₃N₄와 하이브리드 LiNbO₃ 웨이브가이드 간 거의 손실 없는 단서적 모드 전이 구현을 통해 복잡한 저손실 광학 회로를 실현한다.
• 고급 광통신, 양자 광학, 마이크로파-광학 변환 분야의 응용을 위한 공장에서 사용 가능한 웨이퍼 수준의 플랫폼을 개발한다.

제안 방법

• 박막 리튬니오브산탄(TFLN)을 평탄화된 초저손실 실리콘 질화물(Si₃N₄) 광학 집적 회로에 웨이퍼 수준의 접합을 통해 이방성 통합한다.
• 고도로 성숙한 공장 수준의 Si₃N₄ 다마스킨 기술을 활용하여 표면 거칠기가 100 pm 이하인 고수율, 고정밀 웨이브가이드 제작을 실현한다.
• Si₃N₄와 하이브리드 Si₃N₄/LiNbO₃ 웨이브가이드 간 단서적 모드 전이를 설계 및 제작하여 결합 손실을 최소화한다.
• LiNbO₃의 포켈 효과를 활용하여 전기광학 변조 및 이차항 주파수 분할, 슈퍼연속 스펙트럼 생성과 같은 비선형 효과를 실현한다.
• 전기광학 효율을 극대화하기 위해 하이브리드 웨이브가이드 기하구조를 최적화하여 X-절단 리지 웨이브가이드 플랫폼과 비교해도 유사하거나 뛰어난 Vπ·L 제품을 달성한다.
• 고-Q 마이크로공진기, 광학 이중체, 피크세컨드 레이저의 캐리어-엔velope 위상 검출을 이용한 장치 성능을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si₃N₄ PIC와 박막 LiNbO₃의 웨이퍼 수준 이방성 통합이 저전파 손실을 유지하면서도 강력한 전기광학 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ2 Si₃N₄와 하이브리드 LiNbO₃ 웨이브가이드 간 단서적 모드 전이에서 얻을 수 있는 최소 삽입 손실은 얼마인가?
• RQ3 이 하이브리드 플랫폼은 저구동 전압 및 고효율을 갖춘 고-Q 마이크로공진기와 전기광학 주파수 조화를 지원할 수 있는가?
• RQ4 이 하이브리드 플랫폼의 전기광학 성능은 기존 리지 웨이브가이드 LiNbO₃ 장치와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이 플랫폼은 소형화된 통합 형식에서 슈퍼연속 스펙트럼 생성 및 이차항 주파수 분할과 같은 비선형 광학 과정을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 플랫폼은 Si₃N₄ 웨이브가이드에서 <0.1 dB/cm의 전파 손실을 달성하여 기반 플랫폼의 저손실 특성을 유지한다.
• Si₃N₄와 하이브리드 LiNbO₃ 웨이브가이드 간 단서적 전이에서 각 인터페이스당 삽입 손실이 <0.1 dB이며, 총 10개의 전이로도 손실 총합이 0.8 dB 미만이다.
• 질량 요소 수가 10⁶을 초과하는 고-Q 마이크로공진기를 플랫폼에서 실현하여 효율적인 전기광학 주파수 조화 생성을 가능하게 하였다.
• 30 MHz/V의 주파수 조절 범위를 갖는 전기적으로 조절 가능한 광학 이중체를 실현하여 DC 전압을 가한 경우의 간섭 제어를 입증하였다.
• χ³ 비선형성을 통해 오크타브 스펙트럼을 커버하는 슈퍼연속 스펙트럼 생성을 실현하였으며, 同시에 이차항 주파수 분할을 통해 피크세컨드 레이저의 직접 캐리어-엔벨롭 오프셋 주파수 검출이 가능하였다.
• 하이브리드 웨이브가이드 기하구조의 전기광학 성능은 X-절단 리지 웨이브가이드 플랫폼과 유사하거나 뛰어나며, Vπ·L 제품은 기존 최첨단 설계와 비교해도 유사하거나 뛰어나다.