[논문 리뷰] A narrow-linewidth III-V/Si/Si3N4 laser using multilayer heterogeneous integration

Chao Xiang, Warren Jin외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 01.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 28인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다층 이종 통합을 이용한 협대역폭 III-V/Si/Si3N4 레이저를 제시한다. III-V 반도체 발광 물질과 실리콘 및 실리콘 nitride 웨이브가이드를 조합하여 전기적 펌프, 저위상 노이즈 레이저 작동을 가능하게 한다. 장치는 뛰어난 온도 안정성과 저위상 노이즈 성능을 달성하여 고성능 광학 발광을 저지수율 재료와 통합하는 실용적인 길을 제시한다.

ABSTRACT

Silicon nitride (Si3N4), as a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) material, finds wide use in modern integrated circuit (IC) technology. The past decade has witnessed tremendous development of Si3N4 in photonic areas, with innovations in nonlinear photonics, optical sensing, etc. However, the lack of an integrated laser with high performance prohibits the large-scale integration of Si3N4 waveguides into complex photonic integrated circuits (PICs). Here, we demonstrate a novel III-V/Si/Si3N4 structure to enable efficient electrically pumped lasing in a Si3N4 based laser external cavity. The laser shows superior temperature stability and low phase noise compared with lasers purely dependent on semiconductors. Beyond this, the demonstrated multilayer heterogeneous integration provides a practical path to incorporate efficient optical gain with various low-refractive-index materials. Multilayer heterogeneous integration could extend the capabilities of semiconductor lasers to improve performance and enable a new class of devices such as integrated optical clocks and optical gyroscopes.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 질화물(Si3N4) 광학 플랫폼에서 통합된 고성능 레이저의 부족을 보완하기 위해.
• Si3N4 기반 외부 공진기 레이저에서 효율적이고 전기적 펌프 레이저 작동을 가능하게 하기 위해.
• III-V 반도체를 실리콘과 Si3N4와 통합하여 레이저 성능을 향상시키는 다층 이종 통합 기반 기술을 개발하기 위해.
• 반도체 레이저를 저굴절률 재료와 통합하여 옵티컬 클록 및 고속도계와 같은 새로운 장치를 개발하기 위해.

제안 방법

• 단일 칩에 III-V 반도체, 실리콘, 실리콘 질화물을 조합한 다층 이종 통합 플랫폼을 사용한다.
• 저손실 광학 경로로 Si3N4 웨이브가이드를 사용하고 III-V 반도체 발광 칩을 펌프 원천으로 사용하는 외부 공진기 구성 방식을 채택한다.
• 접합 기술을 통해 III-V 발광 물질을 실리콘 기반에 Si3N4 웨이브가이드와 직접 통합하여 효율적인 빛 커플링을 구현한다.
• III-V 발광 칩을 전기적으로 펌프하면서 Si3N4 웨이브가이드를 사용해 저손실 및 위상 안정성을 확보한다.
• CMOS 호환 재료 및 공정을 활용하여 기존 IC 제조 공정과의 확장성과 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이종 통합을 통해 Si3N4 기반 플랫폼에서 협대역폭 전기적 펌프 레이저를 실현할 수 있는가?
• RQ2 다층 이종 통합은 Si3N4 레이저의 위상 노이즈와 온도 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 III-V 반도체는 Si3N4 웨이브가이드와 얼마나 효율적으로 커플링되어 저손실 레이저 작동이 가능한가?
• RQ4 이 통합 기술은 통합 옵티컬 클록 또는 고속도계와 같은 새로운 광학 장치를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 레이저는 100 kHz 미만의 협대역폭을 달성하여 높은 위상 안정성을 나타낸다.
• 장치는 순수 반도체 기반 레이저보다 뚜렷이 뛰어난 저위상 노이즈 성능을 보였다.
• Si3N4 웨이브가이드의 저열 민감성과 최적화된 열 관리 덕분에 뛰어난 온도 안정성이 확보되었다.
• 다층 이종 통합은 Si3N4 웨이브가이드에서 효율적인 전기 펌프와 저손실 전파를 가능하게 하였다.
• 이 접근법은 고성능 광학 발광을 저지수율 재료와 통합하는 확장 가능하고 CMOS 호환 가능한 길을 제공한다.