[논문 리뷰] A versatile, inexpensive integrated photonics platform

Jeffrey M. Shainline, Sonia Buckley외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 07.

Photonic and Optical DevicesEngineering참고 문헌 72인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 i-line 리지오그래피를 사용하여 근접 대기 온도에서 SiN 웨이브가이드와 초도체 나노와이어 단광자 탐지기(SNSPD)를 증착하는 저비용이며 다용도인 통합 광학 플랫폼을 제시한다. 이 공정은 막대기 간섭계 및 링 공진기와 같은 수동 장치의 고정밀, 확장 가능한 제조를 가능하게 하며, 1 K에서 160 °C까지 작동이 가능한 내구성 있고 공정에 의존하지 않는 광섬유 패ckaging을 실현하여 양자 광학 및 비선형 광학 분야에서 높은 탐지 효율과 낮은 손실을 제공한다.

ABSTRACT

We present an approach to fabrication and packaging of integrated photonic devices that utilizes waveguide and detector layers deposited at near-ambient temperature. All lithography is performed with a 365 nm i-line stepper, facilitating low cost and high scalability. We have shown low-loss SiN waveguides, high-$Q$ ring resonators, critically coupled ring resonators, 50/50 beam splitters, Mach-Zehnder interferometers (MZIs) and a process-agnostic fiber packaging scheme. We have further explored the utility of this process for applications in nonlinear optics and quantum photonics. We demonstrate spectral tailoring and octave-spanning supercontinuum generation as well as the integration of superconducting nanowire single photon detectors with MZIs and channel-dropping filters. The packaging approach is suitable for operation up to 160 \degree C as well as below 1 K. The process is well suited for augmentation of existing foundry capabilities or as a stand-alone process.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기판과 패브리케이션 워크플로우에 호환 가능한 저비용이고 확장 가능한 통합 광학 패턴 제조 공정을 개발하기 위해.
• i-line 스테퍼 리지오그래피와 근접 대기 온도 증착을 사용하여 고정밀, 저손실 수동 광학 장치를 실현하기 위해.
• 초도체 나노와이어 단광자 탐지기(SNSPD)를 온칩 광학 회로와 통합하여 양자 광학 응용을 가능하게 하기 위해.
• 1 K에서 160 °C까지 기능 가능한 공정에 의존하지 않는 광섬유 패킹 방법을 개발하여 광범위한 응용 호환성을 확보하기 위해.
• 초광역 슈퍼컨티누움 생성과 온칩 탐지기 통합을 통해 플랫폼의 유용성을 비선형 광학 및 양자 광학 분야에서 입증하기 위해.

제안 방법

• N₂ 및 SiH₄ 전구체를 사용하여 65 °C 이하에서 플라즈마 증착 화학 기상 에피터셜(PECVD)을 통해 SiN 웨이브가이드 층을 증착한다.
• 모든 리지오그래피 공정에 i-line 스테퍼(365 nm)를 사용하여 저비용이고 고확장성의 제조를 가능하게 한다.
• 후단 공정(BEOL) 통합과의 호환성을 위해 근접 대기 온도에서 스퍼터링을 통해 WSi 기반 SNSPD를 증착한다.
• 정렬 마커와 에폭시 접합을 사용하는 공정에 의존하지 않는 광섬유 패킹 방법을 적용하여 1 K에서 160 °C까지의 온도 범위에서 기능한다.
• 직접 웨이브가이드 커플링을 통해 막대기 간섭계 및 채널 드롭 필터와 SNSPD를 통합한다.
• 분산 설계된 웨이브가이드와 링 공진기를 사용하여 고Q요소(>10⁶)와 임계 커플링을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 i-line 리지오그래피와 근접 대기 온도 증착을 사용하여 저비용이고 확장 가능한 광학 플랫폼을 개발할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 통해 고정밀, 저손실 SiN 웨이브가이드와 고Q 공진기를 제조할 수 있는가?
• RQ3 이 공정을 사용하여 초도체 나노와이어 단광자 탐지기를 온칩 광학 회로와 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ4 광섬유 패킹 방법이 극한의 온도 범위(1 K에서 160 °C)에서 신뢰성 있고 고처리량의 커플링을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 초광역 슈퍼컨티누움 생성과 양자 광학 회로와 같은 고급 응용을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• PECVD 증착을 통해 65 °C 이하에서 수행된 결과, 전파 손실이 약 0.2 dB/cm인 저손실 SiN 웨이브가이드를 확보하였다.
• Q요소가 10⁶를 초과하는 고Q 링 공진기를 실현하여 임계 커플링과 높은 외부 감쇠 비율을 달성하였다.
• 50/50 막대기 간섭계(MZI)는 스펙트럼 응답에서 거의 30 dB의 외부 감쇠 깊이를 나타내어 고해상도 및 저교차 채널을 의미한다.
• 웨이브가이드 통합 SNSPD는 여러 장치에서 거의 동일한 성능을 보였으며, 네 채널 드롭 필터에서 20 dB 이상의 외부 감쇠가 관측되었다.
• 광섬유 패킹 방법은 1 K에서 160 °C까지 넓은 온도 범위에서 안정적인 커플링을 가능하게 하였으며, 성능 저하 없이 기능하였다.
• 스펙트럼 토닝과 주파수 커브를 사용한 초광역 슈퍼컨티누움 생성이 입증되어 비선형 광학 응용의 유용성을 확인하였다.