[논문 리뷰] High Extinction Ratio Widely Tunable Low-Loss Integrated Si3N4 Third-Order Filter

Taran Huffman, Doug Baney외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 21.

Photonic and Optical Devices인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 48 GHz 자유 스펙트럼 범위의 100%에 걸쳐 통합된 열적 테이닝을 통해 연속적으로 테이닝 가능한, 삼차 차수의 실리콘 nitride (Si3N4) 링 필터를 제시한다. 이 필터는 80 dB의 고도의 외부 비율과 1.3 dB의 삽입 손실을 구현한다. 웨이퍼 스케일의 팹 기반 호환 플랫폼에 제작되어, 비선형 광학 및 양자 광학 분야에서 저손실, 평탄한 통과 대역, 급격한 감쇄 특성을 갖춘 필터링을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate an integrated continuously tunable third-order ring filter with a measured extinction ratio of 80dB, a 100x improvement over previously demonstrated integrated 3rd or 6th order filters. Using integrated thermal tuning elements, the filter can be tuned over 100% of its 48 GHz free spectral range with 1.3 dB insertion loss. The filters are fabricated on a wafer-scale foundry compatible Si3N4 low-loss platform enabling integration with a wide variety of previously demonstrated passive and active elements. The high extinction ratio, low loss, flat passband and steep roll-off is desirable for a broad range of applications including pump-stokes separation for Brillouin scattering, idler separation in four-wave mixing and separation of entangled states for quantum communications that utilize nonlinear optics.

연구 동기 및 목표

• 칩 내 광학 시스템에서 급격한 감쇄 특성과 낮은 손실을 갖춘 고성능 통합 광학 필터의 필요성을 해결한다.
• 이전의 통합 필터들이 일반적으로 < 10 dB의 낮은 외부 비율과 좁은 테이닝 범위를 보였던 한계를 극복한다.
• 자유 스펙트럼 범위 전역에서 고도의 외부 비율과 낮은 삽입 손실을 유지하면서 광범위하고 연속적인 테이닝을 가능하게 한다.
• 수동 및 능동 광학 구성 요소와의 통합을 지원하는 Si3N4 기반 플랫폼 호환 솔루션을 개발한다.
• 양자 통신 및 비선형 광학 분야의 고급 응용 분야에 실용적이고 확장 가능한 필터를 제공한다.

제안 방법

• 저손실 전파 손실을 갖춘 Si3N4 웨이브가이드 플랫폼을 사용하여 삼차 링 공진기 필터를 설계한다.
• 자유 스펙트럼 범위 전역에서 연속적인 테이닝을 가능하게 하기 위해 통합된 열적 위상 시프터를 구현한다.
• 결합 계수와 링 반경의 정밀한 제어를 통해 통과 대역의 평탄함과 급격한 감쇄 특성을 확보하기 위해 필터 응답을 최적화한다.
• 확장성과 기존 광학 회로와의 호환성을 보장하기 위해 웨이퍼 스케일의 팹 기반 Si3N4 플랫폼에 장치를 제작한다.
• 광학 스펙트럼 분석을 통해 외부 비율, 삽입 손실, 테이닝 범위를 측정하여 필터를 특성화한다.
• 열적 테이닝을 통해 48 GHz 자유 스펙트럼 범위의 100%에 걸쳐 연속적인 파장 테이닝을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼차 통합 필터가 낮은 삽입 손실을 유지하면서도 80 dB를 초과하는 외부 비율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 Si3N4 플랫폼에서 통합된 열적 테이닝이 자유 스펙트럼 범위 전역에서 연속적이고 광범위한 테이닝을 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ3 이 필터 설계가 고정밀 스펙트럼 필터링에 적합한 평탄한 통과 대역과 급격한 감쇄 특성을 갖출 수 있는가?
• RQ4 이 필터 성능은 웨이퍼 스케일의 팹 기반 제조 공정과 호환되는가?
• RQ5 이 필터 아키텍처는 펌프-스톡스 분리 및 양자 상태 필터링과 같은 도전적인 응용 분야를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 외부 비율이 80 dB에 도달하여 이전에 보고된 통합 3차 또는 6차 필터보다 100배 향상된 성능을 보였다.
• 장치는 단지 1.3 dB의 삽입 손실을 보이며, 높은 광학 통과율과 낮은 전파 손실을 나타낸다.
• 통합된 열적 테이닝 요소를 사용하여 48 GHz 자유 스펙트럼 범위의 100%에 걸쳐 연속적인 테이닝이 가능하다.
• 평탄한 통과 대역과 급격한 감쇄 특성을 유지하여 고정밀 스펙트럼 필터링에 필수적인 조건을 충족한다.
• Si3N4 기반 플랫폼은 웨이퍼 스케일의 팹 제조와 호환되어 다양한 수동 및 능동 광학 구성 요소와의 통합이 가능하다.
• 실증된 성능 덕분에 이 필터는 브릴루앙 산란, 4웨이브 믹싱, 그리고 양자 통신 시스템과 같은 응용 분야에 매우 적합하다.