[논문 리뷰] High quality waveguides for the mid-infrared wavelength range in a silicon-on-sapphire platform

Fangxin Li, Stuart D. Jackson외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 29.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 10인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 중간 적외선 영역에서 기록적인 저손실을 달성한 고성능 실리콘-사파이어 웨이브가이드를 제시한다. 1550 nm에서 0.8 dB/cm, 2080 nm에서 1.1–1.4 dB/cm, 5.18 µm에서 2 dB/cm 미만의 손실을 기록하였다. 이 플랫폼은 산란과 흡수를 최소화하기 위해 실리콘 나노와이어를 사파이어 기판 위에 구현하여 중간 적외선 광학 응용을 위한 저손실 전송을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report record low loss silicon-on-sapphire nanowires for applications to mid infrared optics. We achieve propagation losses as low as 0.8dB/cm at 1550nm, 1.1 to 1.4dB/cm at 2080nm and < 2dB/cm at = 5.18 microns.

연구 동기 및 목표

• 중간 적외선 스펙트럼 영역에서 저손실 웨이브가이드를 개발하여 고성능 광학 응용을 가능하게 하기 위해.
• 기존 중간 적외선 웨이브가이드 플랫폼에서 높은 전파 손실 문제를 해결하기 위해.
• 실리콘-사파이어(SOS) 기판의 장점을 활용하여 광학 품질을 향상시키고 산란을 감소시키기 위해.
• 2080 nm 및 5.18 µm와 같은 주요 중간 적외선 파장에서 초저손실 전파 특성을 입증하기 위해.
• 중간 적외선 통합 광학을 위한 확장 가능하고 고성능 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 산란 손실을 감소시키기 위해 고품질 사파이어 기판을 사용하여 실리콘-사파이어(SOS) 웨이브가이드를 제작한다.
• 전자선 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 나노스케일 실리콘 웨이브가이드를 정의한다.
• 산란 손실과 복사 손실을 최소화하기 위해 웨이브가이드 치수 및 표면 매끄러움을 최적화한다.
• 여러 중간 적외선 파장에서 전파 손실을 측정하기 위해 컷스루 방법을 사용한다.
• 손실 경향을 평가하기 위해 1550 nm, 2080 nm 및 5.18 µm에서 웨이브가이드 성능을 특성화한다.
• 사파이어의 격자 및 열적 불일치 특성을 활용하여 웨이브가이드의 안정성과 광학 품질을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘-사파이어 웨이브가이드는 중간 적외선 영역에서 1 dB/cm 이하의 전파 손실을 달성할 수 있는가?
• RQ2 2080 nm 및 5.18 µm에서 실리콘 나노와이어의 사파이어 기판 상에서 도달 가능한 최소 전파 손실은 얼마인가?
• RQ3 광학 손실 및 재료 호환성 측면에서 SOS 플랫폼은 다른 중간 적외선 웨이브가이드 플랫폼과 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 실리콘-사파이어 웨이브가이드에서 표면 거칠기와 산란를 얼마나 최소화할 수 있는가?
• RQ5 SOS 플랫폼은 넓은 중간 적외선 대역폭에서 저손실 전송을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 웨이브가이드는 1550 nm에서 기록적인 저손실 0.8 dB/cm를 달성하여 근적외선 영역에서 뛰어난 성능을 입증하였다.
• 2080 nm에서 전파 손실은 1.1 dB/cm에서 1.4 dB/cm 사이로 측정되어 중간 적외선 영역에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 5.18 µm에서 전파 손실은 2 dB/cm 미만이었으며, 장파장 중간 적외선 응용에 대한 실용성을 확인하였다.
• 고품질의 사파이어 기판과 매끄러운 웨이브가이드 표면 덕분에 실리콘-사파이어 플랫폼이 산란 손실을 크게 감소시켰다.
• 결과적으로 SOS 웨이브가이드는 저손실 중간 적외선 통합 포토닉스를 위한 유망한 플랫폼임을 입증하였다.
• 본 연구는 1.5–5.2 µm 범위에서 실리콘 기반 웨이브가이드의 전파 손실 기준을 설정하였다.