[논문 리뷰] Probing the loss origins of ultra-smooth $\mathrm{Si_3N_4}$ integrated photonic waveguides

Martin H. P. Pfeiffer, Junqiu Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 55인용 수 72

한 줄 요약

이 논문은 기록적인 낮은 손실을 가진 초매끄러운 Si3N4 파이프웨이를 제조하기 위한 광자 Damascene 재유동 공정을 제시하고, 산란 손실과 흡수 손실을 분석하여 금속 불순물이 주요 흡수 원인으로 식별된다.

ABSTRACT

On-chip optical waveguides with low propagation losses and precisely engineered group velocity dispersion (GVD) are important to nonlinear photonic devices such as soliton microcombs. Yet, despite intensive research efforts, nonlinear integrated photonic platforms still feature propagation losses orders of magnitude higher than in standard optical fiber. The tight confinement and high index contrast of integrated waveguides make them highly susceptible to fabrication induced surface roughness. Therefore, microresonators with ultra-high Q factors are, to date, only attainable in polished bulk crystalline, or chemically etched silica based devices, that pose however challenges for full photonic integration. Here, we demonstrate the fabrication of silicon nitride ($\mathrm{Si_3N_4}$) waveguides with unprecedentedly smooth sidewalls and tight confinement with record low propagation losses. This is achieved by combining the photonic Damascene process with a novel reflow process, which reduces etching roughness, while sufficiently preserving dimensional accuracy. This leads to previously unattainable \emph{mean} microresonator Q factors larger than $5 imes10^6$ for tightly confining waveguides with anomalous dispersion. Via systematic process step variation and two independent characterization techniques we differentiate the scattering and absorption loss contributions, and reveal metal impurity related absorption to be an important loss origin. Although such impurities are known to limit optical fibers, this is the first time they are identified, and play a tangible role, in absorption of integrated microresonators. Taken together, our work provides new insights in the origins of propagation losses in $\mathrm{Si_3N_4}$ waveguides and provides the technological basis for integrated nonlinear photonics in the ultra-high Q regime.

연구 동기 및 목표

• 제작 방법(광자 Damascene과 재유동)을 이용해 초매끄럽고 빽빽하게 구속된 Si3N4 웨이브가이드를 높은 Q로 달성한다.
• 웨이브가이드와 마이크로공진기의 산란 손실과 흡수 손실 메커니즘을 정량화하고 구분한다.
• 집적 광학에서 impurity 관련 흡수를 중요한 손실 원인으로 규명한다.
• 비선형 광학에서 초고 Q 영역으로의 제작 방향을 안내하는 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 패턴화를 반전시키기 위해 오목치를 가진 프리폼(preform)을 구성하고 Si3N4로 채워 층 응력을 완화하는 광자 Damascene 공정을 채택한다.
• 유리 전이 온도(Tg)보다 약간 높은 온도에서 프리폼 재유동 단계를 도입하여 사이드월을 매끄럽게 하고 거칠기를 감소시킨다.
• 마이크로공진기의 공진을 분석하여 다수의 공진에서 고유 손실률 kappa0/2pi를 추출하여 손실 특성을 규명한다.
• 복소 결합 계수를 갖는 공진 이중도 분석을 사용하여 일관된(coherent) 산란과 소실적 산란의 기여를 분리한다.
• 가열에 의한 공진 이동인 열적 이분현상 측정을 수행하여 흡수 손실률 kappa_abs의 상한을 구하고 고유 손실과의 상관관계를 분석한다.
• SIMS와 GDMS를 사용하여 전이금속 불순물(특히 Cu) 및 수소 관련 종을 잠재적 흡수원으로 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고콘파인 Si3N4 웨이브가이드의 intrinsic 손실률 분포가 서로 다른 웨이퍼 및 가공 매개변수에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 초매끄러운 Si3N4 웨이브가이드에서 산란과 흡수의 상대적 기여는 어느 정도인가?
• RQ3 광자 Damascene 재유동 단계가 빽빽하게 구속된 파이프웨이드의 산란 손실을 감소시키는가?
• RQ4 금속 불순물 등 impurity 관련 흡수 메커니즘이 Si3N4 웨이브가이드의 손실에 기여하는가?
• RQ5 클래딩 재료 및 가공 단계가 전체 손실 예산 및 Q 요인에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 재유동 단계는 1.0–1.5 μm 폭의 파이프웨이드에서 산란 손실을 크게 감소시키며, 촘촘하게 구속된 기하에서 평균 Q 요소가 기록적 수치인 >5×10^6으로 향상된다.
• 고유 손실률로부터 1.5 μm 폭에서 산란 손실을 약 45 MHz 수준으로 추정할 수 있으며, 흡수가 최적 샘플의 총 손실 중 약 절반을 차지한다.
• 흡수 손실률 κ_abs/2π은 텔레콤 대역에서 약 9–20 MHz 범위로 제한되며, 수소 관련 오버톤 흡수보다는 광대역 흡수 종과의 호환성이 높다.
• 열적 이분현상 측정은 흡수 손실의 상한을 고정시키며, 최적 기기에서 비산란 손실이 남아 있는 것과 일치하는 것으로 보아 광대역 흡수체가 중요한 역할을 한다.
• SIMS/GDMS 분석은 Si3N4 코어에서 전이 금속(Cu 약 10 ppm wt) 및 높은 수소/염소 함량을 밝혀내며, 일반적인 Si–H/N–H 오버톤 이상으로 흡수 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.
• 클래딩 산화물(LTO)의 영향은 현재 기기의 주요 제약 요인으로 확인되며, 클래딩이 없는 기기가 최상의 성능을 보인다.