[논문 리뷰] Stimulated Brillouin scattering in tellurite-covered silicon nitride waveguides

Roel Botter, Yvan Klaver외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 24.

Advanced Fiber Optic SensorsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 텔루라이드 코팅을 한 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드에서, 이전의 Si₃N₄ 플랫폼보다 20배 높은 8.5 m⁻¹W⁻¹의 기록적인 브릴루아인 이득 계수를 달성함으로써, 처음으로 자극된 브릴루아인 산란(SBS)을 입증한다. 이는 음향 구속과 클래딩 공학을 통해 이루어졌으며, 기하학적 최적화를 통해 이론적으로는 155 m⁻¹W⁻¹의 이득 향상 가능성을 예측하고 있다. 이는 고성능 RF 포토닉 필터 및 향후 온칩 비선형 포토닉 회로의 실현 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Stimulated Brillouin scattering (SBS), a coherent nonlinear effect coupling acoustics and optics, can be used in a wide range of applications such as Brillouin lasers and tunable narrowband RF filtering. Wide adoption of such technologies however, would need a balance of strong Brillouin interaction and low optical loss in a structure compatible with large scale fabrication. Achieving these characteristics in scalable platforms such as silicon and silicon nitride remains a challenge. Here, we investigate a scalable Brillouin platform combining low loss Si$_3$N$_4$ and tellurium oxide (TeO$_2$) exhibiting strong Brillouin response and enhanced acoustic confinement. In this platform we measure a Brillouin gain coefficient of 8.5~m$^{-1}$W$^{-1}$, exhibiting a twenty fold improvement over the largest previously reported Brillouin gain in a Si$_3$N$_4$ platform. Further, we demonstrate cladding engineering to control the strength of the Brillouin interaction. We utilized the Brillouin gain and loss resonances in this waveguide for an RF photonic filter with more than 15 dB rejection and 250 MHz linewidth. Finally, we present a pathway by geometric optimization and cladding engineering to a further enhancement of the gain coefficient to 155~m$^{-1}$W$^{-1}$, a potential 400 times increase in the Brillouin gain coefficient.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블 포토닉 플랫폼인 실리콘 나이트라이드와 같은 구조에서 강력하고 낮은 손실의 브릴루아인 비선형성을 달성하는 데 도전하는 것.
• 텔루라이드 코팅이 음향 구속을 향상시키고 손실을 감소시켜 브릴루아인 이득을 향상시킬 수 있는지 조사하는 것.
• 클래딩 공학과 웨이브가이드 기하학적 구조를 통해 브릴루아인 상호작용 강도를 제어하는 것.
• 하이브리드 플랫폼에서 브릴루아인 이득 및 손실 공명을 활용해 RF 포토닉 필터를 실현하는 것.
• 기하학적 최적화 및 클래딩 설계를 통해 추가적인 이득 향상 잠재력을 예측하는 것.

제안 방법

• 100 nm 높이, 1600 nm 폭의 단일 모드 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드를 제작하고, 음향 모드의 구속을 향상시키기 위해 354 nm 두께의 텔루라이드 층을 코팅하였다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 사용하여 광학 및 음향 모드를 모델링하고, 광학 및 음향장의 오버랩 적분을 통해 브릴루아인 이득 계수를 계산하였다.
• 브릴루아인 이득을 최대화하기 위해 다중 매개변수 최적화를 수행하기 위해 유전 알고리즘을 사용하여 웨이브가이드 기하학적 구조(Si₃N₄ 폭, 높이, 텔루라이드 두께, 클래딩 유형)를 최적화하였다.
• 특히 실리카 클래딩 구성에서 음향파의 비물리적 반사를 억제하기 위해, 점진적으로 증가하는 점성 계수를 갖는 PML를 시뮬레이션에 도입하였다.
• 최적화된 기하학적 구조 주변에서 매개변수 스윕을 수행하여 이득 경향을 검증하고, 초기 최적화 창문을 초월한 전역 최대값을 식별하였다.
• SBS 이득 및 손실 공명을 측정하여 RF 포토닉 필터링을 구현하였으며, 15 dB 이상의 감쇄 및 250 MHz 대역폭을 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비코팅된 Si₃N₄ 플랫폼에 비해 텔루라이드 코팅이 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드의 브릴루아인 이득 계수를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 클래딩 재료(CYTOP 대비 SiO₂)는 하이브리드 웨이브가이드에서 음향파 전파 및 브릴루아인 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Si₃N₄ 폭, 높이, 텔루라이드 두께 등의 기하학적 매개변수를 얼마나 조절하여 브릴루아인 이득을 최대화할 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼에서의 브릴루아인 이득 및 손실 공명을 실용적인 RF 포토닉 필터링 응용에 활용할 수 있는가?
• RQ5 이 하이브리드 플랫폼에서 최적화된 웨이브가이드 설계를 통해 이론적으로 달성 가능한 브릴루아인 이득의 상한선은 얼마인가?

주요 결과

• 실험적으로 측정된 브릴루아인 이득 계수는 텔루라이드 코팅된 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드에서 8.5 m⁻¹W⁻¹에 도달하였으며, 이는 이전에 보고된 Si₃N₄ 기반 플랫폼 중 최고 수준의 값보다 20배 높은 성과이다.
• 클래딩 공학—특히 CYTOP 또는 SiO₂를 클래딩으로 사용함으로써—브릴루아인 상호작용의 강도와 스펙트럼 폭을 제어할 수 있었으며, SiO₂ 클래딩은 더 높은 이론적 이득을 가능하게 하였다.
• 최적화된 기하학적 구조를 가진 SiO₂ 클래딩 웨이브가이드에서 시뮬레이션을 통해 최대 132 m⁻¹W⁻¹의 브릴루아인 이득을 달성하였으며, 실리콘 나이트라이드 폭 4020 nm에서 이론적 이득은 155 m⁻¹W⁻¹로 예측되었다.
• 155 m⁻¹W⁻¹의 이득 예측은 초기 Si₃N₄ 플랫폼 대비 약 400배 향상된 것으로, 초고비선형성을 향한 강력한 잠재력이 있음을 시사한다.
• 브릴루아인 이득 및 손실 공명을 기반으로 한 RF 포토닉 필터는 15 dB 이상의 감쇄 및 250 MHz 대역폭을 달성하여 실용적 응용 잠재력을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과, 음향 모드의 구속은 텔루라이드 두께에 가장 민감하며, 이는 진동자리의 수와 효과적인 음향 웨이브가이드 거동을 결정짓는다.