[논문 리뷰] Superefficient microcombs at the wafer level

Marcello Girardi, Óskar B. Helgason외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 05.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초저손실 웨이브가이드 가공과 광학 분자 공학을 통해 >98% 수율을 달성한 웨이퍼 스케일 실리콘 nitride 마이크로콤을 제작함을 보여주며, 전력 변환 효율이 50%를 초과함. 이 방법은 데이터센터 인터코ネ크트, 라이다, 그리고 삼중콤 간섭측정을 통한 광역 위상 민감도 분광법에 응용 가능한 고정밀성과 확장 가능한 솔리톤 마이크로콤의 생산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Photonic integrated circuits utilize planar waveguides to process light on a chip, encompassing functions like generation, routing, modulation, and detection. Similar to the advancements in the electronics industry, photonics research is steadily transferring an expanding repertoire of functionalities onto integrated platforms. The combination of best-in-class materials at the wafer-level increases versatility and performance, suitable for large-scale markets, such as datacentre interconnects, lidar for autonomous driving or consumer health. These applications require mature integration platforms to sustain the production of millions of devices per year and provide efficient solutions in terms of power consumption and wavelength multiplicity for scalability. Chip-scale frequency combs offer massive wavelength parallelization, holding a transformative potential in photonic system integration, but efficient solutions have only been reported at the die level. Here, we demonstrate a silicon nitride technology on a 100 mm wafer that aids the performance requirements of soliton microcombs in terms of yield, spectral stability, and power efficiency. Soliton microcombs are reported with an average conversion efficiency exceeding 50%, featuring 100 lines at 100 GHz repetition rate. We further illustrate the enabling possibilities of the space multiplicity, i.e., the large wafer-level redundancy, for establishing new sensing applications, and show tri-comb interferometry for broadband phase-sensitive spectroscopy. Combined with heterogeneous integration of lasers, we envision a proliferation of high-performance photonic systems for applications in future navigation systems, data centre interconnects, and ranging.

연구 동기 및 목표

• 칩스케일 주파수 콤의 대량 생산 및 고수율 제조의 부족을 해결함으로써, 대규모 광학 통합에 필수적인 기술을 확보한다.
• die 수준의 마이크로콤 제조의 한계를 극복하기 위해 고수율과 스펙트럼 안정성을 확보한 웨이퍼 수준의 가공을 가능하게 한다.
• 솔리톤 마이크로콤의 전력 변환 효율을 50% 이상으로 향상시켜 광학 출력을 극대화하고 월플러그 전력 소비를 최소화한다.
• 웨이퍼 수준의 부여를 활용해 삼중콤 간섭측정을 통한 광역 위상 민감도 분광법과 같은 새로운 센싱 모드를 가능하게 한다.
• 이종 레이저와 마이크로콤을 통합하여 데이터센터 코팩키지드 옵틱스 및 자율주행 차량 시스템에 대한 대량 시장 보급을 실현한다.

제안 방법

• 100 mm 실리콘 질화물 웨이퍼에서 초저손실 웨이브가이드를 달성하기 위해 감산식, CMOS 호환 제조 공정을 적용하였다.
• 주 반사 링 레이저와 보조 캐비티를 포함한 광학 분자 아키텍처를 설계하여 일정한 위상 이동을 유도함으로써 펌프 전력 커플링과 변환 효율을 향상시켰다.
• 균열 방지 장치를 웨이퍼 가장자리에 구현하여 결함의 전파를 방지하고 분할 공정 중 고수율을 확보하였다.
• 1562.3 nm의 단일 연속파 레이저를 사용해 다수의 마이크로콤을 동시에 펌프하여 간섭측정 응용을 위한 상호 간섭성 확보.
• 로컬 오실레이터 콤을 사용해 다중 하이브리드 검출을 구현하고 비트 노트를 다운컨버트함으로써 푸리에 분석을 통한 스펙트럼 위상 복원을 실현하였다.
• 광학 펄스 샤프닝 장치를 프로그래밍하여 다수의 샘플을 시뮬레이션하고, 진폭 및 위상의 순차적 특성 분석을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100 mm 웨이퍼에서 고수율과 재현 가능성이 높은 초효율 솔리톤 마이크로콤을 대량 제조할 수 있는가?
• RQ2 기존 설계 대비 광학 분자 공학이 마이크로콤의 전력 변환 효율에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 웨이퍼 수준의 부여가 광역 위상 민감도 분광법과 같은 새로운 센싱 응용을 가능하게 하는가?
• RQ4 고효율 마이크로콤과 이종 레이저의 통합이 시스템 수준의 확장성과 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다수의 고효율 콤을 사용한 삼중콤 간섭측정이 고감도 및 병렬 스펙트럼 위상 복원을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 솔리톤 마이크로콤의 웨이퍼 스케일 제조에서 98%의 수율을 달성하여 높은 공정 신뢰성과 확장 가능성을 입증하였다.
• 마이크로콤의 전력 변환 효율이 50%를 초과하여 광학 출력을 극대화하고 월플러그 전력 소비를 최소화하였다.
• 광학 분자 설계를 통해 평탄한 스펙트럼 분포와 함께 결정적인 솔리톤 생성 및 향상된 펌프 전력 커플링을 실현하였다.
• 두 개의 프로브 콤과 하나의 로컬 오실레이터 콤을 사용한 삼중콤 간섭측정이 성공적으로 구현되어 잔류 표준편차 0.07 rad 및 0.25 rad로 병렬 고감도 위상 복원이 가능하였다.
• 사전 필터링 없이 단일 펌프 레이저와 다중 하이브리드 검출을 사용해 45 nm 대역폭의 광역 스펙트럼 특성 분석을 달성하였다.
• 결과적으로 이는 데이터센터 인터코넥트, 자율주행차, 고정밀 센싱 분야에 칩스케일 마이크로콤 모듈의 대량 시장 보급을 위한 기반을 마련하였다.