[논문 리뷰] Suspended silicon waveguides for long-wave infrared wavelengths

Jordi Soler Penadés, Alejandro Sánchez‐Postigo외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 09.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 7.67 µm에서 3.1 ± 0.3 dB/cm의 전파 손실을 가지는 매달린 실리콘 웨이브가이드를 보여주며, 이는 하이드로플루oric 산 에칭을 통해 선택적 밸리드 산옥사이드(BOX) 제거를 가능하게 하는 서브 웨이브레ング스 그레팅(SWG) 구조를 사용하여 달성되었다. 이 설계는 수평적 광학 구속을 유지하면서 기계적 안정성을 확보하고, 저손실 굴절 및 S-굽힘을 가능하게 하여 장파장 적외선 영역에서의 첫 번째 저손실 실리콘 웨이브가이드 구동을 실현하였으며, 이는 특수 재료 플랫폼 수준의 성능을 갖는다.

ABSTRACT

In this paper we report suspended silicon waveguides operating at a wavelength of 7.67 mm with a propagation loss of 3.1 ? 0.3 dB/cm. To our knowledge this is the first demonstration of low loss silicon waveguides at such a long wavelength, with loss comparable to other platforms that use more exotic materials. The suspended Si waveguide core is supported by a subwavelength grating that provides lateral optical confinement, while also allowing access to the buried oxide layer so that it can be wet etched using hydrofluoric acid. We also demonstrate low loss waveguide bends and s-bends.

연구 동기 및 목표

• 4 µm를 초과하는 중간 적외선 파장에서 실리콘 기반 저손실 포토닉스를 실현하기 위해, 실리카(SiO2)가 금기되는 흡수를 갖는 영역을 초월하는 것을 목표로 한다.
• 장파장에서 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼의 한계를 극복하기 위해 실리콘 웨이브가이드 코어를 매달아 손실이 큰 밸리드 산옥사이드 층과의 상호작용을 최소화하는 것을 목표로 한다.
• 단일 건식 에칭 공정과 서브 웨이브레ング스 그레팅를 통한 선택적 습식 에칭을 조합한 제조 공정을 개발하여 기계적 안정성을 향상시키고 공정 복잡성을 감소시키는 것을 목표로 한다.
• 통합 중간 적외선 포토닉 회로에서 7.67 µm에서 저손실 전파 손실, 저굽힘 손실 및 고성능 구성 요소(예: 그레팅 커플러)의 성능을 입증하는 것

제안 방법

• 서브 웨이브레ング스 그레팅(SWG) 구조를 실리콘 웨이브가이드 코어에 패tern하여 수평적 광학 구속을 제공하고 밸리드 산옥사이드(BOX) 층에의 접근점을 형성한다.
• 웨이브가이드 및 SWG를 정의하기 위한 단일 건식 에칭 공정을 수행한 후, 하이드로플루oric 산(HF)을 사용하여 BOX 층을 선택적으로 제거하여 실리콘 코어를 매달아준다.
• SWG 구조는 광학 모드 구속을 유지하면서도 BOX 완전 제거를 가능하게 하여 기판 누설 및 전파 손실을 감소시킨다.
• 90도 굽힘 및 S-굽힘을 포함한 웨이브가이드 구성 요소들은 동일한 공정을 사용하여 제작되었으며, 절단-백 방법을 통해 모드 프로파일 및 손실을 측정하였다.
• 광학 측정은 7.67 µm에서 동작하는 큐앤틱 캐스케이드 레이저를 사용하고, 그레팅 커플러를 통해 MCT 검출기로 신호를 커플링하였으며, 잠금 검출 기법을 사용하여 신호 대 잡음비를 향상시켰다.
• 전파 손실은 다양한 길이의 웨이브가이드를 통해 전송된 신호를 비교하여 정량화하였으며, 결과는 가장 짧은 웨이브가이드 기준으로 정규화되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매달린 실리콘 웨이브가이드는 실리카(SiO2)의 투명 창을 초월하는 7.67 µm에서 저전파 손실을 달성할 수 있는가?
• RQ2 서브 웨이브레ング스 그레팅(SWG) 설계는 효과적인 수평적 광학 구속을 제공하면서도 HF 에칭을 통한 BOX 완전 제거를 가능하게 하는가?
• RQ3 7.67 µm에서 매달린 Si 웨이브가이드에서 달성 가능한 전파 손실은 얼마이며, 이는 재료 흡수 한계 및 다른 군-IV 플랫폼과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 이 제조 공정을 통해 장파장 적외선 영역에서 저손실 웨이브가이드 굽힘 및 S-굽힘을 실현할 수 있는가?
• RQ5 HF에 의한 표면 거칠기가 전파 손실에 기여하는 정도는 어느 정도이며, 이를 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 매달린 실리콘 웨이브가이드는 7.67 µm에서 3.1 ± 0.3 dB/cm의 전파 손실을 달성하였으며, 실리콘의 내재 흡수 손실(~2.1 dB/cm)에 가까워졌다.
• 밸리드 산옥사이드(BOX) 층 제거로 전파 손실이 62.3 ± 9.6 dB/cm에서 3.1 ± 0.3 dB/cm로 감소하여, 비매달린 웨이브가이드에서 SiO2 흡수가 주요 손실 기여 요소임을 확인하였다.
• 90도 굽힘 손실은 0.08 ± 0.02 dB/bend로 측정되었으며, S-굽힘 손실은 0.06 ± 0.02 dB/bend로 나타나 통합 포토닉 회로에 적합한 저굽힘 손실임을 나타냈다.
• 총 손실의 약 0.9 dB/cm는 주로 실리콘/공기 인터페이스에서 장시간 HF 에칭으로 인해 발생한 표면 거칠기로 인한 산란에 기인한다.
• 시뮬레이션 결과 손실의 2.2 dB/cm는 재료 흡수(~2.1 dB/cm)와 기판 누설(~0.1 dB/cm)로 기인하며, 공정 최적화를 통해 추가 손실 감소가 가능할 것으로 나타났다.
• 결과적으로 SOI 웨이퍼에 SWG 기반 매달린 웨이브가이드를 적용할 경우, 7–8 µm 범위에서 저손실 중간 적외선 포토닉스를 실현할 수 있으며, 센서 및 스펙트로스코피 분야의 응용 가능성을 시사한다.