[논문 리뷰] Ultra-high-Q UV microring resonators based on single-crystalline AlN platform

Xianwen Liu, Alexander W. Bruch외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 27인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 산화알루미늄(AlN)의 단일결정성 알루미늄 나이트라이드(AlN)에서 초고품질 인덕턴스 미크로링 공진기를 구현하여 자외선(UV) 대역에서 실현된 것으로, 390 nm에서 품질 인자(Q-factor)가 2.1 × 10⁵에 도달하여 기록을 수립하였으며, 광학 손실은 약 8 dB/cm 수준이다. 저손실 AlN 웨이브가이드는 AlGaN 기반 발광소자 및 수신소자와의 통합이 가능한 자외선 포토닉 회로를 가능하게 하여, 칩 내 자외선 분광법, 비선형 광학, 양자 정보 처리 등 다양한 응용 분야를 지원한다.

ABSTRACT

Development of low-loss photonic components in the ultraviolet (UV) band will open new prospects for classical and quantum optics. Compared with other integrated platforms, aluminum nitride (AlN) is particularly attractive as it features an enormous bandgap of ~6.2 eV and intrinsic χ(2) and χ(3) susceptibilities. In this work, we demonstrate a record quality factor of 2.1 × 10⁵ (optical loss ~ 8 dB/cm) at 390 nm based on single-crystalline AlN microrings. The low-loss AlN UV waveguide represents a significant milestone toward UV photonic integrated circuits as it features full compatibility for future incorporation of AlGaN-based UV emitters and receivers. On-chip UV spectroscopy, nonlinear optics and quantum information processing can also be envisioned.

연구 동기 및 목표

• 자외선(UV) 스펙트럼 영역을 위한 저손실 포토닉 컴포onent 개발.
• 자외선 통합 포토닉스에서의 높은 광학 손실 문제 해결.
• 자외선 응용을 위한 단일결정성 AlN에서 고품질 인덕턴스 품질 인자(Q-factor)를 갖춘 미크로링 공진기 플랫폼 구현.
• 칩 내 포토닉 시스템을 위한 AlGaN 기반 자외선 발광소자 및 수신소자와의 통합 지원.
• 칩 내 자외선 분광법, 비선형 광학, 양자 정보 처리를 위한 길 열기.

제안 방법

• 산소 기반 단일결정성 AlN 박막을 제작하여 산란 및 전파 손실 최소화.
• 390 nm 파장에서 고품질 인덕턴스 품질 인자를 갖춘 미크로링 공진기 설계 및 제작.
• 내재된 χ(2) 및 χ(3) 비선형 감도를 지닌 저손실 AlN 웨이브가이드 플랫폼 활용.
• 전송 및 반사 측정을 통한 광학적 특성 분석을 통해 품질 인자 및 전파 손실 추출.
• UV 영역에서의 이중광자 흡수 및 기타 손실 메커니즘 감소를 위해 AlN의 넓은 금속간역도(~6.2 eV) 활용.
• 미래의 단일체 통합을 위한 AlGaN 기반 활성 장치와의 호환성 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일결정성 AlN 플랫폼을 사용하여 자외선 대역에서 초고품질 인덕턴스 품질 인자를 달성할 수 있는가?
• RQ2 390 nm에서 AlN 웨이브가이드에서 달성 가능한 최소 전파 손실은 얼마인가?
• RQ3 AlN의 내재 비선형성은 자외선 포토닉 응용에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 AlN 미크로링 공진기는 효율적인 칩 내 자외선 분광법을 가능하게 하는가?
• RQ5 AlGaN 기반 자외선 발광소자 및 수신소자와의 단일체 통합 잠재력은 어떠한가?

주요 결과

• 단일결정성 AlN 미크로링 공진기에서 390 nm에서 기록적인 품질 인자 2.1 × 10⁵를 달성하였다.
• AlN 웨이브가이드의 광학 전파 손실은 약 8 dB/cm로 측정되었다.
• AlN 플랫폼은 AlGaN 기반 자외선 발광소자 및 수신소자와의 단일체 통합에 대해 완전한 호환성을 보였다.
• AlN의 넓은 금속간역도(~6.2 eV)는 자외선 대역에서 낮은 이중광자 흡수 및 높은 투과도를 가능하게 하였다.
• 저손실 AlN 웨이브가이드 플랫폼은 향후 칩 내 자외선 분광법 및 비선형 광학 응용을 지원한다.
• 결과적으로 이는 양자 정보 처리를 배경으로 한 통합 자외선 포토닉 회로의 기초를 마련하였다.