[논문 리뷰] Wavelength-accurate and wafer-scale process for nonlinear frequency mixers in thin-film lithium niobate

C. J. Xin, Shengyuan Lu외 12명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 18.

Photorefractive and Nonlinear Optics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두께가 얇은 리튬 niobate(TFLN) 비선형 주파수 혼합기의 에칭-포일 공정 공정을 제안하여, 파동도 기하학을 캘리브레이션하기 위해 에칭 이전 및 이후의 측정을 가능하게 함으로써 파장 정확도를 향상시킨다. 이 방법을 통해 2차 고조파 생성 장치의 73%가 목표 파장 ±5 nm 이내에 도달하였으며, 열광학적 튜닝을 통해 약 96%가 사양을 충족시켰다. 이는 고정밀 TFLN 광학 회로의 스케일러블 통합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recent advancements in thin-film lithium niobate (TFLN) photonics have led to a new generation of high-performance electro-optic devices, including modulators, frequency combs, and microwave-to-optical transducers. However, the broader adoption of TFLN-based devices that rely on all-optical nonlinearities have been limited by the sensitivity of quasi-phase matching (QPM), realized via ferroelectric poling, to fabrication tolerances. Here, we propose a scalable fabrication process aimed at improving the wavelength-accuracy of optical frequency mixers in TFLN. In contrast to the conventional pole-before-etch approach, we first define the waveguide in TFLN and then perform ferroelectric poling. This sequence allows for precise metrology before and after waveguide definition to fully capture the geometry imperfections. Systematic errors can also be calibrated by measuring a subset of devices to fine-tune the QPM design for remaining devices on the wafer. Using this method, we fabricated a large number of second harmonic generation devices aimed at generating 737 nm light, with 73% operating within 5 nm of the target wavelength. Furthermore, we also demonstrate thermo-optic tuning and trimming of the devices via cladding deposition, with the former bringing ~96% of tested devices to the target wavelength. Our technique enables the rapid growth of integrated quantum frequency converters, photon pair sources, and optical parametric amplifiers, thus facilitating the integration of TFLN-based nonlinear frequency mixers into more complex and functional photonic systems.

연구 동기 및 목표

• 제조 과정에 의해 유도된 기하학적 변형으로 인한 TFLN 기반 비선형 주파수 혼합기의 파장 정확도 저하 문제를 해결하기 위해.
• 에칭과 포일을 분리함으로써 웨이퍼 스케일의 고정밀 쿼드러플-위상 매칭(QPM) 장치 제작을 가능하게 하기 위해.
• 파라미터를 수기로 조정하는 데 의존하는 것을 줄이기 위해, 파동도 기하학 측정을 기반으로 한 체계적 오차 캘리브레이션을 도입하기 위해.
• 복잡한 광학 회로에 통합하기 위한 가용한 스케일러블한 파장 튜닝 및 튜닝 기법을 입증하기 위해.
• 양자 주파수 변환 및 광자 쌍 소스와 같은 응용 분야에 적합한 고수율, 파장 정확도가 확보된 장치를 제공하기 위해.

제안 방법

• 기존의 포일-에칭 순서를 뒤집어, 먼저 건식 에칭을 통해 파동도를 정의한 후, 페로일렉트릭 포일을 수행한다.
• 웨이퍼 전반에 걸쳐 다수의 지점에서 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 에칭 이전 및 이후의 필름 두께와 파동도 기하학을 측정한다.
• 측정된 파동도 횡단면을 바탕으로 지역적으로 변하는 QPM 격자 간격을 계산하여 기하학적 결함을 보완한다.
• 웨이퍼에 존재하는 나머지 장치의 QPM 설계 파rameter를 조정하기 위해 일부 장치를 측정하여 체계적 오차를 캘리브레이션한다.
• 온칩 외부의 세라믹 히터를 사용하여 열광학적 튜닝을 적용하여 운영 파장을 120 °C 범위로 이동시킨다.
• 클래딩 증착을 통해 파장 튜닝을 수행하며, 두께가 높아질수록 블루-시프트 속도가 감소한다.

Figure 1: Etch-before-pole fabrication process flow for nonlinear frequency mixers in thin-film lithium niobate (TFLN).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨이퍼 스케일의 제조 공정이 포일과 에칭을 분리함으로써 TFLN 비선형 주파수 혼합기의 파장 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 에칭 이전 및 이후의 측정을 통해 QPM 장치의 파장 편차를 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ3 측정된 장치 기하학을 기반으로 한 체계적 오차 캘리브레이션은 웨이퍼 전반의 수율과 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 고정밀 TFLN 장치에서 잔류 파장 오차를 교정하는 데 있어 열광학적 튜닝의 효과는 어느 정도인가?
• RQ5 클래딩 증착은 비선형 혼합기의 운영 파장을 정밀하게 튜닝하기 위한 스케일러블하고 저손실의 방법이 될 수 있는가?

주요 결과

• 체계적 캘리브레이션 후 2차 고조파 생성 장치의 73%가 목표 파장 737 nm에서 ±5 nm 이내에 도달하였다.
• 열광학적 튜닝을 통해 운영 파장이 최대 12.1 nm 이동하였으며, 시험한 장치의 약 96%가 목표 파장 범위에 포함되었다.
• SiO₂의 클래딩 증착으로 인해 운영 파장이 100 nm 이상 블루-시프트되었으며, 두께가 높아질수록 튜닝 속도가 감소하였다.
• 에칭-포일 공정은 국소적 파동도 기하학 측정을 기반으로 QPM 격자 간격을 정밀하게 캘리브레이션할 수 있게 하여 기존 방법 대비 파장 분산을 감소시켰다.
• 이 방법은 두 번의 웨이퍼 런에서 고수율의 파장 정확도가 확보된 장치를 달성하였으며, 각각 600개와 300개의 캘리브레이션 미적용 장치가 제작되었다.
• 높은 클래딩 두께에서의 스펙트럼 확장은 군속도 불일치 증가를 시사했지만, 일반적인 튜닝 범위(<50 nm)에서는 영향이 미미하였다.

Figure 2: Device geometry variation in a representative wafer run.