[논문 리뷰] Anneal-free ultra-low loss silicon nitride integrated photonics

Debapam Bose, Mark Harrington외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 85인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 250 °C 이하의 최고 온도에서 수행되는 디테르리티드 실란 기반 공정 흐름을 사용하여, 고온에서의 안일 처리가 필요 없는 CMOS 호환성 있는 실리콘 질화물 집적 광학 소자의 제조 공정을 제시한다. 이 공정은 80 nm 질화물 웨이브가이드에서 1.77 dB/m, 800 nm 웨이브가이드에서 8.66 dB/m의 기록적인 낮은 전파 손실을 달성한다. 이 방법은 응력 완화나 연마 없이 두꺼운 및 얇은 웨이브가이드를 모두 가능하게 하며, 초저손실, 고-Q 공진기, 레이저 안정화, 비선형 진동, 슈퍼연속 스펙트럼 생성을 지원한다.

ABSTRACT

Heterogeneous and monolithic integration of the versatile low loss silicon nitride platform with low temperature materials such as silicon electronics and photonics, III-V compound semiconductors, lithium niobate, organics, and glasses, has been inhibited by the need for high temperature annealing as well as the need for different process flows for thin and thick waveguides. New techniques are needed to maintain the state-of-the-art losses, nonlinear properties, and CMOS compatible processes while enabling this next generation of 3D silicon nitride integration. We report a significant advance in silicon nitride integrated photonics, demonstrating the lowest losses to date for an anneal-free process at a maximum temperature of 250 C, with the same deuterated silane based fabrication flow, for nitride and oxide, for an order of magnitude range in nitride thickness without requiring stress mitigation or polishing. We report record low losses for anneal-free nitride core and oxide cladding, enabling 1.77 dB/m loss and 14.9 million Q for 80 nm nitride core waveguides, more than half an order magnitude lower loss than previously reported 270 C processes, and 8.66 dB/m loss and 4.03 million Q for 800 nm thick nitride. We demonstrate laser stabilization with over 4 orders of magnitude frequency noise reduction using a thin nitride reference cavity. And using a thick nitride micro-resonator, we demonstrate parametric gain and Optical Parametric Oscillation (OPO) with the lowest reported OPO threshold per unit resonator length for low temperature fabricated nitride, and supercontinuum generation over two octaves. These results represent a significant step towards a uniform ultra-low loss silicon nitride homogeneous and heterogeneous platform for both thin and thick waveguides capable of linear and nonlinear photonic circuits and integration with low temperature materials and processes.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 질화물 광학 집적 회로에서 고온 안일 처리를 제거하여, III-V 반도체, 리튬니오브산탄, 유기물과 같은 저온 재료와의 이종 통합을 가능하게 하기 위해.
• 응력 완화나 연마 없이도 얇은(80 nm) 및 두꺼운(800 nm) 실리콘 질화물 웨이브가이드에서 모두 초저손실을 달성하기 위해.
• 고성능 선형 및 비선형 광학 회로를 단일 플랫폼에서 실현하면서도 CMOS 호환성을 유지하기 위해.
• 레이저 안정화, 광학적 비선형 진동(파라메트릭 진동, OPO), 슈퍼연속 스펙트럼 생성과 같은 실용적 응용을 시연하기 위해.
• 광범위한 재료 호환성을 갖춘 균일하고 확장 가능하며 저손실의 3차원 통합 광학 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 질화물 코어 및 산화물 클래딩 층에 모두 디테르리티드 실란 기반 플라즈마 에이징 화학 기상 에피택셜 공정(PECVD)을 적용하여.
• 후처리 안일 처리 없이도 초저손실 내재 전파 손실을 달성하기 위해 PECVD 공정을 최적화하여.
• 두께 범위가 10배 이상인 80 nm에서 800 nm까지의 얇고 두꺼운 질화물 웨이브가이드를 동시에 지원하는 단일 공정 흐름을 사용하여.
• 고정밀도로 전파 손실을 측정하기 위해 광열편향 스펙트로스코피(PDS) 기법을 도입하여.
• 고-Q 마이크로공진기(Q > 1490만)를 제작하고, 파운드-드레버-홀드(PDH) 락킹을 통해 레이저 주파수 안정화를 실현하기 위해.
• 저온에서 제작된 두꺼운 질화물 마이크로공진기에서 광학적 비선형 진동(OPO)과 슈퍼연속 스펙트럼 생성을 시연하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 안일 처리 없이도 실리콘 질화물 웨이브가이드에서 초저손실을 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 CMOS 호환성 공정 흐름이 동시에 얇고 두꺼운 실리콘 질화물 웨이브가이드를 최소한의 손실로 지원할 수 있는가?
• RQ3 저온에서 고-Q 공진기를 제작하여 레이저 안정화 및 비선형 광학을 실현할 수 있는가?
• RQ4 저온에서 제작된 질화물 마이크로공진기에서 보고된 바에 비해 가장 낮은 단위 길이당 OPO 임계값은 얼마인가?
• RQ5 안일 처리가 없고 저손실인 질화물 웨이브가이드에서 두 개 이상의 옥타브에 걸친 슈퍼연속 스펙트럼 생성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 최고 온도 250 °C에서의 안일 처리가 없는 공정을 사용하여 80 nm 실리콘 질화물 웨이브가이드에서 기록적인 낮은 전파 손실 1.77 dB/m을 달성하였다.
• 800 nm 두께의 질화물 웨이브가이드에서는 전파 손실이 8.66 dB/m로 측정되었으며, 이는 이전의 안일 처리가 없는 공정보다 현저히 낮은 수준이었다.
• 80 nm 두께의 질화물 웨이브가이드 마이크로공진기에서 고-Q 요소 1490만을 달성하여, PDH 락킹을 통해 레이저 주파수 노이즈를 네 개 이상의 주기 감소시킬 수 있었다.
• 저온에서 제작된 질화물에서 보고된 바에 비해 가장 낮은 단위 길이당 OPO 임계값을 확보하여 효율적인 비선형 빛 생성이 가능함을 시연하였다.
• 두꺼운 질화물 마이크로공진기에서 두 개 이상의 옥타브에 걸친 슈퍼연속 스펙트럼 생성을 달성하여 넓은 대역의 비선형 기능성을 입증하였다.
• 이 공정은 완전히 CMOS 호환성이며, 응력 완화 및 연마를 필요로 하지 않으며, 단일 제조 공정 흐름을 통해 두꺼운 및 얇은 웨이브가이드를 모두 지원한다.