[논문 리뷰] Frequency Comb Generation in 300 nm Thick SiN Concentric-Racetrack-Resonators: Overcoming the Material Dispersion Limit

Sangsik Kim, Kyunghun Han외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 07.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 44인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 기존에 정상 군속도 분산(그룹 속도 분산)만을 지닌 것으로 여겨졌던 300 nm 두께의 실리콘 nitride 농도-레이스트랙 마이크로레지오너터에서 기하학적 설계를 통한 모드 분산 공학을 통해 케러 주파수 광대역 생성을 입증한다. 이 방법은 비정상 군속도 분산, 높은 Q 인자(150만), 그리고 츄렌코프 피크와 단일 솔리톤 유사 펄스의 증거를 포함한 일관된 주파수 광대역을 실현하며, 가시광선 및 자외선 영역에서 CMOS 호환성의 온칩 주파수 광대역을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Kerr nonlinearity based frequency combs and solitons have been generated from on-chip optical microresonators with high quality factors and global or local anomalous dispersion. However, fabrication of such resonators usually requires materials and/or processes that are not standard in semiconductor manufacturing facilities. Moreover, in certain frequency regimes such as visible and ultra-violet, the large normal material dispersion makes it extremely difficult to achieve anomalous dispersion. Here we present a concentric racetrack-shaped resonator that achieves anomalous dispersion in a 300 nm thick silicon nitride film, suitable for semiconductor manufacturing but previously thought to result only in waveguides with high normal dispersion, a high intrinsic Q of 1.5 million, and a novel mode-selective coupling scheme that allows coherent combs to be generated. We also provide evidence suggestive of soliton-like pulse formation in the generated comb. Our method can achieve anomalous dispersion over moderately broad bandwidth for resonators at almost any wavelength while still maintaining material and process compatibility with high-volume semiconductor manufacturing.

연구 동기 및 목표

• 300 nm SiN 웨이브가이드에서 고정된 정상 물질 분산으로 인해 주로 비정상 분산를 유도할 수 없는 문제를 해결함.
• 특히 정상 분산가 지배하는 가시광선 및 자외선 영역에서 표준 CMOS 호환 재료 및 공정을 사용한 온칩 케러 주파수 광대역 생성을 가능하게 함.
• 고품질 인자(Q > 150만) 및 효율적인 펌프 커플링을 달성함. 고해상도 리소그래피나 비표준 공정을 요구하지 않는 컴act하고 제조 가능성을 고려한 공진기 설계를 통해.
• 농도-레이스트랙 기하학과 단서적 터널링을 통해 비정상 분산를 가진 공진 모드를 선택적으로 자극함.
• 매끄러운 스펙트럼 형태와 츄렌코프 복사 피크를 포함한 주파수 광대역에서 솔리톤 유사 펄스 형성의 실험적 증거를 제공함. 이는 일관된 마이크로광대역 작동을 시사함.

제안 방법

• SiO2/Si 기판 위에 300 nm 두께의 SiN 필름을 사용한 농도-레이스트랙 형상의 마이크로레지오너터를 설계하여 내부 및 외부 고리 간의 모드 결합을 통해 강력하고 국소적인 비정상 분산를 유도함.
• 내부 및 외부 고리의 단서적 터널링을 통해 비정상 분산를 가진 모드만을 선택적으로 자극함. 이는 고 Q 인자 및 버스 웨이브가이드로의 효율적 커플링을 유지함.
• 내부 및 외부 공진 모드의 광학 길이(ОPL)를 공학적으로 조절하여, 300 nm SiN의 본질적 정상 분산에도 불구하고 비정상 군속도 분산 영역을 포함하는 분산 프로파일을 생성함.
• 비정상 분산를 가진 목표 모드만을 자극하기 위해 테이퍼형 버스 웨이브가이드를 사용한 모드 선택적 커플링 기법을 구현함. 이는 교차 간섭을 최소화하고 광대역의 일관성을 향상시킴.
• 라인별 펄스 형상 제어 및 EDFA를 사용한 비공선성 제2차 고조파 생성을 통한 시간 영역 자동상관 측정을 수행하여, 변환 제한 대역폭의 형성과 분산 보정을 검증함.
• 표준 CMOS 제조 공정을 활용함: LPCVD를 통한 SiO2 및 Si3N4 증착, HSQ 리소그래피를 사용한 전자빔 리소그래피, ICP-RIE 에칭, 그리고 1150 °C에서의 에칭 후 열처리를 통해 스트레스를 감소시키고 광학 품질을 향상시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300 nm 두께의 SiN 마이크로레지오너터에서 재료의 본질적 정상 분산에도 불구하고 비정상 분산를 공학적으로 유도할 수 있는가?
• RQ2 두꺼운 필름이나 복잡한 스트레스 보정 공정 없이도 표준 두께의 SiN 플랫폼에서 고 Q 인자(>100만) 및 효율적 펌프 커플링을 달성할 수 있는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 일관된 케러 주파수 광대역을 생성할 수 있으며, 솔리톤 형성의 징후를 보일 수 있는가?
• RQ4 이 방법을 통해 이전에는 정상 분산로 인해 광대역 생성이 차단되었던 스펙트럼 영역(예: 가시광선 및 자외선)에서의 주파수 광대역 작동을 어느 정도 실현할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 고해상도 리소그래피나 비표준 공정 단계 없이도 표준 CMOS 제조 공정을 통해 실행 가능한가?

주요 결과

• 농도-레이스트랙 공진기 설계는 300 nm SiN 필름에서 본질적 정상 분산를 초월해 비정상 군속도 분산를 성공적으로 유도함.
• 실험적으로 150만의 고 Q 인자를 달성하여 저임계 광대역 생성 및 높은 스펙트럼 일관성을 가능하게 함.
• 단일 펌프 레이저를 사용하여 매끄러운 스펙트럼 형태와 뚜렷한 츄렌코프 복사 피크를 포함한 일관된 케러 주파수 광대역을 생성함.
• 압축된 광대역 펄스의 시간 영역 자동상관 측정 결과, 거의 변환 제한 대역폭을 확인하여 단일 밝은 케러 솔리톤 유사 펄스 존재를 지지함.
• 두 개의 자유 주행 레이저를 펌프로 사용함으로써 넓고 매끄러운 광대역 상태를 확보하여, 생성된 광대역의 일관성과 안정성을 추가로 검증함.
• 장치 기하학 및 제조 공정은 상업적 CMOS 팹에서 완전히 호환되며, 핵심 치수는 500 nm 이상이므로 극도로 높은 리소그래피 해상도가 필요하지 않음.