[论文解读] A heterogeneously integrated lithium niobate-on-silicon nitride photonic platform

Mikhail Churaev, Rui Ning Wang+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 7

一句话总结

本论文提出了一种通过薄膜铌酸锂与低损耗氮化硅光子集成电路的晶圆级键合实现的异质集成钽酸锂/氮化硅光子平台。该平台可实现低损耗、高良率的电光器件，具有小于0.1 dB/cm的传播损耗和小于0.1 dB/过渡的损耗，支持高Q值微腔、可调谐光子二聚体以及在可制造平台上的电光频率梳。

ABSTRACT

The availability of thin-film lithium niobate on insulator (LNOI) and advances in processing have led to the emergence of fully integrated LiNbO3 electro-optic devices, including low-voltage, high-speed modulators, electro-optic frequency combs, and microwave-optical transducers. Yet to date, LiNbO3 photonic integrated circuits (PICs) have mostly been fabricated using non-standard etching techniques that lack the reproducibility routinely achieved in silicon photonics. Widespread future application of thin-film LiNbO3 requires a reliable and scalable solution using standard processing and precise lithographic control. Here we demonstrate a heterogeneously integrated LiNbO3 photonic platform that overcomes the abovementioned challenges by employing wafer-scale bonding of thin-film LiNbO3 to planarized low-loss silicon nitride (Si3N4) photonic integrated circuits, a mature foundry-grade integrated photonic platform. The resulting devices combine the substantial Pockels effect of LiNbO3 with the scalability, high-yield, and complexity of the underlying Si3N4 PICs. Importantly, the platform maintains the low propagation loss (<0.1 dB/cm) and efficient fiber-to-chip coupling (<2.5 dB per facet) of the Si3N4 waveguides. We find that ten transitions between a mode confined in the Si3N4 PIC and the hybrid LiNbO$_3$ mode produce less than 0.8 dB additional loss, corresponding to a loss per transition not exceeding 0.1 dB. These nearly lossless adiabatic transitions thus link the low-loss passive Si3N4 photonic structures with electro-optic components. We demonstrate high-Q microresonators, optical splitters, electrically tunable photonic dimers, electro-optic frequency combs, and carrier-envelope phase detection of a femtosecond laser on the same platform, thus providing a reliable and foundry-ready solution to low-loss and complex LiNbO3 integrated photonic circuits.

研究动机与目标

• 解决使用标准硅光子学工艺制造薄膜铌酸锂光子集成电路（PICs）时缺乏可扩展性与可重复性的问题。
• 克服在铌酸锂PICs中使用非标准刻蚀技术所导致的良率与复杂性限制。
• 将铌酸锂的强皮克尔斯效应与低损耗、高良率、光刻精度高的氮化硅平台相结合，实现可扩展的电光器件。
• 通过实现氮化硅与混合铌酸锂波导之间近乎无损的绝热模场过渡，支持复杂且低损耗的光子电路。
• 开发一种可支持代工的晶圆级平台，用于光学通信、量子光子学以及微波-光子转换等先进应用。

提出的方法

• 采用晶圆级键合技术，将薄膜铌酸锂（TFLN）异质集成到平面化、超低损耗的氮化硅（Si₃N₄）光子集成电路之上。
• 利用成熟、可代工的Si₃N₄ Damascene工艺，实现高良率、高精度的波导制造，表面粗糙度低于100 pm。
• 设计并制造氮化硅与混合Si₃N₄/LiNbO₃波导之间的绝热模场过渡，以最小化耦合损耗。
• 利用铌酸锂中的皮克尔斯效应实现电光调制，以及二次谐波生成和超连续谱生成等非线性效应。
• 优化混合波导结构以实现电光效率，其Vπ·L产品与或优于X切脊形波导平台。
• 通过高Q值微腔、光子二聚体以及飞秒激光的载波包络相位检测对器件性能进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在晶圆级异质集成薄膜铌酸锂与Si₃N₄ PICs的同时，保持低传播损耗并实现强电光效应？
• RQ2 在Si₃N₄与混合LiNbO₃波导之间，绝热模场过渡的最小插入损耗是多少？
• RQ3 该混合平台能否支持高Q值微腔与低驱动电压、高效率的电光频率梳？
• RQ4 该混合平台的电光性能与传统脊形波导铌酸锂器件相比如何？
• RQ5 该平台能否在紧凑、集成的格式下实现超连续谱生成和二次谐波生成等非线性光学过程？

主要发现

• 该混合平台在Si₃N₄波导中实现了小于0.1 dB/cm的传播损耗，保持了底层平台的低损耗特性。
• Si₃N₄与混合LiNbO₃波导之间的绝热过渡损耗小于0.1 dB/界面，十次过渡总损耗小于0.8 dB。
• 在该平台上实现了质量因子超过10⁶的高Q值微腔，实现了高效的电光频率梳生成。
• 通过施加直流电压实现了电可调谐光子二聚体，频率调谐范围达30 MHz/V，展示了相干控制能力。
• 通过χ³非线性效应实现了跨越一个倍频程的超连续谱生成，同时实现二次谐波生成，从而可直接检测飞秒激光的载波包络相位偏移频率。
• 该混合波导结构的电光性能与或优于X切脊形波导平台，其Vπ·L产品与现有最先进设计相当或更优。