[论文解读] A versatile, inexpensive integrated photonics platform

Jeffrey M. Shainline, Sonia Buckley+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2016

Photonic and Optical DevicesEngineering参考文献 72被引用 17

一句话总结

本文提出一种低成本、多功能的集成光子平台，采用近常温沉积工艺制备氮化硅波导及超导纳米线单光子探测器（SNSPDs），并结合i线光刻技术。该工艺可实现高精度、可扩展的无源器件（如马赫-曾德尔干涉仪和环形谐振器）制造，并实现从1 K至160 °C范围内稳定运行的、与工艺无关的光纤封装，适用于量子光子学和非线性光学应用，具备高检测效率与低损耗特性。

ABSTRACT

We present an approach to fabrication and packaging of integrated photonic devices that utilizes waveguide and detector layers deposited at near-ambient temperature. All lithography is performed with a 365 nm i-line stepper, facilitating low cost and high scalability. We have shown low-loss SiN waveguides, high-$Q$ ring resonators, critically coupled ring resonators, 50/50 beam splitters, Mach-Zehnder interferometers (MZIs) and a process-agnostic fiber packaging scheme. We have further explored the utility of this process for applications in nonlinear optics and quantum photonics. We demonstrate spectral tailoring and octave-spanning supercontinuum generation as well as the integration of superconducting nanowire single photon detectors with MZIs and channel-dropping filters. The packaging approach is suitable for operation up to 160 \degree C as well as below 1 K. The process is well suited for augmentation of existing foundry capabilities or as a stand-alone process.

研究动机与目标

• 开发一种兼容多种基底材料和代工厂工艺流程的低成本、可扩展集成光子制造工艺。
• 利用i线步进光刻与近常温沉积工艺，实现高精度、低损耗的无源光子器件。
• 将超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）与片上光子电路集成，用于量子光学应用。
• 开发一种与工艺无关的光纤封装方案，可在1 K至160 °C范围内稳定工作，实现广泛的应用兼容性。
• 通过超连续谱生成与片上探测器集成，验证该平台在非线性光学与量子光子学中的实用价值。

提出的方法

• 采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在<65 °C下沉积氮化硅波导层，使用N₂与SiH₄前驱体。
• 所有光刻步骤均采用i线步进光刻（365 nm），实现低成本、高可扩展性的制造工艺。
• 通过溅射在近常温下沉积基于WSi的SNSPDs，以兼容后端制程（BEOL）集成。
• 采用基于对准标记与环氧粘接的与工艺无关的光纤封装方法，可在1 K至160 °C范围内正常工作。
• 通过直接波导耦合，将SNSPDs与马赫-曾德尔干涉仪及通道下滤波器实现集成。
• 利用色散工程波导与环形谐振器，实现高Q因子（>10⁶）与临界耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用标准i线光刻与近常温沉积工艺，开发出低成本、可扩展的光子平台？
• RQ2 能否通过该方法实现高精度、低损耗的SiN波导与高Q因子谐振器？
• RQ3 能否有效将超导纳米线单光子探测器集成到片上光子电路中？
• RQ4 该光纤封装方案能否在极端温度范围（1 K至160 °C）内实现可靠、高通量的耦合？
• RQ5 该平台能否支持先进应用，如八度带宽超连续谱生成与量子光子电路？

主要发现

• 通过在<65 °C下采用PECVD沉积，实现了传播损耗约为0.2 dB/cm的低损耗SiN波导。
• 成功演示了Q因子超过10⁶的高Q环形谐振器，实现了临界耦合与高消光比。
• 50/50马赫-曾德尔干涉仪（MZI）在光谱响应中表现出接近30 dB的消光深度，表明高可见度与低串扰。
• 波导集成的SNSPDs在多个器件间表现出近乎一致的性能，四通道下滤波器中观测到>20 dB的消光。
• 光纤封装方案在1 K至160 °C的宽温度范围内实现了稳定耦合，性能无退化。
• 通过谱形调控与频率梳的结合，成功实现了八度带宽的超连续谱生成，证实了其在非线性光学中的应用潜力。