[论文解读] Anneal-free ultra-low loss silicon nitride integrated photonics

Debapam Bose, Mark Harrington+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 85被引用 5

一句话总结

本文提出了一种无需退火、与CMOS工艺兼容的氮化硅集成光子器件制造工艺，采用最高温度为250 °C的氘化硅烷基工艺流程，在80 nm氮化硅波导中实现了1.77 dB/m的记录最低传播损耗，在800 nm波导中实现了8.66 dB/m的损耗。该方法无需应力缓解或抛光即可实现薄型与厚型波导，支持超低损耗、高Q值谐振器、激光稳定、参量振荡及超连续谱生成。

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.

研究动机与目标

• 消除氮化硅光子集成电路中的高温退火工艺，以实现与III-V族半导体、铌酸锂及有机材料等低温材料的异质集成。
• 在无需应力缓解或抛光的前提下，实现薄（80 nm）和厚（800 nm）氮化硅波导中的超低传播损耗。
• 在保持CMOS兼容性的同时，实现在单一平台上高性能的线性和非线性光子电路。
• 展示实际应用，包括激光稳定、光学参量振荡（OPO）及低温下超连续谱生成。
• 建立一种均匀、可扩展且低损耗的平台，适用于3D集成光子学，并具备广泛的材料兼容性。

提出的方法

• 采用基于氘化硅烷的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，用于氮化硅核心层和氧化物包层。
• 优化PECVD工艺，实现无需退火处理的超低本征传播损耗。
• 采用单一工艺流程，在一个数量级的厚度范围内（80 nm至800 nm）同时实现薄型与厚型氮化硅波导。
• 采用光热偏转光谱法（PDS）对传播损耗进行高精度测量。
• 制造高Q值微谐振器（Q > 1490万），并利用 Pound-Drever-Hall（PDH）锁定技术实现激光频率稳定。
• 在低温下实现厚氮化硅微谐振器中的光学参量振荡（OPO）与超连续谱生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不进行高温退火的条件下实现氮化硅波导中的超低传播损耗？
• RQ2 能否通过单一、与CMOS兼容的工艺流程，同时支持薄型与厚型氮化硅波导并实现极低损耗？
• RQ3 能否在低温下制造高Q值谐振器，以实现激光稳定与非线性光子学应用？
• RQ4 低温制备的氮化硅微谐振器中，已报道的最低单位长度OPO阈值是多少？
• RQ5 能否在无退火、低损耗的氮化硅波导中实现跨越两个八度的超连续谱生成？

主要发现

• 作者通过无退火工艺在最高温度为250 °C的条件下，实现了80 nm氮化硅波导中1.77 dB/m的记录最低传播损耗。
• 对于800 nm厚的氮化硅波导，测得的传播损耗为8.66 dB/m，显著低于以往无退火工艺的水平。
• 在80 nm氮化硅波导微谐振器中实现了1490万的高Q值，通过PDH锁定技术使激光频率噪声降低超过四个数量级。
• 实现了光学参量振荡（OPO），其单位长度OPO阈值为低温制备氮化硅中已报道的最低值，可实现高效的非线性光生成。
• 在厚氮化硅微谐振器中实现了跨越两个八度以上的超连续谱生成，证明了其宽带非线性功能。
• 该工艺完全兼容CMOS，避免了应力缓解与抛光步骤，且通过单一制造流程支持薄型与厚型波导。