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

Sangsik Kim, Kyunghun Han+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用 38

一句话总结

本论文在300 nm厚的氮化硅同心圆-跑道形微腔中实现了克尔频率梳的生成——此前认为此类结构仅支持正常群速度色散，但通过几何设计调控模式色散，成功实现了反常群速度色散。该方法实现了反常群速度色散、高Q因子（150万）以及具有切伦科夫峰和单孤立子样脉冲证据的相干频率梳，从而在可见光和紫外波段实现了CMOS兼容的片上频率梳。

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.

研究动机与目标

• 克服300 nm SiN波导中固有的高正常材料色散的根本限制，该色散通常会阻止生成频率梳所需的反常色散。
• 在标准CMOS兼容材料与工艺中实现片上克尔频率梳生成，特别是在正常色散占主导的可见光与紫外波段。
• 在无需高分辨率光刻或非标准工艺的紧凑可制造谐振器设计中，实现高质量因子（Q > 100万）与高效泵浦耦合。
• 通过同心圆-跑道形几何结构与绝热锥形过渡，实现对具有工程化反常色散的谐振模式的选择性激发。
• 提供实验证据表明，在具有平滑光谱形状与切伦科夫辐射峰的频率梳中存在孤立子样脉冲形成，表明实现了相干微梳操作。

提出的方法

• 采用在SiO2/Si衬底上生长的300 nm SiN薄膜的同心圆-跑道形微腔，通过内环与外环之间的模式耦合，诱导强且局域化的反常色散。
• 通过内环与外环的绝热锥形过渡，选择性激发具有反常色散的模式，同时保持高Q因子并实现与直波导的高效耦合。
• 通过调节内环与外环谐振模式的光程差（OPL），在尽管300 nm SiN本身具有固有正常色散的前提下，构建出具有反常群速度色散区域的色散分布。
• 采用锥形直波导实现模式选择性耦合，仅激发目标的反常色散模式，最大限度减少串扰并增强频率梳的相干性。
• 利用逐点脉冲整形与基于EDFA及非共线二次谐波生成的时间域自相关测量，验证了变换极限脉冲的形成与色散补偿。
• 采用标准CMOS制造工艺：LPCVD沉积SiO2与Si3N4，HSQ光刻胶的电子束光刻，ICP-RIE刻蚀，以及1150 °C的后刻蚀退火，以降低应力并提升光学质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管材料本身具有固有正常色散，是否可在300 nm厚SiN微腔中实现反常色散？
• RQ2 是否可在无需厚膜或复杂应力缓解技术的前提下，在标准厚度CMOS兼容SiN平台上实现高Q因子（>100万）与高效泵浦耦合？
• RQ3 是否可在该系统中生成相干克尔频率梳，且其是否表现出孤立子形成的特征？
• RQ4 该方法在以往因正常色散而受阻的可见光与紫外波段中，能在多大程度上实现频率梳操作？
• RQ5 该方法是否可完全基于标准CMOS制造工艺实现，而无需极端光刻分辨率或非标准工艺步骤？

主要发现

• 同心圆-跑道形谐振器设计成功在300 nm SiN薄膜中诱导出反常群速度色散，克服了材料固有的正常色散。
• 实验测得Q因子高达150万，实现了低阈值频率梳生成与高光谱相干性。
• 使用单个泵浦激光器生成了具有平滑光谱形状与明显切伦科夫辐射峰的相干克尔频率梳。
• 压缩后频率梳脉冲的时间域自相关测量结果证实其带宽接近变换极限，支持存在单个明亮克尔孤立子样脉冲。
• 采用两台自由振荡激光器作为泵浦源，实现了宽带且平滑的频率梳状态，进一步验证了生成频率梳的相干性与稳定性。
• 器件结构与制造工艺完全兼容商业CMOS代工厂，关键尺寸超过500 nm，无需极端光刻工艺。