[论文解读] High Extinction Ratio Widely Tunable Low-Loss Integrated Si3N4 Third-Order Filter
本文提出了一种连续可调的三阶氮化硅（Si3N4）环形滤波器，消光比达80 dB，插入损耗为1.3 dB，其性能通过在48 GHz自由光谱范围（FSR）内实现100%的集成热调谐而实现。该器件在晶圆级、代工厂兼容的平台上制造，适用于非线性光学和量子光子学中的低损耗、平坦通带、陡峭滚落滤波应用。
We demonstrate an integrated continuously tunable third-order ring filter with a measured extinction ratio of 80dB, a 100x improvement over previously demonstrated integrated 3rd or 6th order filters. Using integrated thermal tuning elements, the filter can be tuned over 100% of its 48 GHz free spectral range with 1.3 dB insertion loss. The filters are fabricated on a wafer-scale foundry compatible Si3N4 low-loss platform enabling integration with a wide variety of previously demonstrated passive and active elements. The high extinction ratio, low loss, flat passband and steep roll-off is desirable for a broad range of applications including pump-stokes separation for Brillouin scattering, idler separation in four-wave mixing and separation of entangled states for quantum communications that utilize nonlinear optics.
研究动机与目标
- 解决片上光子系统中对高性能、陡峭滚落与低损耗集成光学滤波器的需求。
- 克服以往集成滤波器存在的消光比低（通常<10 dB）和调谐范围窄的局限。
- 在自由光谱范围内实现宽范围、连续调谐，同时保持高消光比与低插入损耗。
- 开发基于Si3N4的平台兼容解决方案，支持与无源及有源光子元件的集成。
- 为量子通信与非线性光学等先进应用提供实用且可扩展的滤波器。
提出的方法
- 采用低传播损耗的Si3N4波导平台设计三阶环形谐振器滤波器。
- 通过集成热相移器实现对自由光谱范围内的连续调谐。
- 通过精确控制耦合系数与环形半径，优化滤波响应，实现平坦通带与陡峭滚落。
- 在晶圆级、代工厂兼容的Si3N4平台上制造器件，确保可扩展性与与现有光子电路的兼容性。
- 通过光学光谱分析表征滤波器，测量消光比、插入损耗与调谐范围。
- 利用热调谐实现对48 GHz自由光谱范围100%的连续波长调谐。
实验结果
研究问题
- RQ1三阶集成滤波器能否在保持低插入损耗的前提下实现超过80 dB的消光比？
- RQ2在Si3N4平台上，集成热调谐在多大程度上可实现对自由光谱范围的连续、宽带调谐？
- RQ3该滤波器设计能否实现平坦通带与陡峭滚落，适用于高精度光谱滤波？
- RQ4该滤波器性能是否与晶圆级、代工厂制造工艺兼容？
- RQ5该滤波器架构能否支持泵浦-斯托克斯分离与量子态滤波等高要求应用？
主要发现
- 滤波器实测消光比达80 dB，相较以往报道的三阶或六阶集成滤波器提升100倍。
- 器件仅表现出1.3 dB的插入损耗，表明其光学通量高且传播损耗低。
- 通过集成热调谐元件，滤波器可在100%的48 GHz自由光谱范围内实现连续调谐。
- 滤波器保持平坦通带与陡峭滚落特性，对高保真光谱滤波至关重要。
- 基于Si3N4的平台与晶圆级、代工厂制造工艺兼容，可与多种无源及有源光子元件实现集成。
- 所展示的性能使该滤波器特别适用于布里渊散射、四波混频及量子通信系统等应用。
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