[论文解读] Room-Temperature Sputtered Ultralow-loss Silicon Nitride for Hybrid Photonic Integration

Shuangyou Zhang, Toby Bi+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

本论文展示了通过室温反应式溅射工艺制备的超低损耗氮化硅波导，在800 °C退火后实现3.5 dB/m的传播损耗——这是低温工艺中报道的最低损耗之一。该方法实现了与硅电子器件、III-V族激光器及绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）的CMOS兼容、前端集成，支持高Q值环形谐振器和在1.3和1.5 µm波段实现低阈值孤子频率梳，其阈值功率低至1.1 mW。

ABSTRACT

Silicon-nitride-on-insulator photonic circuits have seen tremendous advances in many applications, such as on-chip frequency combs, Lidar, telecommunications, and spectroscopy. So far, the best film quality has been achieved with low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and high-temperature annealing (1200 °C). However, high processing temperature poses challenges to the cointegration of Si3N4 with pre-processed silicon electronic and photonic devices, lithium niobate on insulator (LNOI), and Ge-on-Si photodiodes. This limits LPCVD as a front-end-of-line process. Here, we demonstrate ultralow-loss Silicon nitride photonics based on room-temperature reactive sputtering. Propagation losses as low as 5.4 dB/m after 400 °C annealing and 3.5 dB/m after 800 °C annealing are achieved, enabling ring resonators with more than 10 million optical quality factors. To the best of our knowledge, these are the lowest propagation losses achieved with low temperature silicon nitride. This ultralow loss enables threshold powers for optical parametric oscillations to 1.1 mW and enables the generation of bright soliton frequency combs at 1.3 and 1.5 μm. Our work features a full complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatibility with front-end silicon electronics and photonics, and has the potential for hybrid 3D monolithic integration with III-V-on-Si integrated lasers, and LNOI.

研究动机与目标

• 开发一种低温、CMOS兼容的氮化硅平台，用于混合光子集成。
• 克服高温LPCVD工艺的局限性，该工艺阻碍了与预先制备的电子和光子器件的共集成。
• 在无需高温退火的情况下，实现氮化硅薄膜中的超低传播损耗。
• 实现高质量因子（Q > 10⁷）的环形谐振器和低阈值光学参量振荡。
• 支持与III-V族/硅激光器及绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）的混合3D单片集成。

提出的方法

• 采用室温反应式溅射在热氧化硅衬底上沉积氮化硅薄膜。
• 对沉积后的薄膜在400 °C和800 °C下进行退火，以降低内应力并改善薄膜质量。
• 利用跑道形环形谐振器结构测量光传播损耗，以提取传播损耗和本征传播损耗。
• 制备并表征了高Q值环形谐振器，以验证低传播损耗和高Q值特性。
• 通过1.3和1.5 µm连续波泵浦演示了频率梳生成，并测定了光学参量振荡的阈值功率。
• 评估了该工艺与前端CMOS集成的兼容性，包括预先制备的硅电子器件和光子器件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不使用高温LPCVD工艺的前提下，通过室温溅射实现超低损耗氮化硅波导？
• RQ2 在低温下通过退火处理制备的氮化硅薄膜，其传播损耗的最低可实现值是多少？
• RQ3 能否在低温溅射的Si3N4中实现Q值大于10⁷的高Q值环形谐振器，以适用于频率梳生成？
• RQ4 此类低损耗波导中的光学参量振荡阈值功率是多少？
• RQ5 该工艺与包含III-V族/硅激光器及绝缘衬底上铌酸锂的前端CMOS集成的兼容程度如何？

主要发现

• 400 °C退火后传播损耗为5.4 dB/m，800 °C退火后降低至3.5 dB/m，创下低温氮化硅材料中已报道的最低损耗记录。
• 成功实现了Q值大于10⁷的高质量因子环形谐振器，证实了其超低传播损耗特性。
• 光学参量振荡的阈值功率测量为1.1 mW，支持高效频率梳生成。
• 在1.3和1.5 µm波段实现了明亮的孤子频率梳，证明该平台适用于非线性光子学应用。
• 该工艺与前端CMOS集成完全兼容，可实现与预先制备的硅电子器件、III-V族/硅激光器及绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）的共集成。
• 结果确立了一种可扩展的低温替代方案，可替代LPCVD工艺，用于高性能氮化硅光子电路。