[论文解读] Superefficient microcombs at the wafer level

Marcello Girardi, Óskar B. Helgason+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 6

一句话总结

本论文展示了硅氮化物微梳在整片晶圆尺度上的制造，良品率超过98%，功率转换效率超过50%，其成功得益于超低损耗波导加工与光子分子工程。该方法实现了高保真、可扩展的孤子微梳生产，适用于数据中心互连、激光雷达以及通过三梳干涉技术实现的宽带相位敏感光谱学。

ABSTRACT

Photonic integrated circuits utilize planar waveguides to process light on a chip, encompassing functions like generation, routing, modulation, and detection. Similar to the advancements in the electronics industry, photonics research is steadily transferring an expanding repertoire of functionalities onto integrated platforms. The combination of best-in-class materials at the wafer-level increases versatility and performance, suitable for large-scale markets, such as datacentre interconnects, lidar for autonomous driving or consumer health. These applications require mature integration platforms to sustain the production of millions of devices per year and provide efficient solutions in terms of power consumption and wavelength multiplicity for scalability. Chip-scale frequency combs offer massive wavelength parallelization, holding a transformative potential in photonic system integration, but efficient solutions have only been reported at the die level. Here, we demonstrate a silicon nitride technology on a 100 mm wafer that aids the performance requirements of soliton microcombs in terms of yield, spectral stability, and power efficiency. Soliton microcombs are reported with an average conversion efficiency exceeding 50%, featuring 100 lines at 100 GHz repetition rate. We further illustrate the enabling possibilities of the space multiplicity, i.e., the large wafer-level redundancy, for establishing new sensing applications, and show tri-comb interferometry for broadband phase-sensitive spectroscopy. Combined with heterogeneous integration of lasers, we envision a proliferation of high-performance photonic systems for applications in future navigation systems, data centre interconnects, and ranging.

研究动机与目标

• 解决片上频率梳在大规模光子集成中缺乏可扩展、高良率制造方法的问题，而此类频率梳对大规模光子集成至关重要。
• 通过实现晶圆级加工以克服芯片级微梳制造的局限，实现高良率与光谱稳定性。
• 在孤子微梳中实现超过50%的功率转换效率，以最大化输出光功率并降低墙插功耗。
• 利用晶圆级冗余技术，实现新型传感模式，如通过三梳干涉技术实现的宽带相位敏感光谱学。
• 将微梳与异质外延激光器集成，以实现数据中心共封装光学和自动驾驶系统中的大规模市场部署。

提出的方法

• 在100 mm硅氮化物晶圆上采用减法式、与CMOS兼容的制造工艺，实现波导中极低的传播损耗。
• 设计了一种光子分子架构，包含主环形谐振腔与辅助腔，以引入恒定相移，从而增强泵浦功率耦合与转换效率。
• 在晶圆边缘设置裂纹阻挡结构，以防止缺陷传播，确保分割过程中的高良率。
• 使用单一连续波激光器（波长1562.3 nm）同时泵浦多个微梳，确保干涉应用中相互相干。
• 采用多混频检测技术，利用本振梳将拍频信号下变频，并通过傅里叶分析实现光谱相位恢复。
• 利用光学脉冲整形器编程相位分布，以模拟多个样本，实现对幅度与相位的顺序表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在100 mm晶圆上实现高良率与可重复性的大规模超高效孤子微梳制造？
• RQ2 与传统设计相比，光子分子工程在多大程度上提升了微梳中的功率转换效率？
• RQ3 晶圆级冗余是否能够实现新型传感应用，如宽带相位敏感光谱学？
• RQ4 高效微梳与异质外延激光器的集成对系统级可扩展性与功耗效率有何影响？
• RQ5 利用多个高能效微梳实现的三梳干涉技术，能否实现高灵敏度、并行的光谱相位恢复？

主要发现

• 在晶圆尺度上制造孤子微梳的良品率达到98%，证明了工艺的高可靠性与可扩展性。
• 微梳实现了超过50%的功率转换效率，显著提升了输出光功率并降低了墙插功耗。
• 光子分子设计实现了确定性的孤子生成，具有平坦的光谱分布，并改善了泵浦功率耦合效率。
• 成功演示了三梳干涉技术，采用两个探测梳与一个本振梳，实现了并行、高灵敏度的相位恢复，残差标准偏差分别为0.07 rad和0.25 rad。
• 仅使用单一泵浦激光器与多混频检测，无需预滤波泵浦光，即实现了45 nm带宽的宽带光谱表征。
• 本研究为片上微梳模块在数据中心互连、自动驾驶和高精度传感等领域的规模化市场部署奠定了基础。