[论文解读] Suspended silicon waveguides for long-wave infrared wavelengths

Jordi Soler Penadés, Alejandro Sánchez‐Postigo+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用 6

一句话总结

本论文展示了在7.67 µm波长下，传播损耗为3.1 ± 0.3 dB/cm的悬空硅波导，通过亚波长光栅（SWG）结构实现埋氧层（BOX）的选择性去除，该结构利用氢氟酸蚀刻实现。该设计在保持机械稳定性的同时提供横向光场限制，实现低损耗弯曲和S形弯曲，标志着首次在长波红外波段实现与稀有材料平台性能相当的低损耗硅波导，工作波长超过4 µm。

ABSTRACT

In this paper we report suspended silicon waveguides operating at a wavelength of 7.67 mm with a propagation loss of 3.1 ? 0.3 dB/cm. To our knowledge this is the first demonstration of low loss silicon waveguides at such a long wavelength, with loss comparable to other platforms that use more exotic materials. The suspended Si waveguide core is supported by a subwavelength grating that provides lateral optical confinement, while also allowing access to the buried oxide layer so that it can be wet etched using hydrofluoric acid. We also demonstrate low loss waveguide bends and s-bends.

研究动机与目标

• 在4 µm以上波段实现硅基低损耗中红外光子学，该波段SiO2具有不可接受的吸收特性。
• 通过悬空硅波导核心以最小化与损耗性埋氧层的相互作用，克服硅-on-insulator（SOI）平台在长波长下的局限性。
• 开发一种结合单次干法刻蚀与通过亚波长光栅实现的选择性湿法蚀刻的制造工艺，提升机械稳定性并降低工艺复杂度。
• 在7.67 µm波长下，实现低传播损耗、低弯曲损耗以及高性能器件（如光栅耦合器）的集成中红外光子电路演示。

提出的方法

• 在硅波导核心中图案化亚波长光栅（SWG）结构，以提供横向光场限制并创建通往埋氧层（BOX）的通路。
• 在单次干法刻蚀步骤完成波导和SWG结构的定义后，使用氢氟酸（HF）选择性去除波导下方的BOX层，从而实现硅核心的悬空。
• SWG结构在保持光场模式限制的同时，实现BOX层的完全去除，减少基底泄漏和传播损耗。
• 使用相同工艺制造包括90°弯曲和S形弯曲在内的波导器件，通过截断法表征模式分布和损耗。
• 利用量子级联激光器在7.67 µm波长下进行光学测量，通过光栅耦合器耦合至MCT探测器，采用锁相检测提升信噪比。
• 通过比较不同长度波导的传输特性量化传播损耗，结果归一化至最短波导长度。

实验结果

研究问题

• RQ1 悬空硅波导是否能在7.67 µm波长（超出SiO2透明窗口）实现低传播损耗？
• RQ2 亚波长光栅（SWG）设计是否能有效实现横向光场限制，同时通过HF蚀刻实现BOX层的完全去除？
• RQ3 在7.67 µm波长下，悬空Si波导可实现的传播损耗是多少？其与材料吸收极限及其他IV族材料平台相比如何？
• RQ4 该制造方法是否能在长波红外波段实现低损耗波导弯曲和S形弯曲？
• RQ5 HF蚀刻引起的表面粗糙度在多大程度上导致传播损耗？是否可被缓解？

主要发现

• 悬空硅波导在7.67 µm波长下实现了3.1 ± 0.3 dB/cm的传播损耗，接近硅的本征材料吸收极限（约2.1 dB/cm）。
• 去除埋氧层（BOX）后，传播损耗从62.3 ± 9.6 dB/cm显著降低至3.1 ± 0.3 dB/cm，证实SiO2吸收在非悬空波导中起主导作用。
• 90°弯曲损耗测量值为0.08 ± 0.02 dB/弯曲，S形弯曲损耗为0.06 ± 0.02 dB/弯曲，表明弯曲损耗极低，适用于集成光子电路。
• 总损耗中约0.9 dB/cm归因于散射，主要源于HF蚀刻时间过长在Si/空气界面形成的表面粗糙度。
• 模拟结果表明，2.2 dB/cm的损耗中，2.1 dB/cm来自材料吸收，约0.1 dB/cm来自基底泄漏，表明通过工艺优化可进一步降低损耗。
• 结果表明，基于SWG的悬空波导SOI衬底可在7–8 µm波段支持低损耗中红外光子学，适用于传感与光谱学应用。