[论文解读] Tailoring Broadband Kerr Soliton Microcombs via Post-Fabrication Tuning of the Geometric Dispersion

Grégory Moille, Daron Westly+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 39被引用 28

一句话总结

该论文展示了一种后制备干法刻蚀技术，可在晶圆级实现对氮化硅（Si3N4）微腔厚度的亚10 nm精度微调，从而精确控制宽带克尔孤子微梳中的几何色散和色散波（DW）位置。该方法保持了高光学品质因数，并支持芯片级修整与多项目晶圆集成，实现了40 THz的DW调谐范围，调谐灵敏度达73 GHz/nm。

ABSTRACT

Geometric dispersion in integrated microresonators plays a major role in nonlinear optics applications, especially at short wavelengths, to compensate the natural material normal dispersion. Tailoring of geometric confinement allows for anomalous dispersion, which in particular enables the formation of microcombs which can be tuned into the dissipative Kerr soliton (DKS) regime. Due to processes like soliton-induced dispersive wave generation, broadband DKS combs are particularly sensitive to higher-order dispersion, which in turn is sensitive to the ring dimensions at the nanometer-level. For microrings exhibiting a rectangular cross section, the ring width and thickness are the two main control parameters to achieve the targeted dispersion. The former can be easily varied through parameter variation within the lithography mask, yet the latter is defined by the film thickness during growth of the starting material stack, and can show a significant variation (few percent of the total thickness) over a single wafer. In this letter, we demonstrate that controlled dry-etching allows for fine tuning of the device layer (silicon nitride) thickness at the wafer level, allowing multi-project wafers targeting different wavelength bands, and post-fabrication trimming in air-clad ring devices. We demonstrate that such dry etching does not significantly affect either the silicon nitride surface roughness or the optical quality of the devices, thereby enabling fine tuning of the dispersion and the spectral shape of the resulting DKS states.

研究动机与目标

• 为解决硅氮化物（Si3N4）薄膜在晶圆上自然存在的厚度变化问题，该问题限制了微梳性能的一致性。
• 实现对空气包层Si3N4微腔中几何色散的后制备调谐，以精确控制色散波（DW）的光谱位置。
• 开发一种晶圆级选择性干法刻蚀工艺，保持高光学品质因数（Q）和表面平整度。
• 展示在耗散克尔孤子（DKS）微梳中通过芯片级修整实现色散工程，支持多项目晶圆运行。

提出的方法

• 采用反应离子刻蚀（RIE）的选区干法刻蚀工艺，使用45 W射频功率和20 s持续时间，实现每步约4 nm的厚度减少分辨率。
• 采用在波导端面具有氧化物包层的空气包层微腔结构，实现在后制备阶段对Si3N4层的可访问性，同时保持光纤耦合的低插入损耗。
• 通过光学表征与修整过程中的实时反馈，实现对色散和DKS态演化的精确控制。
• 利用调整色散分布的Lugiato-Lefever方程进行理论建模，验证实验结果，并确认对环形腔线宽影响极小。
• 采用晶圆级选择性掩膜技术，实现在单块晶圆上不同区域选择性刻蚀不同厚度，支持多种项目并行制造，满足多样化的光谱带宽需求。
• 表面粗糙度与Q因子测量表明，刻蚀后未观察到显著退化，确保光学性能得以保持。

实验结果

研究问题

• RQ1 后制备干法刻蚀是否可在不降低光学品质因数的前提下，实现对Si3N4微腔厚度的亚10 nm调谐？
• RQ2 厚度调谐在多大程度上可控制宽带耗散克尔孤子（DKS）微梳中色散波（DWs）的光谱位置？
• RQ3 该修整技术是否可补偿100 mm Si3N4晶圆上自然存在的厚度变化，从而提高具有目标色散的器件良率？
• RQ4 空气包层微腔与氧化物包覆波导端面的结合，如何同时实现后制备调谐与低插入损耗？
• RQ5 是否可利用集成色散模型预测并控制DW的调谐范围？

主要发现

• 该干法刻蚀工艺实现了每步4 nm的厚度调谐分辨率，可精确控制Si3N4微腔中的几何色散。
• 在DKS微梳中，色散波（DW）位置的调谐速率为约-73 GHz/nm的厚度减少，实验与模拟光谱结果高度一致。
• 修整后光学品质因数（Q）保持高水平且无变化，未观察到表面粗糙度显著增加。
• 该技术实现了在30 nm厚度变化范围内，DW总调谐范围达40 THz，展示了微梳中广泛的光谱控制能力。
• 该方法通过在单块晶圆上选择性刻蚀不同厚度，支持多项目晶圆制造，实现在同一芯片上集成多种不同器件项目。
• 采用调整色散分布的Lugiato-Lefever方程进行的理论模拟与实验结果高度吻合，证实该刻蚀过程主要为物理过程，未改变环形腔线宽。