完全に統合されたフォトニクスのスペクトルをサブマイクロメートルの波長まで拡張

Nature volume 610、pages 54–60 (2022)この記事を引用

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38 オルトメトリック

メトリクスの詳細

統合フォトニクスは、現代社会を支える幅広い技術に大きな影響を与えています1、2、3、4。完全な光学システムをチップ上に製造できるため、比類のない拡張性、重量、コスト、電力効率が実現します5、6。過去 10 年にわたり、純粋な III-V 族材料プラットフォームからシリコンフォトニクスへの進歩により、集積レーザーと商業エレクトロニクス産業の大量の高度な製造能力を組み合わせることで、集積フォトニクスの範囲が大幅に拡大しました 7,8。しかし、製造上の顕著な利点にもかかわらず、現在、シリコンベースの導波路への依存により、フォトニック集積回路（PIC）で利用できるスペクトル窓が制限されています。ここでは、III-V族材料とSiウェーハ上の窒化シリコン導波路を直接結合することによる、新世代の集積フォトニクスを紹介します。この技術を使用して、シリコンのバンドギャップを超える光子エネルギーで完全に統合された PIC を提示し、すべてサブマイクロメートルの波長で動作する、レーザー、増幅器、光検出器、変調器、受動素子などの重要なフォトニック構成要素を実証します。このプラットフォームを使用することで、短波長の統合レーザーにおいて前例のないコヒーレンスと同調性を実現します。さらに、このより高い光子エネルギーを利用することにより、高温における優れた高温性能と kHz レベルの基本線幅を実証します。短波長での多くの潜在的なアプリケーションを考慮すると、この統合戦略の成功により、広範囲にわたる新しい統合フォトニクスアプリケーションが可能になります。

集積フォトニクスは過去 20 年間で急速に進歩しており、その進歩における最も重要なステップは、新しい統合プラットフォームの出現です (図 1a)。初期のフォトニック集積は、ネイティブ基板上の III-V 材料のみに基づいており 9、アクティブおよびパッシブフォトニックコンポーネントがチップ上に組み合わされて光学システムを形成していました。このアプローチは、商業的に実行可能な第一世代のフォトニック技術につながりました。それ以来、集積フォトニクスはエレクトロニクス産業の拡大の恩恵を受け、その結果、シリコンフォトニクス (SiPh) が大量に採用されるようになりました。 III-V 族の製造はシリコンの進歩に追いついていませんが、III-V 族のエピタキシーをさまざまな方法で異種接合することにより、大規模なシリコン・オン・インシュレーター (SOI) ウェーハ上にフォトニック集積回路 (PIC) を製造することが可能です10。 SOI 統合フォトニクスプラットフォームは、成熟した相補型金属酸化物半導体ファウンドリインフラストラクチャを活用して、フォトニクスチップのコストを大規模に大幅に削減します。

a、完全に統合されたフォトニックプラットフォームの進化：純粋なIII-Vプラットフォームは、アクティブ構造とパッシブ構造を組み合わせるために複数のエピタキシャル再成長に依存しています。 SOI 上の異種 III-V 族の接合には 2 つの接合手順が必要です。統合された Si 膜を生成する「スマートカット」法と、ネイティブ基板から SOI 上に III-V エピタキシー層を転写する III-V 接合です。 SiN プラットフォーム上の異種 III-V 族では、SiN 膜を統合するために SiN 直接堆積のみが必要で、III-V 層を追加するには 1 回のウェーハ接合プロセスのみが必要です。 b、完全に統合された PIC のスペクトル範囲: ボックスは、完全に統合された PIC に使用できるさまざまな材料 (InP52、GaAs53、Si54、55、SiN22、24、56) に基づくパッシブプラットフォームの透明度ウィンドウを表し、点はこれらの受動導波路における現在の最先端の損失とウェーハマーカーサイズは、ファウンドリにおける現在の最大ウェーハスケールを表しています。上部のアイコンは、スペクトルマップ上の完全に統合された PIC のアプリケーションを表します。紫色のアイコンは、既存の完全に統合された PIC とこの記事の III–V/SiN プラットフォームの両方にアクセスできるアプリケーションを示します。青色のアイコンは、ヘテロジニアス III–V/SiN プラットフォームによって可能になるアプリケーションに対応します。

集積フォトニクスの進化を推進するもう 1 つの重要な要素は、伝播損失が低いことです。 SOI 導波路は III-V 導波路 6 よりも伝播損失が 1 桁低いため、SiPh PIC はより多くの個別コンポーネントに対応できるため、より複雑なフォトニックシステムをサポートできます。さらに、損失が低いため、受動構造とコヒーレント光源の性能が向上します。これらの利点により、SiPh の爆発的な成長が促進され、データセンター 6 からニューラルネットワーク 11、Lidar 12、量子フォトニクス 13 に至るまで、数多くの新しいアプリケーションが開かれています。

しかし、このアプリケーション範囲の拡大に伴い、SOI プラットフォームの限界が表面化し始めています。 1 つはシリコンのバンドギャップ波長、約 1.1 μm に由来します (図 1b)。この波長以下では、SOI 導波路の吸収性が高くなります。したがって、紫外 (UV)、可視、および近赤外 (近 IR) のかなりの部分は、現在、最先端の統合フォトニクスではアクセスできません。この制限により、図 1b に示すように、原子物理学、拡張現実/仮想現実、バイオセンシング、量子通信 14、15、16、17、18、19、20 などの重要な分野でのオンチップソリューションが禁止されます。

この問題に対処するための有望な方法の 1 つは、窒化ケイ素 (SiN)21 を使用した受動構造を実装することです。その導波路は、通信波長で 0.1 dB m−1 未満の極めて低い損失を示し 22、23、460 nm 以下まで散乱が制限されます ( ref. 24)、超高 Q マイクロキャビティ、狭線幅レーザー、およびマイクロコム光源やオンチップ周波数コンバーターなどの非線形デバイスにとって魅力的なものとなっています。さらに、SiN ウェハは Si 基板上への直接堆積によって製造されるため、高価なスマートカットプロセスを必要とせず、ファウンドリで製造された PIC のコストをさらに削減できる可能性を示唆しています。

しかし、最近まで、SiN (約 2) と III-V 材料 (>3) の間の大きな屈折率不一致によって、SiN PIC への能動部品の統合が妨げられてきました。 SiN および III-V 構造は、通信波長でコヒーレント性の高いレーザーとマイクロコムを形成するために同じ基板上に集積されていますが、パッシブ - アクティブ遷移用の中間 Si 層が必要であり、依然として短波長での動作は禁止されています 25,26。

この研究は、ヘテロジニアスに統合された III-V/SiN プラットフォームに統合されたアクティブおよびパッシブ素子を備えた新世代の統合フォトニクスを示しています。この統合スキームは、レーザー、半導体光増幅器 (SOA)、変調器、光検出器、さまざまな受動素子などの汎用ビルディングブロックを備えた、完全に統合されたサブマイクロメートルフォトニクスプラットフォームを提供します。 III-V 利得セクションと SiN 外部共振器の組み合わせにより、Si のバンドギャップエネルギーを超えて動作する、ヘテロジニアスに集積され、線幅が狭く、幅広く調整可能なレーザーが得られます。これは、原子物理学、センシング、精密計測に多大な影響を与えるデバイスです。さらに、短波長プラットフォームはコヒーレント光源の中でも優れた高温性能を示し、データセンターやその他の高温環境での電力効率の向上に使用できます。これらの結果は、より広い範囲をカバーする PIC の量産を予告し、多くの新しいアプリケーションへの扉を開きます。

異種 III-V/SiN フォトニックデバイスは、SiN 導波路の上に結合された III-V 系エピタキシャル層構造で構成されています。 III-V族/SiN異種フォトニックデバイスの簡略化した製造プロセスフローを図2aに示し、詳細な説明は「方法」に記載されています。図2bは、4インチのシリコン基板上に作製された数百のレーザーを備えた完成したウェーハの写真を示しています。走査型電子顕微鏡画像（図2c（I-IV））は、単一のSiN導波路、カプラー、片側にIII-V/SiNカプラーを備えたIII-V導波路、およびフォトダイオードのアレイに接続されているレーザーのアレイを示しています。それぞれSiN導波路。

a. 簡略化されたウェーハスケールのプロセスフロー。示すステップ: (1) 熱酸化した Si 基板上に SiN を堆積。 (2) SiN 導波路のパターニング。 (3) 複数の III-V エピタキシャル構造の結合。 (4) III-V エピタキシーの基板除去。 (5) 能動デバイスの p-n 接合を形成するための複数のドライ/ウェットエッチングを含む III-V プロセス。 (6) デバイスの製造を完了する誘電体クラッドの堆積、ビアエッチングおよびメタライゼーション。 b. 数千のデバイスを含む、完全に処理された 4 インチウェーハの写真。 c、（I）SiN導波路、（II）導波路結合器、（III）III-V導波路と能動部品用の電気接点、（IV）SiN導波路で接続されたレーザーとフォトダイオードのアレイの走査型電子顕微鏡画像。 d. 単一チップ上に製造された完全に統合された原子時計システムの想定図。 e. プラットフォーム上でサポートされるアクティブおよびパッシブ機能と、特徴的なパフォーマンス。左から右: FP レーザー。広帯域ミラーを統合したファブリーペローレーザーで、電流しきい値が 12 mA 未満で、SiN 導波路への出力が 25 mW 以上です。 SOA、100 mA バイアス電流で 980 nm で 22 dB の最大利得を持つ半導体光増幅器 (100 mA での利得の 3 dB 帯域幅は 20 nm 以上に及びます)。パッシブ導波路、900 ～ 980 nm の波長範囲でサブ dB cm-1 の伝播損失を持つ SiN 導波路（緑色の陰影は、単一ウェーハの同一のテスト構造にわたるデバイス損失を平均した後のカットバック損失の線形フィットからの標準誤差を示します）。変調器、Vπ = 2.4 V および 20 dB を超える消光比 (ER) を示す位相変調器を備えたマッハツェンダー干渉計。 PD、980 nm で 0.6 A W-1 を超える応答性と nA レベルの暗電流を備えたフォトダイオード。

このプラットフォームの重要な特徴は、III-V 導波路と SiN 導波路間の効率的な光結合です。 SiN と比較して III-V 材料の屈折率が大きいため、III-V/SiN 異種導波路では、III-V 層に高度に局在化した光モードが生じます。これは、典型的な III-V/Si 異種導波路との基本的な違いであり、Si と III-V の屈折率が類似しているため、光モードが両方の材料でハイブリッド化することが可能です 27。その結果、エバネッセント場に基づく通常の断熱結合スキームは、III-V/Si フォトニクスには適していますが、III-V/SiN ではうまく機能しません。この場合、従来の光学機器で広く使用されている非断熱方式であるバットカップリングが有利です。ただし、効率的なバット結合には、結合する導波路間の空間的オーバーラップを最大限に高める必要がありますが、接着層を垂直に整列させることができないため、ウェハスケールのヘテロジニアス集積プラットフォームではこれを実現できません。次の III-V/SiN カプラ構造は、前述の両方の結合スキームを組み合わせることによってこの課題に対処します。中間導波路は、III-V 導波路と SiN 導波路の間の誘電体クラッド内にパターン化されます。 III-V 端では、中間導波路の形状が突き合わせ結合用に最適化されています。また、SiN 端では、SiN 導波路への断熱エバネッセント結合用に最適化されています。第一世代では最大 70% の結合効率が実証されており、最適な設計では 90% の効率が達成可能です 28。追加の詳細については、補足情報に記載されています。

図2dは、統合原子時計システム用に提案されている統合PICを示しており、直接III-V/SiN結合を備えた完全に統合された短波長PICエコシステムの可能性を示しています。図 2e に示すように、必須コンポーネントは 980 nm 付近で実装および特性評価されています。ファブリペロー (FP) レーザーは、背面にほぼ 100% のループミラー、前面に 10% のミラーで形成され、光源を提供します。長さ 800 μm の FP レーザーは、12 mA という低いしきい値電流を示しますが、出力パワーとスロープ効率はそれぞれ 25 mW と 0.38 W A-1 を超えます。統合型 SOA は、22 dB を超える光利得と 20 nm 3 dB 帯域幅を備えて製造されています。検出の場合、III-V フォトダイオード (PD) は、980 nm で nA レベルの暗電流、0.6 A W-1 以上の応答性、および 80% の量子効率を示します。また、Vπがわずか2.4 Vの同じGaAsエピタキシャル材料を使用した長さ2 mmの移相器と、波長1,060 nmで測定した消光比が22 dBを超えるマッハツェンダー変調器も実証します。 III-V のアクティブ素子を補完するのは SiN パッシブ導波路で、980 nm 付近で測定した損失は 0.5 dB cm−1 未満に達します。これは 1.5 × 106 を超える品質係数 (Q) に相当します。

また、最近開発された超低損失 SiN 導波路 24、29 により、導波路損失をさらに 2 桁削減できることも注目に値します。この薄い SiN プラットフォームでは、パッシブ導波路とアクティブ導波路の間で実効屈折率の不一致が大きくなりますが、同じ結合戦略を使用して効率的な結合を達成できます。

異種フォトニクスの重要な応用の 1 つは、コヒーレントレーザー発振です。たとえば、電気通信帯域では、低損失シリコン導波路が InP ベースの光利得材料と組み合わされて、集積化された狭線幅レーザーが製造されています 30。高品質の SiN パッシブと短波長 III-V ゲインを組み合わせることで、当社のプラットフォームはシリコンのバンドギャップ制限を超えた同様の機能を提供します。

GaAs利得領域とSiN外部共振器で構成される980nmで動作する集積レーザーが概念実証として提示されます。図 3a、b は、バーニアリングの原理とレーザーの概略設計を示しています。詳細は「方法」で説明されています。図3cのLI（光電流）曲線に示されているように、レーザーからの出力パワーはゲインピーク付近で10 mWを超えています。ここでは、波長が976.5 nm付近に維持されている間にパワーが測定されています。 75 mA の固定利得電流の場合、出力は波長範囲全体にわたって 6 mW を超えると測定されます。

a. 個々のリング共振器の波長応答と、異なる自由スペクトル範囲の 2 つのリングで結果として測定されたバーニアスペクトル。 b. 100% ループミラー内の 2 つのリング共振器で形成されたバックミラー、50% の反射率のフロントループミラー、およびその間の GaAs ベースの SOA セクションを備えたデュアルリング同調可能レーザーの概略図。サーマルマイクロヒーターはリングとレーザーキャビティの一部に製造されており、リングを位置合わせし、波長を選択し、往復位相の蓄積を調整します。写真は、フォームファクターが 3 × 0.3 mm2 未満の波長可変レーザーチップを示しています。 c、固定波長でのレーザーの LI 特性。30.3 mA のしきい値電流と 10 mW 以上の出力を示します。挿入図: シングルモード発振スペクトル。 d. 低損失 SiN 外部キャビティによる線幅の改善。 e、周波数ノイズスペクトル、シミュレートされた熱屈折ノイズ、および 2.8 kHz のローレンツ線幅 (ホワイトノイズフロアの 2π 倍) に対応する 450 Hz2/Hz のホワイトノイズフロア。挿入図: レーザー調整範囲全体にわたる 25 °C でのローレンツ線幅。 f、相対強度ノイズ (RIN)、緩和振動共鳴の外側で -155 dB Hz-1 未満。 g. 広い同調範囲により、多くの原子共鳴へのアクセスが可能になります。 h、全範囲にわたって高いSMSRを備えた20 nmを超える波長のバーニア波長調整。 i、時間の経過とともにレーザーの波長を段階的に変化させることによって作成された「UCSB」のロゴ。各ドットの色は、そのタイムステップで測定された SMSR を示します。 j、単一の連続調整パラメータで共鳴をロックするメカニズム。原子遷移をロックするために重要です。 k、位相調整セクションのみを掃引することにより、8 GHzを超える範囲で得られるIII-V/SiNレーザー周波数のモードホップフリーの連続調整。 l、モードホップなしでレーザー周波数を調整することによって作成された「Nexus」ロゴは、長期にわたり優れた安定性と正確な制御を示します。

図 3b に示すように、設置面積が 1 mm2 未満のコンパクトなレーザーは、短波長での幅広い用途に価値があります 31。重要な例の 1 つは原子物理学です。ここで説明する III-V/SiN ヘテロジニアスレーザーは、大型の外部キャビティダイオードレーザー 32,33 に匹敵する性能を提供しますが、完全に統合されたデバイスのフォームファクターを備えています。図3eは、遅延セルフヘテロダインセットアップと相互相関技術（方法）を使用して測定した、980 nmの波長でのレーザーノイズの両側パワースペクトル密度を示しています。スペクトルは、半導体レーザーで一般的に観察されるように、低オフセット周波数 (f) 範囲の 1/f ノイズによって支配されます。 100 kHz ～ 30 MHz の間では、レーザーノイズは主に熱屈折ノイズによって支配されます (方法)。約30 MHzのオフセット周波数では、450 Hz2/Hzのホワイトノイズフロアに達し、これは2.8 kHzのローレンツ線幅に相当し、同調範囲全体にわたって10 kHzレベルの線幅となります（図3e）。基本線幅（通常 100 kHz 以上（参考文献 6））が多くの原子遷移線よりも広いこれまでの統合された純粋な III-V レーザーとは異なり、ここで紹介される III-V/SiN ヘテロジニアスレーザーは、その低さから大幅なノイズ低減を実現します。 -損失SiNリング共振器ベースのミラーにより、これらの細い線の原子遷移へのアクセスが可能になります。また、III-V/SiN ヘテロジニアスレーザーは、図に示すように、2 GHz のオフセット周波数付近の緩和振動共鳴の外側で、相対強度ノイズが -155 dB Hz-1 (測定ツールのノイズフロア) より低い相対強度ノイズで良好な振幅ノイズ性能を示します。図3f。

バーニアレーザー設計のもう 1 つの重要な特徴は、その幅広い調整可能性です。狭い調整能力しかないため、特定の波長を生成するには (たとえば、原子遷移をターゲットに)、厳しい製造公差が必要になります。リング共振器の上部に配置されたマイクロヒーターを使用すると、熱光学効果を利用して各リングコムを調整し、バーニアの位置を目的の波長にシフトできます。この単純なバーニアコム原理は、広範囲に調整可能なレーザーの鍵となるオンチップの再構成可能な光フィルターを取得するメカニズムを提供します。図 3h は、波長を 1 nm 刻みで粗くステップさせて測定した、25 °C での特性を示すレーザー発振スペクトルを示しています。同調範囲は約 20 nm (約 6 THz に相当) で、主に 980 個の量子井戸からのゲイン帯域幅によって制限されます。挿入図に示すように、発振側モード抑制比 (SMSR) は調整範囲全体で 35 dB を超え、発振波長がゲインピーク付近にある場合は 50 dB に近づきます。図3iに示すように、レーザーの波長はSMSRを犠牲にすることなく広い範囲で繰り返しステップさせることができます。ここで、y軸は時間の関数として発振波長を示し、ドットの色は発振モードのSMSRを示します。

広範なチューニングに加えて、レーザーを高 Q キャビティまたは原子遷移にロックする場合、多くの場合、より狭い範囲にわたって継続的な微調整が必要になります。図 3k に示すように、位相チューナーを掃引するだけで、レーザーは 8 GHz のモードホップフリーの調整範囲をサポートします。リングと位相セクションを同時に調整することにより、はるかに大きなモードホップフリーの調整範囲を達成できることに注意してください36。図3lに示すように、周波数は数GHzにわたって繰り返し正確に制御することもできます。

統合型フォトニクスの主な課題は、アクティブな冷却の要件です。ダイオードレーザーの性能は温度が上昇すると低下するため、性能を維持するには PIC を冷却する必要があります。レーザーの熱劣化は、温度上昇によるキャリアのフェルミ分布の広がりによる利得の低下37と、特にヘテロ障壁38、オージェ再結合38、39およびインターバルバンドを越えるキャリア漏洩などのさまざまなメカニズムによる放射キャリアの損失によって引き起こされます。吸収 40,41 (図 4a)、これらはすべて温度とともに指数関数的に増加します。これら 3 つのキャリア損失メカニズムのうち、オージェ再結合と間隔バンド再結合は両方とも材料のバンドギャップとともに指数関数的に減少します 38,41。したがって、波長が短いレーザーは本質的に、これらの非放射損失プロセスに対する耐性が高くなります。さらに、近赤外から可視波長のレーザーに使用される GaAs 基板上に成長した材料システムは、長波長の InP システムよりも有利に大きな伝導帯オフセットを備えているため、より高い量子井戸障壁と高い領域でのより優れたキャリア閉じ込めが実現されます。温度38。上記の効果により、短波長 GaAs プラットフォームに優れた高温性能がもたらされ (図 4b)、受動的冷却のみで動作することで消費電力を大幅に削減できます。

a、レーザーの簡略化したバンド図と、(I) 放射再結合、(II) オージェ再結合、(III) 間隔バンド吸収、および (IV) ヘテロ障壁を越えるキャリア漏洩を含む主要なキャリア再結合および漏洩プロセスの図。 b. この研究における完全に集積化された長波長レーザーと短波長レーザーのキャリア再結合プロセスの温度依存性。非放射再結合は温度とともに指数関数的に増加しますが、短波長 GaAs プラットフォームではエネルギーバンドギャップと量子井戸深さが増加するため、その効果は減少します。許容動作温度は実線の長さで表され、デバイスのフリーランニング温度が動作温度範囲を超える場合は冷却プロセスが必要です。 c、25 °C ～ 185 °C での SiN ヘテロジニアス FP レーザーの LI 特性。 d、LI 曲線から抽出された、レーザーのしきい値電流対温度。特性温度 T0 = 148 K、20 °C ～ 90 °C 以内。 90 °C ～ 150 °C の範囲では T0 = 110 K、市販のヘテロジニアス集積レーザーで報告されている最高のレーザー発振温度 1、150 °C 以上では T0 = 61 K。挿入図: さまざまな共振器長の FP レーザーの最初の 2 つの範囲 (20 °C ～ 90 °C および 90 °C ～ 150 °C) における特性温度 T0。 e、FP レーザー波長対温度。0.33 nm K-1 の線形利得レッドシフトを示します。 f、選択した温度でのFPレーザー発振スペクトル。 g. 高温で測定したシングルモード同調可能レーザーの周波数ノイズスペクトルを選択します。145 °C であってもローレンツ線幅が 10 kHz 未満であることを示します。挿入図: 35 °C ～ 145 °C の基本線幅と温度の関係。

熱性能を研究するために、図4cに示すように、25°Cから185°Cまでのステージ温度でのLI測定によって、不均質III-V / SiN FPレーザーの特性を評価しました。連続発振発振は 185 °C まで達成されました。これは、これまでシリコンチップ上に集積されたすべてのレーザーの中で最も高い動作温度であり、これまでの記録 (150 °C) を大幅に上回りました1。最大90℃の閾値電流は、特性T0が148K（図4d）の指数関数モデルでよく説明され、これはネイティブ基板上のダイオードレーザーの中で最高の熱性能と同等です42。さらに、スペクトル測定では、レーザ発振波長窓が 0.33 nm K-1 の割合で赤方偏移し、185 °C での最大発振波長が 1,044.5 nm であり、図に示すように室温よりも 50 nm 以上赤くなっています。図4e、f。

単にレーザー発振するだけでなく、III-V/SiN ヘテロジニアスプラットフォームは、高温で統合された狭線幅レーザーも実証しており、データセンターでのコヒーレント通信、リモートセンシング、または過酷な環境での計測などのアプリケーションに大きな期待を示しています。リング共振器ベースの波長可変レーザー (前のセクションのものと同様) の特性が評価されました。位相雑音測定は、35 °C から 145 °C までの温度で実行されました (方法)。測定された最良の全体の基本線幅は 7 kHz 未満であり、145 °C では 10 kHz 未満の線幅が測定されました。最小限の線幅劣化のみが観察されました（図4e）。 III-V 族と SiN の両方を同じ基板上に集積すると、広い温度範囲にわたって利得と外部キャビティ間の堅牢な結合が保証されますが、チップ間の突き合わせ結合によるハイブリッド集積 23 などの他の線幅狭小化方法では、 29、43 は、異なる要素間の熱膨張の不一致による位置ずれの問題に直面しています。

この研究で実証された統合戦略を使用すると、シリコンフォトニクスの波長範囲を、GaAs ベースの材料 (GaP、InGaP、AlGaAs) で緑色の波長まで拡張し、GaN ベースの材料を組み込むことで青、紫、UV の範囲まで拡張できます。。最近、青と紫の波長で特性評価された超低損失 SiN 導波路 24 を使用すると、可視波長範囲全体にわたってスケーラブルな PIC を製造することが可能になります。高 Q SiN キャビティを使用することにより、マイクロコム 44、45、46、誘導ブリルアンレーザー 47、強力な周波数変換システム 48 などの完全に統合された非線形システムもこのプラットフォーム上で実現できます。同じ統合戦略は、超高 Q 用の薄い SiN (<100 nm) や異常分散領域でのマイクロコム生成用の厚い SiN (>700 nm) など、さまざまな厚さの SiN 導波路に適しています。 LiNbO3、AlN、SiC、AlGaAs、カルコゲナイドガラスなどの他の材料も、受動導波路の媒体として断続的に使用でき、集積フォトニクスのツールボックスをさらに充実させ、これまでにない長波長 (>10 μm) に向けて PIC のスペクトルを拡張します。現在の PIC でサポートされています。

短波長 PIC には、フォトニクスアプリケーションの地図を書き換える可能性があります。原子物理学では、短波長 PIC はオンチップ原子時計と、トラップされたイオン量子ビットによる量子コンピューティングをサポートします14。可視光から通信までの広大な波長範囲にわたるプラットフォームを使用すると、コヒーレントリンクは、時間周波数計測 49 および量子通信における可視通信のもつれ 50 のためのオクターブにまたがる自己参照システムをサポートするように設計できます。消費者市場では、高温性能の向上によりフォトニックデバイスの冷却要件が緩和され、データセンターやフォトニックコンピューティングにエネルギー効率の高いソリューションが提供されます。可視域でのコヒーレント性の高い光源と低損失光位相アレイ 51 を組み合わせることで、III-V/SiN ヘテロジニアスフォトニクスプラットフォームは、拡張現実/仮想現実機器からかさばるレンズイメージングシステムを排除し、軽量化と電力効率の向上を実現できる可能性があります。

最後に、このプラットフォームの製造は、異種 III-V/Si フォトニクスを生産する既存のフォトニックファウンドリと互換性があるため、この技術が間もなく大規模な大量生産に採用されると予想されます。 SiN-on-insulator の材料コストは SOI の材料コストよりも低いため、この開発により III-V/SiN が現在普及している III-V/Si よりも経済的に好ましいものとなり、業界全体のコストが削減され、集積フォトニクスに真の革命がもたらされます。

シリコン基板を熱酸化して、導波路クラッドに適した SiO2 ベース層を形成しました。次に、厚さ 350 nm の SiN 膜を低圧化学気相成長法で堆積し、フォトリソグラフィーステッパーシステムでパターニングし、ドライエッチングして受動導波路構造を形成しました。 III-V エピタキシーは、最適化された分子結合プロセスで窒化物ウェーハ上に直接結合されました。 III-V は事前にパターン化されていないため、接合に正確な位置合わせが必要なく、ウェハスケールの大量生産が可能になります。これが、チップ間パッケージングなどの他の統合戦略に対するヘテロジニアス統合の重要な利点の 1 つです。または転写印刷。この研究では、III-V エピタキシーは、InGaAs/GaAsP 量子井戸を備えた GaAs/AlGaAs ベースの層状構造でした。量子ドットを備えた GaAs/AlGaAs 材料は以前にも SOI 導波路上に不均一に集積されていましたが 57、GaAs/AlGaAs 量子井戸はここで初めて不均一に集積されました。詳細なレイヤー構造については、補足情報を参照してください。 GaAs/AlGaAs と SiN 間の接合強度を高めるために、接合前に接着層としてエピ表面に 7 nm の Al2O3 層を堆積しました。また、GaAs と Si の大きな熱膨張係数の差を管理するために、接合後のアニールは低温 (150 °C) で長時間 (最大 12 時間) 実行され、接合強度が向上しました。次に、III-V 基板を機械研磨と選択的ウェットエッチングによって除去した後、III-V プロセスを継続してアクティブコンポーネントを形成しました。ブランケット誘電体を堆積して、SiN 導波路と III-V 導波路の両方の上部クラッドと、金属セクション間の絶縁体を形成しました。最後に、ビアが開かれ、金属パッドが堆積されてデバイスへの電気接点が形成されました。製造プロセスのより詳細な説明は、補足情報に記載されています。

図 3b は、レーザーの概略設計を示しています。このレーザーのバックミラーは、アドドロップ構成でループ内にカスケード接続された 2 つのリング共振器で構成されています。各リング共振器は波長領域で櫛を形成し、隣接する櫛線は 1 つの自由スペクトル範囲によって分離されます。図3aに示すように、2つのコームの自由スペクトル範囲がわずかに異なるようにリングの半径を選択することにより、これら2つのコームの積であるデュアルリングミラーの反射スペクトルは、次のようなバーニアコームになります。 2 つの個別のコームラインが整列する単一の主要なコームラインのみ。このレーザーには、バーニア調整可能リングミラーに加えて、位相調整素子とオンチップモニターフォトダイオードも備えています。

遅延セルフヘテロダイン位相雑音測定は、1 km の遅延線と、マッハツェンダー干渉計の対向アームにある Brimrose 音響光学変調器 (TEM-110-10-55-980-2FP) を使用して実行されました。 2 つの出力信号は Newport 低ノイズ受光器 (モデル 1801) に送信され、相互相関分析のために Tektronix 5 シリーズミックスドシグナルオシロスコープで記録されました。 58. 測定中、すべてのレーザー入力と測定ステージの熱電冷却器 (以下を参照) は、Lightwave ILX LDX-3620B 超低ノイズバッテリー電流源によって制御されました。

ここでは、ゆらぎ散逸定理59に基づいて統合レーザー共振器の熱屈折ノイズを導出し、COMSOLマルチフィジックス有限要素法ソルバーを使用して図3のデュアルリング波長可変レーザーの熱屈折ノイズをシミュレートします。共振器内の単一光モードの場合、ヘルムホルツ方程式を解くことにより、光共振角周波数 ωopt は次のように表すことができます。

ここで、E はモード電場、r は空間座標ベクトル、c は光の真空速度、n0 は材料の屈折率です。

熱シフトの下では、屈折率変化 Δn は、Δn = n0βnδT として表すことができます。ここで、βn は熱光学係数です。共振周波数シフト δωopt は次のように解くことができます。

ここで、N は光学モード強度の正規化、N = ∫n0ng |E|2d3r です。

共振器は温度 T0 の蓄熱器内に存在し、熱平衡からの温度偏差は周波数領域の熱方程式に従います。

ここで、ρ は材料密度、cp は熱容量、κ は熱伝導率、Qext は架空の外部熱源であり、次式で与えられます。

ここで f0 はエネルギーへの変換単位です。

結果として生じる消費電力 Wdiss は次のように計算できます。

ゆらぎ散逸定理によれば、共振周波数 ω の両側パワースペクトル密度 (SD) は次のように表すことができます。

熱特性のシミュレーションで使用される重要なパラメーターは次のとおりです。ρ(Si3N4) = 2.2 × 103 kg m−3 (参考文献 60)、ρ(SiO2) = 2.2 × 103 kg m−3、および C(Si3N4) = 600 J kg −1 K−1 (参考文献 60)、C(SiO2) = 740 J kg−1 K−1、κ(Si3N4) = 2.23 W m−1 K−1 (参考文献 61)、κ(SiO2) = 1.4 W m−1 K−1、βn(Si3N4) = 2.4 × 10−5 K−1、βn(SiO2) = 1.0 × 10−5 K−1、周囲温度 293.15 K。

高温測定ステージは、ヒーター、ヒートスプレッダー、熱電冷却器、測定ステージの 4 つのレベルで構成されていました。さらに、空気への熱の流れを減らすためにポリイミドテープが貼られ、空気の流れからテスト対象のデバイスを保護するためにアルミニウムのフード状の構造が追加されました。温度は、ステージおよびヒートスプレッダーに EPCOS-TDK サーミスター (B57540G1103F005) を備えた Vescent SLICE-QTC コントローラーを使用して監視しました。出力パワーは、校正済み Newport 積分球 (819C-UV-5.3-CAL) を使用して測定されました。発振波長は横河光スペクトラムアナライザ（AQ6374）でスペクトルを測定することで決定しました。

この論文の図に示されているデータは、https://zenodo.org/record/6757842#.YrknDtLMKV4 で入手できます。

この研究の結果を裏付けるコードは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

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測定の支援については B. Dong 氏と D. Kinghorn 氏、有益な議論については S. Palmer 氏、形式の修正については Z. Zhou 氏、グラフィックスケッチについては L. McKinney、B. Long 氏、Y. Chen 氏に感謝します。また、高温レーザーの性能について議論してくれた L. Coldren 氏、原子物理学への応用について議論してくれた D. Weld 氏と J. Wang 氏にも感謝します。この研究の一部は、オープンアクセス実験室である UCSB ナノファブリケーション施設で実施されました。この作品および資料の一部 (UCSB およびカリフォルニア工科大学に関連する) は、契約番号 100 に基づいて国防高等研究計画局 (DARPA) によって支援された作品に基づいています。 HR001-20-2-0044。この資料に記載されている意見、調査結果、結論または推奨事項は著者のものであり、必ずしも国防高等研究計画局 (DARPA) の見解を反映しているわけではありません。

これらの著者は同様に貢献しました: Minh A. Tran、Chong Zhang、Theodore J. Moerin

Nexus Photonics、米国カリフォルニア州ゴレタ

Minh A. Tran、Chong Zhang、Sabyasachi Barik、Woonghee Lee、Glenn Kim、Aditya Malik、Zeyu Zhang、ヒュンダイ・パーク、ティン・コムリェノビッチ

米国カリフォルニア州サンタバーバラのカリフォルニア大学電気およびコンピュータ工学科

セオドア・J・モーリン、リン・チャン、ジョエル・グオ、ジョン・E・バウワーズ

TJ ワトソン応用物理研究所、カリフォルニア工科大学、パサデナ、カリフォルニア州、米国

Zhiquan Yuan、Heming Wang、Boqiang Shen、Lue Wu、Kerry Vahala

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すべてのデバイスは HP、TK、CZ および MAT によって設計され、CZ、MAT、WL および GK によって製造されましたデバイスの特性評価は HP、SB、AM および ZZ によって実行されました高温およびノイズの特性評価は TJM、MAT、LC および JG によって実行されました、ZY、HW、BS、および LW の支援を受けて、理論的な位相雑音の調査が ZY、HW、および BS によって実施されました。原稿は、他のすべての著者の支援を受けて、MAT、TJM、および LC によって作成されました。 TK は設計、製造、特性評価を含む Nexus Photonics のすべての業務を監督し、LC、JEB、および KV は UCSB および Caltech での高度な特性評価を監督しました。

Lin Chang または Tin Komljenovic への通信。

JEB は Nexus Photonics の共同創設者です。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた David Moss と他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

補足 1 ～ 4 および図 1 から 4 まで 1～9。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Tran、MA、Zhang、C.、Morin、TJ 他。完全に統合されたフォトニクスのスペクトルをサブマイクロメートルの波長まで拡張します。 Nature 610、54–60 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-05119-9

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受信日: 2021 年 12 月 6 日

受理日: 2022 年 7 月 18 日

公開日: 2022 年 9 月 28 日

発行日: 2022 年 10 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05119-9

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