Сингапурская команда разработала волноводы из дейтерированного нитрида кремния для генерации широкополосного света на пластине

Исследовательская группа Сингапурского университета технологий и дизайна и Института микроэлектроники Агентства по науке, технологиям и исследованиям Сингапура недавно разработала низкопотерный волновод из дейтерированного нитрида кремния, позволяющий осуществлять широкополосную генерацию света на чипе. Данный результат был достигнут путём замены водорода на его тяжёлый изотоп — дейтерий — при изготовлении волноводов из нитрида кремния в условиях низких температур, что демонстрирует потенциал для интеграции с КМОП-совместимыми полупроводниковыми процессами и крупномасштабного производства на уровне пластин.

Соответствующая статья «Генерация сверхоктавного суперконтинуума в низкопотерных волноводах из дейтерированного нитрида кремния на уровне пластин» опубликована в журнале Optics Letters. Исследование показывает, что такой волновод чипового уровня способен расширять инфракрасные лазерные импульсы до спектрального диапазона, охватывающего от видимого красного света до глубокого инфракрасного излучения.

Традиционные плёнки из нитрида кремния обычно выращиваются из силанового газа, а остаточные связи кремний-водород в материале поглощают свет в телекоммуникационном диапазоне. Для снижения поглощения стандартный процесс требует длительного отжига при температурах до 1200 градусов Цельсия, однако такие высокотемпературные обработки неприменимы к чипам с уже интегрированными электронными схемами, а также легко создают значительные механические напряжения в толстых плёнках.

Исследовательская группа заменила обычный силан на дейтерированный силан, в результате чего атомы водорода были замещены более тяжёлым изотопом — дейтерием. Доцент Сингапурского университета технологий и дизайна Дон Тан отметила, что такая замена смещает пик поглощения из коммуникационного диапазона в область 2,1 микрометра, поэтому свет на рабочей длине волны больше не поглощается заметным образом, что устраняет необходимость в высокотемпературном отжиге.

Как сообщается, данный процесс позволяет осаждать плёнку толщиной 800 нанометров на всю 8-дюймовую пластину за один этап при температуре ниже 400 градусов Цельсия, что соответствует требованиям теплового бюджета стандартных полупроводниковых производственных линий. Оптические потери изготовленных волноводов составляют 0,54 дБ/см, что обеспечивает возможность интенсивных оптических взаимодействий. Продемонстрированные в исследовании устройства включают волновод длиной 5,21 см, а также волновод из дейтерированного нитрида кремния длиной 1,51 см со спиральной компоновкой и радиусом изгиба 100 микрометров.

В ходе экспериментов при подаче на вход волновода инфракрасных импульсов длительностью 500 фемтосекунд спектр расширялся от узкой линии на длине волны 1555 нм до непрерывного спектра в диапазоне от 587 нм до 1883 нм, охватывая 1,7 октавы. Хотя входной свет был невидимым инфракрасным излучением, чип излучал видимый красный свет. Тан отметила, что это доказывает способность устройства эффективно преобразовывать инфракрасный входной сигнал в достаточно широкий спектр, простирающийся в видимую область.

Для таких применений, как прецизионная метрология и частотные гребёнки, помимо ширины спектра, важны когерентность и стабильность между импульсами. Исследовательская группа измерила общую спектральную когерентность выше 0,81 при средних энергиях импульсов, что демонстрирует хорошую меж импульсную стабильность. Однако при более высоких энергиях, по мере дальнейшего расширения спектра, увеличивается и шум, что связано с эффектом модуляционной неустойчивости. Результаты моделирования показывают, что путём оптимизации длины волновода можно захватить стабильный широкий спектр до заметного снижения когерентности.

Руководитель направления кремниевой фотоники Института микроэлектроники Агентства по науке, технологиям и исследованиям Сингапура Сяньшу Ло отметил, что ключевая задача заключается в преобразовании фотонных конструкций в технологический процесс, способный достичь целевых оптических характеристик на уровне пластин. Исследовательская группа сообщила, что следующим шагом станет оптимизация конструкции волноводов для повышения равномерности спектра и расширения спектрального диапазона при высоких мощностях, а также изучение возможности интеграции источника света с такими устройствами, как модуляторы и детекторы, на одном чипе для применения в медицинской визуализации, прецизионной метрологии и оптической связи.