光学・フォトニクス：Cuフリーのフォトニック集積回路における決定論的ソリトンマイクロコム

マイクロ共振器に基づくチップスケールの光周波数コム（マイクロコム）によって、GHzからTHzの繰り返し率、広帯域幅、小型のフォームファクター、ウエハースケール製造への適合性を有する光コムが得られるようになった。Si₃N₄フォトニック集積回路は、主要プラットフォームとして浮上し、光通信、並列ライダー、光周波数合成、低雑音マイクロ波生成から並列畳み込み処理まで、これまでほぼ全てのシステムレベルの実証に用いられてきた。しかし、主に強い熱的不安定性に起因して、決定論的ソリトンマイクロコム生成が難しいため、実験室外でリアルワールドでの展開に移行することが困難になっている。ソリトン生成を開始させるために、パルス励起、高速スキャン、補助レーザー励起を含むさまざまな手法が開発されているが、これらの手法では熱的影響を取り除けず、さらなる複雑性が加わる、または利用可能なソリトン存在範囲が減少することによって、マイクロコム性能が損なわれることが多い。今回我々は、Si₃N₄フォトニック集積回路において、熱的影響を克服し、決定論的ソリトン生成を実証した。我々は、熱的影響を追跡調査して、導波路内の予期せぬ銅（Cu）不純物にたどり着いた。こうしたCu不純物は、CMOSグレードのSiウエハーにおける残留汚染物質に由来し、製造時にゲッタリングによってSi₃N₄に混入したものである。我々は、Cu除去技術を開発することによってCu濃度を大幅に低下させ、それにより熱的影響を軽減した。そして、任意のレーザースキャンプロファイルおよび低速レーザースキャンを用いて、散逸カーソリトン生成の実証に成功した。今回の手法は、ファウンドリーにおいてSi₃N₄デバイスのフロントエンド処理に容易に適用でき、ソリトンマイクロコム技術の展開の主要な障害を取り除くことができる。

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