集積フォトニクス：五酸化タンタルを用いた非線形フォトニクスのモノリシック3D集積

フォトニクスの分野には、広範な材料プラットフォームが存在しており、それらは個別に特定の機能に最適化されているが、現在の、そして発展し続けるあらゆるフォトニクス応用の要求を満たすプラットフォームは存在しない。集積フォトニクス材料を組み合わせることで、非線形光学、低損失受動素子、電気光学の統合など、全体としての能力は高められるものの、材料とプロセスの適合性は依然として大きな課題である。今回我々は、五酸化タンタル（Ta₂O₅、以下「タンタラ」）フォトニクスをパターン形成した基板上に直接構築する、ウエハー全面でのモノリシック3D集積法を提示し、薄膜ニオブ酸リチウムを用いてこれを実証した。タンタラは、そのユニークな特性、特に室温での成膜、中程度の温度でのアニーリング、位相整合に最適化された厚膜中の低残留応力によって、基板の性能や適合性を損なうことなくモノリシック3D集積に極めて適したものとなっている。我々は、タンタラでの低損失で高Q値のマイクロ共振器とナノフォトニクス、分極反転ニオブ酸リチウム導波路でのロバストな疑似位相整合、そして効率的な3D層間配線を実証した。これらの能力によって、タンタラのマイクロ共振器やフォトニック結晶共振器におけるスーパーコンティニューム生成、光パラメトリック発振、暗パルス・マイクロコム生成のためのχ⁽³⁾四波混合、周期的分極反転ニオブ酸リチウムにおけるχ⁽²⁾第二高調波発生、そしてそれらの組み合わせを含む、多様な非線形周波数変換プロセスの実証が可能となった。

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