Inverse-Designed Silicon Nitride Nanophotonics

技術要約：逆設計された窒化シリコン・ナノフォトニクス

問題提起
窒化シリコン（Si$_3$N$_4$）フォトニクスは、その広い透明窓、低リニアおよび非線形損失、および高いモード閉じ込め特性により、集積回路の成熟したプラットフォームとなっている。しかし、従来のフォトニック設計手法は、直感的なパラメータ化された幾何学形状に依存することが多く、複雑なデバイス機能の探索を制限している。勾配ベースの最適化を用いて所望の性能を達成する逆設計（inverse design）は、シリコン、ダイヤモンド、シリコンカーバイド、およびリチウムナイオベートのプラットフォーム上で成功裏に実証されてきたが、厚膜で高品質な窒化シリコンプラットフォーム上での逆設計されたナノフォトニクスの実験的検証は、これまで困難であった。さらに、Si$_3$N$_4$はシリコンと比較して屈折率コントラストが低いため、より大きな設計領域を必要とし、最適化性能がフットプリントサイズに対してどのようにスケールするかというベンチマークが必要となる。

手法
著者らは、ファウンドリ互換の厚膜窒化シリコンプラットフォーム上でフォトニック構造を最適化するために、勾配ベースの逆設計アルゴリズム（SPINSソフトウェアフレームワークを利用）を採用した。2つの異なる製造プロセスが使用された：

1. 反応性マグネトロンスパッタリング： 様々な厚さ（400 nm、730 nm、および790 nm）のデバイスに使用。
2. 低圧化学気相成長法（LPCVD）： 一定の800 nm厚のデバイスに使用。

最適化プロセスには、製造可能性を確保するために、最小特徴サイズ80–100 nmおよび緩やかな曲率許容範囲を含む製造制約が組み込まれた。正確なシミュレーションのために40 nm角のメッシュが使用された。最適化後、設計はフル3D FDTDシミュレーション（Lumerical）を用いて検証され、製造誤差の影響を受けやすい小さな特徴は手動で除去された。

主に3つのデバイスクラスが設計、製作、および特性評価された：

• 波長分割多重器（WDM）： ブロードバンド入力をスペクトル的に異なるチャネルに分離する3ポートデバイス。
• モード分割多重器（MDM）： 直交する空間モード（TE$_{00}$およびTE$_{10}$）を別々の導波路に分離するデバイス。
• 逆設計反射鏡： 高反射率とモードフィルタリング機能を備えたファブリ・ペロー（FP）マイクロレゾネータを構成するために使用。

主な貢献および結果

• 波長分割多重器（WDM）：

  • 2つのデバイスが実証された：一つは194/232 THzで作動し、フットプリントは$5\times5$ $\mu$m$^2$、もう一つは196/202 THzで作動し、フットプリントは$8\times8$ $\mu$m$^2$である。
  • 性能： 両デバイスとも、中心波長において約-2 dBの挿入損失を示した。クロストークレベルは-10 dB以下と測定された（194/232 THzデバイスではCバンドで-7 dB、Oバンドで-3 dB、196/202 THzデバイスでは-11 dB）。
  • 帯域幅： シミュレーションによる3-dB帯域幅は、両方の周波数帯域で30 THzを超えた。
  • ベンチマーク： 本研究では異なる最適化領域にわたる性能を比較し、より大きなフットプリント（例：8x8 $\mu$m$^2$）を用いることで、性能を維持しながらより近いチャネル間隔（196/202 THz）が可能であることを示した。

• モード分割多重器（MDM）：

  • マルチモード導波路からTE$_{00}$およびTE$_{10}$モードを単一モード出力へとルーティングするように設計された。
  • フットプリントの比較： $8\times8$ $\mu$m$^2$のデバイスは、194.5 THzにおいて-18 dBのクロストークを達成した。より大きな$15\times10$ $\mu$m$^2$のデバイス（800 nm厚膜を使用）は、挿入損失をサブ-1 dBに低減し、CバンドおよびLバンドにわたるクロストークの安定性を大幅に向上させた（小型デバイスの-15 dBに対し、変動はわずか-1 dBであった）。
  • 挿入損失： 単一のMDMデバイスは、平均約-2 dBの挿入損失を示した。

• 逆設計反射鏡およびマイクロレゾネータ：

  • 反射鏡は、散乱側壁との相互作用を減少させるために、マルチモード共振器導波路に対して最適化された。設計領域には$11\times2.8$ $\mu$m$^2$が使用された。
  • 反射率： 反射鏡は3 THzの帯域幅にわたって平均97%以上の反射率を達成し、TE$_{00}$モードファミリーに対して最大98.5%に達した。
  • レゾネータ性能： 導波路を2つのこのような反射鏡で挟み込むことで形成されたファブリ・ペロー共振器は、~190.7 THzにおいて最大ロードファインネス162（Q値は約210,000に相当）を示した。
  • プラットフォーム特性： 同一チップ上に作製されたリングレゾネータ（800 nm厚のSi$_3$N$_4$を使用）は、2,000万を超える固有Q値と、約8 dB/mの伝搬損失を示した。

意義および主張
本論文は、厚膜の高品質な窒化シリコンプラットフォームにおける逆設計フォトニクスの最初の実験的実証を提供すると主張している。本研究は、逆設計が従来の設計手法を超えてフォトニック設計ライブラリを成功裏に拡張できることを示しており、精密に調整された波長分割多重器、モード分割多重器、および高Q値レゾネータを可能にする。

著者らは、厚膜（800 nm）の窒化シリコンプラットフォームが、薄い膜では達成できない高いモード閉じ込めと低損失のバランスを提供するため、コンパクトな非線形および量子フォトニック操作を実現する上で極めて重要であることを強調している。結果は、このプラットフォーム上の逆設計構造が製造誤差に対して堅牢であり、非線形および量子フォトニック回路への統合が容易であることを示唆している。本研究は、これらの進歩が、特に分散エンジニアリングやコンパクトな非線形相互作用を必要とするアプリケーションにおいて、シリコン窒化系におけるスケーラブルで高性能な集積化への道を開くものであると結論付けている。