Inverse-Designed Silicon Nitride Nanophotonics

기술 요약: 역설계된 실리콘 나이트라이드 나노광학

문제 정의
실리콘 나이트라이드(Si$_3$N$_4$) 광학은 넓은 투과 창, 낮은 선형 및 비선형 손실, 높은 모드 가둠 특성 덕분에 집적 회로를 위한 성숙한 플랫폼이 되었습니다. 그러나 전통적인 광학 설계 방식은 직관적이고 매개변수화된 기하학적 구조에 의존하는 경우가 많아 복잡한 소자 기능의 탐색을 제한합니다. 경사 기반 최적화(gradient-based optimization)를 사용하여 원하는 성능을 달나하는 역설계(inverse design)는 실리콘, 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 리튬 나이오베이트 플랫폼에서 성공적으로 입증되었으나, 두꺼운 고품질 실리콘 나이트라이드 플랫폼 상에서의 역설계된 나노광학의 실험적 검증은 여전히 미미한 상태입니다. 더욱이, 실리콘에 비해 낮은 실리콘 나이트라이드의 굴절률 대비 차이는 더 큰 설계 영역을 필요로 하며, 이는 최적화 성능이 풋프린트 크기에 따라 어떻게 확장되는지에 대한 벤치마킹을 요구합니다.

방법론
저자들은 파운드리 호환이 가능한 두꺼운 실리콘 나이트라이드 플랫폼 상에서 광학 구조를 최적화하기 위해 경사 기반 역설계 알고리즘(SPINS 소프트웨어 프레임워크 활용)을 사용했습니다. 두 가지 별도의 제작 공정이 사용되었습니다:

1. 반응성 마그네트론 스퍼터링(Reactive Magnetron Sputtering): 다양한 두께(400 nm, 730 nm, 790 nm)의 소자에 사용되었습니다.
2. 저압 화학 기상 증착법(LPCVD): 균일한 800 nm 두께의 소자에 사용되었습니다.

최적화 과정에는 제조 가능성을 보장하기 위해 최소 피처 크기 80–100 nm 및 중간 정도의 곡률 허용 오차를 포함한 제작 제약 조건이 반영되었습니다. 정확한 시뮬레이션을 위해 40 nm 정사각형 메쉬가 사용되었습니다. 최적화 후, 설계안은 Lumerical을 이용한 전체 3D 유한차분 시간 영역(FDTD) 시뮬레이션으로 검증되었으며, 제작 오류에 취약한 작은 피처들은 수동으로 제거되었습니다.

세 가지 주요 소자 클래스가 설계, 제작 및 특성화되었습니다:

• 파장 분할 다중화기(WDMs): 광대역 입력을 분광적으로 구별되는 채널로 분리하는 3-포트 소자입니다.
• 모드 분할 다중화기(MDMs): 직교하는 공간 모드(TE$_{00}$ 및 TE$_{10}$)를 별도의 도파로로 분리하는 소자입니다.
• 역설계 반사기(Inverse-Designed Reflectors): 높은 반사율과 모드 필터링 능력을 갖춘 파브리-페로(Fabry-Pérot) 마이크로 공진기를 구축하는 데 사용됩니다.

주요 기여 및 결과

• 파장 분할 다중화기 (WDMs):

  • 두 가지 소자가 시연되었습니다: 하나는 194/232 THz에서 작동하며 5$\times$5 $\mu$m$^2$ 풋프린트를 가지고, 다른 하나는 196/202 THz에서 작동하며 8$\times$8 $\mu$m$^2$ 풋프린트를 가집니다.
  • 성능: 두 소자 모두 중심 파장에서 약 -2 dB의 삽입 손실을 나타냈습니다. 크로스토크(Crosstalk) 수준은 -10 dB 미만으로 측정되었습니다(194/232 THz 소자의 경우 C-밴드에서 -7 dB, O-밴드에서 -3 dB; 196/202 THz 소자의 경우 -11 dB).
  • 대역폭: 시뮬레이션된 3-dB 대역폭은 두 주파수 대역 모두에서 30 THz를 초과했습니다.
  • 벤치마킹: 본 연구는 서로 다른 최적화 영역에 따른 성능을 비교하여, 더 큰 풋프린트(예: 8x8 $\mu$m$^2$)가 성능을 유지하면서도 더 좁은 채널 간격(196/202 THz)을 허용함을 입증했습니다.

• 모드 분할 다중화기 (MDMs):

  • 다중 모드 도파로로부터 TE$_{00}$ 및 TE$_{10}$ 모드를 단일 모드 출력으로 라우팅하도록 설계되었습니다.
  • 풋프린트 비교: 8$\times$8 $\mu$m$^2$ 소자는 194.5 THz에서 -18 dB의 크로스토크를 달성했습니다. 더 큰 15$\times$10 $\mu$m$^2$ 소자(800 nm 두께 박막 사용)는 삽입 손실을 sub -1 dB로 줄였고, C- 및 L-밴드 전반에 걸쳐 크로스토크 안정성을 크게 개선했습니다(작은 소자의 -15 dB 대비 변동 폭이 -1 dB에 불과함).
  • 삽입 손실: 단일 MDM 소자는 평균 약 -2 dB의 삽입 손실을 보였습니다.

• 역설계 반사기 및 마이크로 공진기:

  • 반사기는 산란 측벽과의 상호작용을 줄이기 위해 다중 모드 공동 도파로(cavity waveguide)에 최적화되었습니다. $11\times2.8$ $\mu$m$^2$의 설계 영역이 사용되었습니다.
  • 반사율: 반사기는 3 THz 대역폭 동안 평균 97% 이상의 반사율을 달程했으며, TE$_{00}$ 모드 패밀리에 대해 최대 98.5%를 기록했습니다.
  • 공진기 성능: 두 개의 이러한 반사기 사이에 도파로를 배치하여 형성된 파브리-페로 공동은 ~190.7 THz에서 최대 162의 로디드 피네스(loaded finesse, Q-factor ~210,000에 해당)를 보여주었습니다.
  • 플랫폼 특성화: 동일한 칩(800 nm 두께의 Si$_3$N$_4$ 사용)에 제작된 링 공진기는 2,000만 이상의 고유 Q-factor와 약 8 dB/m의 전파 손실을 나타냈습니다.

의의 및 주장
본 논문은 두꺼운 고품질 실리콘 나이트라이드 플랫폼에서 역설계된 광학의 첫 번째 실험적 시연을 제공한다고 주장합니다. 이 연구는 역설계가 전통적인 접근 방식을 넘어 정밀하게 맞춤화된 파장 분할 다중화기, 모드 분할 다중화기 및 고-Q 공진기를 구현함으로써 광학 설계 라이브러리를 성공적으로 확장할 수 있음을 보여줍니다.

저자들은 두꺼운(800 nm) 실리콘 나이트라이드 플랫폼이 얇은 박막이 제공할 수 없는 높은 모드 가둠과 낮은 손실 사이의 균형을 제공하므로, 압축적인 비선형 및 양자 광학 동작을 달성하는 데 결정적이라고 강조합니다. 결과는 역설계된 구조가 제작 오류에 강하며, 비선형 및 양자 광학 회로에 용이하게 통합될 수 있음을 시사합니다. 본 연구는 이러한 발전이 특히 분산 엔지니어링과 압축적인 비선형 상호작용이 필요한 응용 분야에서 실리콘 나이트라이드 기반 시스템의 확장 가능하고 고성능인 집적을 위한 길을 열어준다고 결론짓습니다.