Neue Plattform integriert THz-Photonik mit planarisierten verlustarmen Polymeren

Integrierte Photonik verwendet umfassend optische On-Chip-Elemente wie Quellen, Splitter, Modulatoren und High-Confinement-Wellenleiter, die in eine planare Plattform eingebettet sind, um optische Signale effizient zu verarbeiten und zu leiten. Es besteht ein wachsendes Interesse an integrierter Mid-IR- und THz-Photonik für Telekommunikation und Sensorik. Im THz-Frequenzbereich ist der THz-Quantenkaskadenlaser ein prominenter Kandidat für die Quellenintegration.

Jüngste Fortschritte beim Hochtemperaturbetrieb dieser Geräte, kombiniert mit ihrer Frequenzagilität und der Möglichkeit, als Frequenzkämme und Hochgeschwindigkeitsdetektoren zu arbeiten, machen sie als entscheidende Bausteine ​​für die THz-Photonik äußerst attraktiv. Einige der früheren Ansätze zur THz-Integration umfassen hybride plasmonische Wellenleiter, monolithisch integrierte THz-Transceiver, gekoppelte Hohlraumbauelemente und seit kurzem auf Silizium integrierte Bauelemente.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Doktorand Urban Senica und Professor Giacomo Scalari von der ETH Zürich eine neuartige integrierte photonische Plattform entwickelt.

In komplexeren photonischen Systemen sind einige entscheidende Merkmale für die Laserintegration die Reduzierung des Stromverbrauchs und die effiziente Kopplung an verlustarme passive Wellenleiter. Die Forscher schlugen eine neue Plattform für integrierte THz-Photonik vor, die eine Signalausbreitung mit passiven Elementen und eine kohärente Quellenintegration für Breitbandsensorik und Telekommunikation ermöglicht.

Sie nutzten das Vorhandensein einer gemeinsamen metallischen Masseebene, die ausgewählt wurde, um die Integration mehrerer aktiver und passiver photonischer THz-Komponenten auf derselben Halbleiterplattform zu demonstrieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine effiziente Signalverarbeitung bei THz- und HF-Frequenzen.

Die Forscher konzentrierten sich auf Breitband- und Frequenzkammgeräte. Sie hoben die verbesserte Leistung in mehreren entscheidenden Leistungskennzahlen hervor, wie z. B. Dispersion, HF und thermische Eigenschaften. Ihr Modell demonstrierte die Co-Integration aktiver und passiver Elemente auf demselben photonischen Chip. Der Grundbaustein ist ein planarisierter Doppelmetall-Hochleistungswellenleiter mit einer erweiterten Top-Metallisierung. Ein ähnlicher Wellenleiter hat sich bereits für THz- und Mikrowellenanwendungen als sehr effizient erwiesen.

Im Zusammenhang mit THz-Frequenzkämmen zeigten die Forscher, dass die Kontrolle über transversale Moden wesentlich ist, um ein regelmäßiges und flaches Kammspektrum zu erhalten, hauptsächlich mit einer Reduzierung der seitlichen Abmessungen der Rippen. Die Breite kann jedoch nicht beliebig klein sein, da die Wellenleiter durch Drahtbonden direkt auf dem oberen metallischen Mantel verbunden werden. Es begrenzt die effektive Rippenbreite inhärent auf die Abmessungen des Bonddrahtfleckens. Es macht Geräte mit Graten von 50 µm oder weniger schwierig zu kontaktieren und störanfällig. Das direkte Bonden auf dem aktiven Bereich kann Defekte einführen, die Wellenleiterverluste erhöhen und unbeabsichtigt bestimmte Moden auswählen, was möglicherweise die Langzeitleistung des Geräts und seine spektralen Eigenschaften beeinträchtigt.

Diese Probleme werden innerhalb der planarisierten Plattform des Teams gelöst. Das Platzieren der Bonddrähte oben auf der erweiterten oberen Metallisierung über dem passiven, BCB-bedeckten Bereich verhindert die Bildung irgendwelcher Defekte oder lokaler Hotspots oben auf dem aktiven Bereich. Es ermöglicht die Herstellung sehr schmaler Wellenleiter weit unterhalb der Bonddrahtgröße.

Die schmale Breite des Wellenleiters kann als effizienter Auswahlmechanismus für den transversalen Grundlasermodus verwendet werden und ist auch vorteilhaft für die Wärmeableitung und den Hochtemperatur-Dauerstrichbetrieb (CW). Darüber hinaus erleichtert der verlängerte Kontakt einen seitlichen Wärmefluss und erleichtert die Wärmeabfuhr wie bei einem Kühlerschema. Dies führt zu einer verbesserten gemessenen maximalen Betriebstemperatur der planarisierten Vorrichtungen.