論文の概要: Ultra-Low-Loss Silicon Nitride on Sapphire for Broad-Transparency Nonlinear and Quantum Photonics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.27335v1
- Date: Thu, 27 Aug 2026 16:36:33 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-08-28 16:30:58.492724
- Title: Ultra-Low-Loss Silicon Nitride on Sapphire for Broad-Transparency Nonlinear and Quantum Photonics
- Title（参考訳）: 広帯域非線形および量子フォトニクスのためのサファイア上の超低損失窒化ケイ素
- Abstract要約: 本研究では,500nm厚Si$_3$N$_4$-on-sapphireプラットフォーム上に超低損失フォトニック集積回路を作製する堅牢な手法を提案する。
このプロセスは、4.5106$以上の固有の品質因子を持つ高Qマイクロリングと、非線形ゲインをサポートする結合型フォトニック分子である。
Si$_3$N$_4$-on-sapphireプラットフォーム上でのKerr-combとソリトン生成の最初のデモ。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.02997526807451
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The field of photonic integrated circuits (PIC) has flourished in the past two decades, fueling numerous cutting-edge applications across sensing, networking, data interconnect, and quantum information processing. As a guiding material for PIC, Si$_3$N$_4$ has seen extensive use for its ultra-low loss, broad transparency, and diversity in implementation across both thin and thick films. Although the standard, traditional silicon dioxide (SiO$_2$) on silicon (Si) substrates that underpin the majority of Si$_3$N$_4$ photonics face drawbacks in the form of long-wavelength transparency limited by SiO$_2$, high-stress deposition for anomalous dispersion thick-film Si$_3$N$_4$, and leakage loss to the Si layer for low-confinement thin-film Si$_3$N$_4$. Featuring increased long-wavelength transparency into the mid-infrared, low-stress deposition of Si$_3$N$_4$, and a low index, this work investigates sapphire substrates as alternate hosts for Si$_3$N$_4$ photonics with greater spectral coverage and reduced fabrication complexity. This work presents a robust method of fabricating ultra-low loss photonic integrated circuits on a 500-nm-thick Si$_3$N$_4$-on-sapphire platform, exhibiting record-low losses below $0.1 \rm \;dB/cm$. Implemented using this process are high-Q microrings with intrinsic quality factors in excess of $4.5\times10^6$ and coupled-ring photonic molecules to support nonlinear gain. Leveraging the achievable low loss and high-Q, this work further reports the first demonstration of Kerr-comb and soliton generation on the Si$_3$N$_4$-on-sapphire platform. These advances in loss, quality factor, and soliton generation on this versatile, broad-transparency platform pave the way for future work in spectroscopy and quantum-enhanced sensing across previously prohibited spectral regions for Si$_3$N$_4$ photonics with reduced fabrication complexity.
- Abstract（参考訳）: フォトニック集積回路(PIC)の分野は過去20年間に発展し、センサ、ネットワーク、データ相互接続、量子情報処理など、数多くの最先端の応用を推進してきた。
PICの導電材料として、Si$_3$N$_4$は、極低損失、広い透明性、薄膜と厚膜の両方における実装の多様性に広く利用されている。
シリコン(Si)基板上の従来の二酸化ケイ素(SiO$_2$)は,Si$_3$N$_4$フォトニクスの長波長透過性,Si$_3$N$_4$の高応力堆積,Si$_3$N$_4$の低密度薄膜Si$_3$N$_4$のSi層へのリーク損失などの欠点を生じさせる。
本研究は,Si$_3$N$_4$の長波長透明化,Si$_3$N$_4$の低応力蒸着,低指数化を実現し,サファイア基板をSi$_3$N$_4$フォトニクスの代替ホストとして研究し,スペクトルカバレッジの向上と製造複雑性の低減を図る。
本研究は,500nm厚Si$_3$N$_4$-on-sapphireプラットフォーム上に超低損失フォトニック集積回路を作製し,0.1ドル以下で記録的な損失を示した。
このプロセスを用いて実装された高Qマイクロリングは、非線形ゲインをサポートするために4.5\times10^6$以上の固有品質因子を持つ高Qマイクロリングである。
達成可能な低損失と高Qを利用して、Si$_3$N$_4$-on-sapphire プラットフォーム上での Kerr-comb と soliton 生成の最初の実演を報告する。
これらの損失、品質係数、ソリトン生成の進歩は、この多用途で幅広い透過性を持つプラットフォームにおいて、これまで禁止されていたSi$_3$N$_4$フォトニクスのスペクトル領域における分光および量子強調センシングにおける将来の研究の道を開く。
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