Abstrakt:Vyvinuli sme 1550 nm lítium tantalátový vlnovod na báze izolátora so stratou 0,28 dB/cm a faktorom kvality prstencového rezonátora 1,1 milióna. Bola študovaná aplikácia χ(3) nelinearity v nelineárnej fotonike. Výhody niobátu lítneho na izolátore (LNoI), ktorý vykazuje vynikajúce χ(2) a χ(3) nelineárne vlastnosti spolu so silným optickým obmedzením vďaka svojej štruktúre „izolátor-on“, viedli k významnému pokroku v technológii vlnovodov pre ultrarýchle modulátory a integrovaná nelineárna fotonika [1-3]. Okrem LN bol ako nelineárny fotonický materiál skúmaný aj tantalát lítny (LT). V porovnaní s LN má LT vyšší prah optického poškodenia a širšie okno optickej transparentnosti [4, 5], hoci jeho optické parametre, ako je index lomu a nelineárne koeficienty, sú podobné ako pri LN [6, 7]. LToI teda vyniká ako ďalší silný kandidátsky materiál pre nelineárne fotonické aplikácie s vysokým optickým výkonom. Okrem toho sa LToI stáva primárnym materiálom pre filtračné zariadenia povrchových akustických vĺn (SAW), použiteľné vo vysokorýchlostných mobilných a bezdrôtových technológiách. V tomto kontexte sa doštičky LToI môžu stať bežnejšími materiálmi pre fotonické aplikácie. K dnešnému dňu však bolo hlásených len niekoľko fotonických zariadení založených na LToI, ako sú mikrodiskové rezonátory [8] a elektrooptické fázové posunovače [9]. V tomto článku prezentujeme nízkostratový vlnovod LToI a jeho aplikáciu v prstencovom rezonátore. Okrem toho poskytujeme χ(3) nelineárne charakteristiky vlnovodu LToI.
Kľúčové body:
• Ponúka 4- až 6-palcové LToI doštičky, tenkovrstvové lítium tantalátové doštičky s hrúbkou vrchnej vrstvy od 100 nm do 1500 nm, využívajúc domácu technológiu a vyspelé procesy.
• SINOI: Tenkovrstvové doštičky z nitridu kremíka s ultranízkou stratou.
• SICOI: Vysoko čisté poloizolačné tenkovrstvové substráty z karbidu kremíka pre fotonické integrované obvody z karbidu kremíka.
• LTOI: Silný konkurent niobátu lítneho, tenkovrstvových plátkov tantalátu lítneho.
• LNOI: 8-palcový LNOI podporujúci masovú výrobu tenkovrstvových produktov z niobátu lítneho vo veľkom meradle.
Výroba izolačných vlnovodov:V tejto štúdii sme použili 4-palcové doštičky LToI. Vrchná vrstva LT je komerčný LT substrát otočený o 42° v tvare Y pre zariadenia SAW, ktorý je priamo spojený so substrátom Si s vrstvou tepelného oxidu s hrúbkou 3 µm, pričom sa využíva proces inteligentného rezania. Obrázok 1(a) zobrazuje pohľad zhora na plátok LToI s hrúbkou hornej vrstvy LT 200 nm. Drsnosť povrchu vrchnej LT vrstvy sme hodnotili pomocou mikroskopie atómovej sily (AFM).
Obrázok 1(a) Pohľad zhora na plátok LToI, (b) AFM snímka povrchu hornej vrstvy LT, (c) snímka PFM povrchu hornej vrstvy LT, (d) Schematický prierez vlnovodu LToI, (e) Vypočítaný základný profil režimu TE a (f) SEM obraz jadra vlnovodu LToI pred nanesením vrstvy Si02. Ako je znázornené na obrázku 1 (b), drsnosť povrchu je menšia ako 1 nm a neboli pozorované žiadne ryhy. Okrem toho sme skúmali stav polarizácie hornej vrstvy LT pomocou mikroskopie s piezoelektrickou odozvou (PFM), ako je znázornené na obrázku 1 (c). Potvrdili sme, že rovnomerná polarizácia bola zachovaná aj po procese spájania.
Pomocou tohto substrátu LToI sme vyrobili vlnovod nasledovne. Najprv sa naniesla vrstva kovovej masky na následné suché leptanie LT. Potom sa uskutočnila litografia elektrónovým lúčom (EB), aby sa definoval vzor jadra vlnovodu na vrchu vrstvy kovovej masky. Ďalej sme preniesli vzor rezistu EB na vrstvu kovovej masky suchým leptaním. Potom sa vlnovodné jadro LToI vytvorilo pomocou plazmového leptania elektrónovou cyklotrónovou rezonanciou (ECR). Nakoniec sa vrstva kovovej masky odstránila mokrým procesom a vrchná vrstva Si02 sa naniesla pomocou plazmou posilneného chemického nanášania pár. Obrázok 1 (d) ukazuje schematický prierez vlnovodu LToI. Celková výška jadra, výška platne a šírka jadra sú 200 nm, 100 nm a 1000 nm. Všimnite si, že šírka jadra sa rozširuje na 3 µm na okraji vlnovodu pre spojenie optických vlákien.
Obrázok 1 (e) zobrazuje vypočítanú distribúciu optickej intenzity základného transverzálneho elektrického (TE) módu pri 1550 nm. Obrázok 1 (f) zobrazuje obraz vlnovodu LToI zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) pred nanesením vrchnej vrstvy Si02.
Charakteristika vlnovodu:Najprv sme vyhodnotili charakteristiky lineárnych strát vložením TE-polarizovaného svetla zo zdroja spontánnej emisie so zosilnenou vlnovou dĺžkou 1550 nm do vlnovodov LToI rôznych dĺžok. Strata šírenia sa získala zo sklonu vzťahu medzi dĺžkou vlnovodu a priepustnosťou pri každej vlnovej dĺžke. Namerané straty pri šírení boli 0,32, 0,28 a 0,26 dB/cm pri 1530, 1550 a 1570 nm, ako je znázornené na obrázku 2 (a). Vyrobené vlnovody LToI vykazovali porovnateľný výkon s nízkou stratou ako najmodernejšie vlnovody LNoI [10].
Ďalej sme hodnotili nelinearitu χ (3) prostredníctvom konverzie vlnovej dĺžky generovanej procesom miešania so štyrmi vlnami. Do 12 mm dlhého vlnovodu vložíme svetlo pumpy s kontinuálnou vlnou pri 1550,0 nm a signálne svetlo pri 1550,6 nm. Ako je znázornené na obrázku 2 (b), intenzita signálu svetelných vĺn fázovo konjugovaného (volnobežného) sa zvyšovala so zvyšujúcim sa príkonom. Vložka na obrázku 2 (b) ukazuje typické výstupné spektrum štvorvlnového miešania. Zo vzťahu medzi príkonom a účinnosťou konverzie sme odhadli nelineárny parameter (γ) na približne 11 W^-1m.
Obrázok 3.(a) Mikroskopický obraz vyrobeného prstencového rezonátora. (b) Prenosové spektrá prstencového rezonátora s rôznymi parametrami medzery. (c) Namerané a Lorentzianovo prispôsobené transmisné spektrum prstencového rezonátora s medzerou 1000 nm.
Ďalej sme vyrobili prstencový rezonátor LToI a vyhodnotili jeho vlastnosti. Obrázok 3 (a) zobrazuje obraz vyrobeného prstencového rezonátora z optického mikroskopu. Prstencový rezonátor má konfiguráciu "racetrack" pozostávajúcu zo zakrivenej oblasti s polomerom 100 µm a rovnej oblasti s dĺžkou 100 µm. Šírka medzery medzi prstencom a jadrom vlnovodu zbernice sa mení v prírastkoch 200 nm, konkrétne pri 800, 1000 a 1200 nm. Obrázok 3 (b) zobrazuje transmisné spektrá pre každú medzeru, čo naznačuje, že extinkčný pomer sa mení s veľkosťou medzery. Z týchto spektier sme zistili, že medzera 1 000 nm poskytuje takmer kritické podmienky spojenia, pretože vykazuje najvyšší extinkčný pomer -26 dB.
Pomocou kriticky spojeného rezonátora sme odhadli faktor kvality (faktor Q) prispôsobením lineárneho prenosového spektra Lorentzovej krivke, čím sme získali vnútorný faktor Q 1,1 milióna, ako je znázornené na obrázku 3 (c). Pokiaľ je nám známe, toto je prvá demonštrácia prstencového rezonátora LToI spojeného s vlnovodom. Je pozoruhodné, že hodnota faktora Q, ktorú sme dosiahli, je výrazne vyššia ako hodnota mikrodiskových rezonátorov LToI spojených vláknami [9].
Záver:Vyvinuli sme vlnovod LToI so stratou 0,28 dB/cm pri 1550 nm a Q faktorom prstencového rezonátora 1,1 milióna. Získaný výkon je porovnateľný s výkonom najmodernejších nízkostratových vlnovodov LNoI. Okrem toho sme skúmali χ (3) nelinearitu vyrobeného vlnovodu LToI pre nelineárne aplikácie na čipe.
Čas odoslania: 20. novembra 2024