Abstrakt:Vyvinuli sme vlnovod z lítium-tantalátu na báze izolátora s vlnovou dĺžkou 1550 nm, stratou 0,28 dB/cm a faktorom kvality kruhového rezonátora 1,1 milióna. Bola študovaná aplikácia nelinearity χ(3) v nelineárnej fotonike. Výhody niobátu lítia na izolátore (LNoI), ktorý vykazuje vynikajúce nelineárne vlastnosti χ(2) a χ(3) spolu so silným optickým obmedzením vďaka svojej štruktúre „izolátor-na“, viedli k významnému pokroku v technológii vlnovodov pre ultrarýchle modulátory a integrovanú nelineárnu fotoniku [1-3]. Okrem LN bol ako nelineárny fotonický materiál skúmaný aj lítium-tantalát (LT). V porovnaní s LN má LT vyšší prah optického poškodenia a širšie okno optickej priehľadnosti [4, 5], hoci jeho optické parametre, ako je index lomu a nelineárne koeficienty, sú podobné parametrom LN [6, 7]. LToI sa teda stáva ďalším silným kandidátskym materiálom pre nelineárne fotonické aplikácie s vysokým optickým výkonom. Okrem toho sa LToI stáva primárnym materiálom pre filtre s povrchovou akustickou vlnou (SAW), ktoré sú použiteľné vo vysokorýchlostných mobilných a bezdrôtových technológiách. V tejto súvislosti sa LToI doštičky môžu stať bežnejšími materiálmi pre fotonické aplikácie. Doteraz však bolo publikovaných len niekoľko fotonických zariadení založených na LToI, ako sú mikrodiskové rezonátory [8] a elektrooptické fázové posúvače [9]. V tomto článku predstavujeme nízkostratový vlnovod LToI a jeho aplikáciu v kruhovom rezonátore. Okrem toho uvádzame nelineárne charakteristiky χ(3) vlnovodu LToI.
Kľúčové body:
• Ponúkame 4-palcové až 6-palcové LToI doštičky, tenkovrstvové doštičky z lítium-tantalátu s hrúbkou vrchnej vrstvy od 100 nm do 1500 nm, s využitím domácej technológie a vyspelých procesov.
• SINOI: Tenkovrstvové doštičky z nitridu kremíka s ultranízkymi stratami.
• SICOI: Vysoko čisté poloizolačné tenkovrstvové substráty z karbidu kremíka pre fotonické integrované obvody z karbidu kremíka.
• LTOI: Silný konkurent niobátu lítia, tenkovrstvové doštičky tantalátu lítia.
• LNOI: 8-palcový LNOI podporujúci hromadnú výrobu rozsiahlejších tenkovrstvových produktov z niobátu lítia.
Výroba na izolačných vlnovodoch:V tejto štúdii sme použili 4-palcové doštičky LToI. Vrchná LT vrstva je komerčný 42° otočený Y-rezaný LT substrát pre SAW zariadenia, ktorý je priamo spojený s Si substrátom s 3 µm hrubou vrstvou tepelného oxidu pomocou inteligentného procesu rezania. Obrázok 1(a) zobrazuje pohľad zhora na doštičku LToI s hrúbkou vrchnej LT vrstvy 200 nm. Drsnosť povrchu vrchnej LT vrstvy sme posúdili pomocou atómovej silovej mikroskopie (AFM).
Obrázok 1.(a) Pohľad zhora na doštičku LToI, (b) AFM snímka povrchu vrchnej vrstvy LT, (c) PFM snímka povrchu vrchnej vrstvy LT, (d) Schematický prierez vlnovodu LToI, (e) Vypočítaný profil základného TE módu a (f) SEM snímka jadra vlnovodu LToI pred nanesením vrchnej vrstvy SiO2. Ako je znázornené na obrázku 1 (b), drsnosť povrchu je menšia ako 1 nm a neboli pozorované žiadne škrabance. Okrem toho sme skúmali stav polarizácie vrchnej vrstvy LT pomocou piezoelektrickej mikroskopie odozvovej sily (PFM), ako je znázornené na obrázku 1 (c). Potvrdili sme, že rovnomerná polarizácia sa zachovala aj po procese spájania.
Pomocou tohto substrátu LToI sme vyrobili vlnovod nasledovne. Najprv bola nanesená vrstva kovovej masky pre následné suché leptanie LT. Potom bola vykonaná litografia elektrónovým lúčom (EB) na definovanie vzoru jadra vlnovodu na vrchu vrstvy kovovej masky. Následne sme preniesli vzor EB rezistu na vrstvu kovovej masky pomocou suchého leptania. Následne bolo jadro vlnovodu LToI vytvorené pomocou plazmového leptania elektrónovou cyklotrónovou rezonanciou (ECR). Nakoniec bola vrstva kovovej masky odstránená mokrým procesom a vrchná vrstva SiO2 bola nanesená pomocou plazmou vylepšeného chemického nanášania z pár. Obrázok 1 (d) znázorňuje schematický prierez vlnovodu LToI. Celková výška jadra, výška dosky a šírka jadra sú 200 nm, 100 nm a 1000 nm. Všimnite si, že šírka jadra sa na okraji vlnovodu rozširuje na 3 µm pre prepojenie optických vlákien.
Obrázok 1 (e) zobrazuje vypočítané rozloženie optickej intenzity základného transverzálneho elektrického (TE) módu pri 1550 nm. Obrázok 1 (f) zobrazuje snímku jadra vlnovodu LToI zhotovenú skenovacím elektrónovým mikroskopom (SEM) pred nanesením prekryvnej vrstvy SiO2.
Charakteristiky vlnovodu:Najprv sme vyhodnotili charakteristiky lineárnych strát vstupom TE-polarizovaného svetla zo zdroja spontánnej emisie so zosilnenou vlnovou dĺžkou 1550 nm do vlnovodov LToI rôznych dĺžok. Strata šírenia bola získaná zo sklonu vzťahu medzi dĺžkou vlnovodu a prenosom pri každej vlnovej dĺžke. Namerané straty šírenia 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 nízkymi stratami ako najmodernejšie vlnovody LNoI [10].
Ďalej sme posúdili nelinearitu χ(3) prostredníctvom konverzie vlnovej dĺžky generovanej procesom štvorvlnného miešania. Do 12 mm dlhého vlnovodu sme priviedli kontinuálne čerpacie svetlo s vlnovou dĺžkou 1550,0 nm a signálne svetlo s vlnovou dĺžkou 1550,6 nm. Ako je znázornené na obrázku 2 (b), intenzita signálu fázovo konjugovanej (kľudovej) svetelnej vlny sa zvyšovala so zvyšujúcim sa vstupným výkonom. Vložka na obrázku 2 (b) zobrazuje typické výstupné spektrum štvorvlnného miešania. Na základe vzťahu medzi vstupným výkonom a účinnosťou konverzie sme odhadli nelineárny parameter (γ) na približne 11 W^-1m.
Obrázok 3.(a) Mikroskopický obrázok vyrobeného prstencového rezonátora. (b) Transmisné spektrá prstencového rezonátora s rôznymi parametrami medzery. (c) Namerané a Lorentzovým spôsobom fitované transmisné spektrum prstencového rezonátora s medzerou 1000 nm.
Následne sme vyrobili prstencový rezonátor LToI a vyhodnotili jeho charakteristiky. Obrázok 3 (a) zobrazuje snímku vyrobeného prstencového rezonátora z optického mikroskopu. Prstencový rezonátor má konfiguráciu „pretekárskej dráhy“, ktorá pozostáva 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 krokoch po 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 1000 nm poskytuje takmer kritické podmienky väzby, pretože vykazuje najvyšší extinkčný pomer -26 dB.
Pomocou kriticky viazaného rezonátora sme odhadli faktor kvality (Q faktor) fitovaním lineárneho prenosového spektra Lorentzovou krivkou, čím sme získali vnútorný Q faktor 1,1 milióna, ako je znázornené na obrázku 3 (c). Podľa našich vedomostí ide o prvú demonštráciu kruhového rezonátora LToI viazaného vlnovodom. Je pozoruhodné, že hodnota Q faktora, ktorú sme dosiahli, je výrazne vyššia ako u mikrodiskových rezonátorov LToI viazaných vláknami [9].
Záver:Vyvinuli sme vlnovod LToI so stratou 0,28 dB/cm pri 1550 nm a Q faktorom kruhového rezonátora 1,1 milióna. Dosiahnutý výkon je porovnateľný s výkonom najmodernejších nízkostratových vlnovodov LNoI. Okrem toho sme skúmali nelinearitu χ(3) vyrobeného vlnovodu LToI pre nelineárne aplikácie na čipe.
Čas uverejnenia: 20. novembra 2024