Резюме:Ние разработихме 1550 nm базиран на изолатор литиев танталат вълновод със загуба от 0,28 dB/cm и качествен фактор на пръстеновидния резонатор от 1,1 милиона. Изследвано е приложението на χ(3) нелинейността в нелинейната фотоника. Предимствата на литиевия ниобат върху изолатор (LNoI), който проявява отлични нелинейни свойства χ(2) и χ(3), заедно със силно оптично ограничение, дължащо се на структурата му "изолатор върху", доведоха до значителен напредък във вълноводната технология за свръхбързи модулатори и интегрирана нелинейна фотоника [1-3]. В допълнение към LN, литиевият танталат (LT) също е изследван като нелинеен фотонен материал. В сравнение с LN, LT има по-висок праг на оптично увреждане и по-широк прозорец на оптична прозрачност [4, 5], въпреки че неговите оптични параметри, като индекс на пречупване и нелинейни коефициенти, са подобни на тези на LN [6, 7]. По този начин LToI се откроява като друг силен кандидат материал за нелинейни фотонни приложения с висока оптична мощност. Освен това LToI се превръща в основен материал за филтърни устройства за повърхностни акустични вълни (SAW), приложими във високоскоростни мобилни и безжични технологии. В този контекст пластините LToI могат да станат по-често срещани материали за фотонни приложения. Към днешна дата обаче са докладвани само няколко фотонни устройства, базирани на LToI, като микродискови резонатори [8] и електрооптични фазови превключватели [9]. В тази статия представяме LToI вълновод с ниски загуби и приложението му в пръстенов резонатор. Освен това предоставяме нелинейните характеристики χ(3) на вълновода LToI.
Ключови точки:
• Предлагане на 4-инчови до 6-инчови пластини LToI, тънкослойни пластини от литиев танталат, с дебелини на горния слой, вариращи от 100 nm до 1500 nm, използвайки местна технология и зрели процеси.
• SINOI: тънкослойни пластини от силициев нитрид с изключително ниски загуби.
• SICOI: Полуизолационни тънкослойни субстрати от силициев карбид с висока чистота за фотонни интегрални схеми от силициев карбид.
• LTOI: Силен конкурент на литиев ниобат, тънкослойни пластини от литиев танталат.
• LNOI: 8-инчов LNOI, поддържащ масовото производство на по-мащабни тънкослойни продукти от литиев ниобат.
Производство на изолаторни вълноводи:В това проучване използвахме 4-инчови пластини LToI. Най-горният LT слой е търговски 42° завъртян Y-срязан LT субстрат за SAW устройства, който е директно свързан към Si субстрат с термичен оксиден слой с дебелина 3 µm, като се използва интелигентен процес на рязане. Фигура 1 (а) показва изглед отгоре на пластината LToI с дебелина на горния LT слой от 200 nm. Ние оценихме повърхностната грапавост на горния LT слой с помощта на атомно-силова микроскопия (AFM).
Фигура 1.(a) Изглед отгоре на пластината LToI, (b) AFM изображение на повърхността на горния LT слой, (c) PFM изображение на повърхността на горния LT слой, (d) Схематично напречно сечение на LToI вълновода, ( e ) Изчислен основен профил на TE режим и ( f ) SEM изображение на сърцевината на вълновода LToI преди отлагането на слой SiO2. Както е показано на фигура 1 (b), грапавостта на повърхността е по-малка от 1 nm и не са наблюдавани линии на надраскване. Освен това, ние изследвахме поляризационното състояние на горния LT слой, използвайки микроскопия с пиезоелектрична реакция (PFM), както е показано на фигура 1 (c). Ние потвърдихме, че равномерната поляризация се поддържа дори след процеса на свързване.
Използвайки този LToI субстрат, ние изработихме вълновода, както следва. Първо се отлага слой метална маска за последващо сухо ецване на LT. След това беше извършена литография с електронен лъч (EB), за да се определи моделът на сърцевината на вълновода върху слоя метална маска. След това прехвърлихме EB резистентния модел върху слоя метална маска чрез сухо ецване. След това сърцевината на вълновода LToI се формира с помощта на плазмено ецване с електронен циклотронен резонанс (ECR). Накрая, слоят метална маска беше отстранен чрез мокър процес и слой SiO2 беше отложен с помощта на плазмено усилено химическо отлагане на пари. Фигура 1 (d) показва схематичното напречно сечение на вълновода LToI. Общата височина на ядрото, височината на плочата и ширината на ядрото са съответно 200 nm, 100 nm и 1000 nm. Обърнете внимание, че ширината на сърцевината се разширява до 3 µm на ръба на вълновода за свързване на оптични влакна.
Фигура 1 (e) показва изчисленото разпределение на оптичния интензитет на основния напречен електрически (TE) режим при 1550 nm. Фигура 1 (f) показва изображение от сканиращ електронен микроскоп (SEM) на сърцевината на вълновода LToI преди отлагането на слоя SiO2.
Характеристики на вълновода:Първо оценихме характеристиките на линейните загуби чрез въвеждане на TE-поляризирана светлина от източник на спонтанни емисии с усилена дължина на вълната 1550 nm във вълноводи LToI с различна дължина. Загубата на разпространение се получава от наклона на връзката между дължината на вълновода и предаването при всяка дължина на вълната. Измерените загуби на разпространение бяха 0,32, 0,28 и 0,26 dB/cm съответно при 1530, 1550 и 1570 nm, както е показано на фигура 2 (a). Изработените вълноводи LToI показаха производителност с ниски загуби, сравнима с най-съвременните вълноводи LNoI [10].
След това оценихме нелинейността на χ (3) чрез преобразуването на дължината на вълната, генерирано от процес на смесване с четири вълни. Вкарваме непрекъсната вълнова помпа на светлина при 1550,0 nm и сигнална светлина при 1550,6 nm във вълновод с дължина 12 mm. Както е показано на Фигура 2 (b), интензитетът на сигнала на светлинната вълна с конюгирана фаза (бездействие) нараства с увеличаване на входната мощност. Вмъкването на фигура 2 (b) показва типичния изходен спектър на четиривълновото смесване. От връзката между входната мощност и ефективността на преобразуване, ние оценихме нелинейния параметър (γ) на приблизително 11 W^-1m.
Фигура 3.( а ) Микроскопско изображение на изработения пръстеновиден резонатор. ( b ) Спектри на предаване на пръстеновидния резонатор с различни параметри на празнината. ( c ) Измерен и монтиран по Лоренциан спектър на предаване на пръстеновидния резонатор с празнина от 1000 nm.
След това изработихме LToI пръстеновиден резонатор и оценихме неговите характеристики. Фигура 3 (а) показва изображението от оптичен микроскоп на изработения пръстеновиден резонатор. Пръстеновият резонатор има конфигурация на "състезателна писта", състояща се от извита област с радиус 100 µm и права област с дължина 100 µm. Ширината на междината между пръстена и сърцевината на вълновода на шината варира на стъпки от 200 nm, по-специално при 800, 1000 и 1200 nm. Фигура 3 (b) показва спектрите на предаване за всяка празнина, което показва, че съотношението на екстинкция се променя с размера на празнината. От тези спектри установихме, че празнината от 1000 nm осигурява почти критични условия на свързване, тъй като показва най-високото съотношение на екстинкция от -26 dB.
Използвайки критично свързания резонатор, ние оценихме качествения фактор (Q фактор) чрез монтиране на линейния спектър на предаване с лоренцианска крива, получаване на вътрешен Q фактор от 1,1 милиона, както е показано на фигура 3 (c). Доколкото ни е известно, това е първата демонстрация на LToI пръстеновиден резонатор, свързан с вълновод. Трябва да се отбележи, че стойността на Q фактора, която постигнахме, е значително по-висока от тази на свързаните с влакна LToI микродискови резонатори [9].
Заключение:Разработихме вълновод LToI със загуба от 0,28 dB/cm при 1550 nm и Q фактор на пръстеновидния резонатор от 1,1 милиона. Получената производителност е сравнима с тази на най-съвременните LNoI вълноводи с ниски загуби. Освен това, ние изследвахме нелинейността χ(3) на произведения LToI вълновод за нелинейни приложения на чип.
Време на публикуване: 20 ноември 2024 г