Резюме:Разработихме вълновод от литиев танталат на базата на изолатор с дължина на вълната 1550 nm, със загуба от 0,28 dB/cm и коефициент на качество на пръстеновидния резонатор от 1,1 милиона. Изследвано е приложението на χ(3) нелинейност в нелинейната фотоника. Предимствата на литиевия ниобат върху изолатора (LNoI), който показва отлични χ(2) и χ(3) нелинейни свойства, заедно със силно оптично ограничение поради структурата си "изолатор-върху", доведоха до значителен напредък в технологията на вълноводите за ултрабързи 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 оптичните му параметри, като коефициент 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 приложения с нелинейна фотоника с висока оптична мощност. Освен това, LToI се превръща в основен материал за филтриращи устройства с повърхностни акустични вълни (SAW), приложими във високоскоростни мобилни и безжични технологии. В този контекст, LToI пластините могат да станат по-често срещани материали за фотонни приложения. Към днешна дата обаче са докладвани само няколко фотонни устройства, базирани на LToI, като например микродискови резонатори [8] и електрооптични фазови превключватели [9]. В тази статия представяме LToI вълновод с ниски загуби и неговото приложение в пръстеновиден резонатор. Освен това предоставяме нелинейните характеристики χ(3) на LToI вълновода.
Ключови моменти:
• Предлагаме LToI пластини с размер от 4 до 6 инча, тънкослойни литиево-танталатни пластини, с дебелина на горния слой от 100 nm до 1500 nm, използвайки местни технологии и утвърдени процеси.
• SINOI: Тънкослойни пластини от силициев нитрид с ултраниски загуби.
• SICOI: Високочисти полуизолиращи тънкослойни силициево-карбидни подложки за силициево-карбидни фотонни интегрални схеми.
• LTOI: Силен конкурент на литиево-ниобатните пластини, тънкослойни литиево-танталатни.
• LNOI: 8-инчов LNOI, поддържащ масовото производство на по-големи тънкослойни литиево-ниобатни продукти.
Производство върху изолаторни вълноводи:В това проучване използвахме 4-инчови LToI пластини. Горният LT слой е търговски завъртян на 42° Y-образен LT субстрат за SAW устройства, който е директно свързан към Si субстрат с 3 µm дебел термичен оксиден слой, използвайки интелигентен процес на рязане. Фигура 1(a) показва изглед отгоре на LToI пластината с дебелина на горния LT слой от 200 nm. Оценихме грапавостта на повърхността на горния LT слой, използвайки атомно-силова микроскопия (АСМ).
Фигура 1.(a) Изглед отгоре на LToI пластината, (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 профил на основния TE мод и (f) SEM изображение на ядрото на LToI вълновода преди отлагане на SiO2 покривен слой. 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, изследвахме състоянието на поляризация на горния LT слой, използвайки пиезоелектрична микроскопия със сила на отговор (PFM), както е показано на Фигура 1 (c). Потвърдихме, че равномерната поляризация се поддържа дори след процеса на свързване.
Използвайки този LToI субстрат, изработихме вълновода както следва. Първо, беше отложен метален масков слой за последващо сухо ецване на LT. След това беше извършена електроннолъчева (EB) литография, за да се дефинира шаблонът на сърцевината на вълновода върху металния масков слой. След това прехвърлихме шаблона на EB резиста върху металния масков слой чрез сухо ецване. След това сърцевината на LToI вълновода беше оформена чрез плазмено ецване с електронен циклотронен резонанс (ECR). Накрая, металният масков слой беше отстранен чрез мокър процес и беше отложен SiO2 покривен слой чрез плазмено-усилено химическо отлагане от пари. Фигура 1 (d) показва схематично напречно сечение на LToI вълновода. Общата височина на сърцевината, височината на плочата и ширината на сърцевината 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 (д) показва изчисленото разпределение на оптичния интензитет на основния напречен електрически (TE) мод при 1550 nm. Фигура 1 (е) показва изображение от сканиращ електронен микроскоп (SEM) на сърцевината на вълновода LToI преди отлагането на покривния слой SiO2.
Характеристики на вълновода:Първоначално оценихме характеристиките на линейните загуби, като въведохме TE-поляризирана светлина от източник на спонтанно излъчване с усилване с дължина на вълната 1550 nm в LToI вълноводи с различна дължина. Загубите от разпространение бяха получени от наклона на зависимостта между дължината на вълновода и пропускането при всяка дължина на вълната. Измерените загуби от разпространение бяха 0,32, 0,28 и 0,26 dB/cm съответно при 1530, 1550 и 1570 nm, както е показано на Фигура 2 (а). Изработените LToI вълноводи показаха сравними ниски загуби с тези на най-съвременните LNoI вълноводи [10].
След това оценихме нелинейността на χ(3) чрез преобразуване на дължината на вълната, генерирано от процес на четиривълново смесване. Въведохме непрекъсната помпена светлина при 1550.0 nm и сигнална светлина при 1550.6 nm в 12 mm дълъг вълновод. Както е показано на Фигура 2 (b), интензитетът на фазово-конюгирания (празен) светлинен вълнов сигнал се увеличава с увеличаване на входната мощност. Вложката на Фигура 2 (b) показва типичния изходен спектър на четиривълновото смесване. От връзката между входната мощност и ефективността на преобразуване, оценихме нелинейния параметър (γ) на приблизително 11 W^-1m.
Фигура 3.(a) Микроскопско изображение на изработения пръстеновиден резонатор. (b) Спектри на предаване на пръстеновидния резонатор с различни параметри на междината. (c) Измерен и напаснат по Лоренцов метод спектър на предаване на пръстеновидния резонатор с междина от 1000 nm.
След това изработихме LToI пръстеновиден резонатор и оценихме неговите характеристики. Фигура 3 (а) показва изображение от оптичен микроскоп на изработения пръстеновиден резонатор. Пръстеновидният резонатор има конфигурация „състезателна писта“, състояща се от извита област с радиус 100 µm и права област с дължина 100 µm. Ширината на пролуката между пръстена и сърцевината на шинния вълновод варира на стъпки от 200 nm, по-специално при 800, 1000 и 1200 nm. Фигура 3 (б) показва спектрите на пропускане за всяка пролука, което показва, че коефициентът на екстинкция се променя с размера на пролуката. От тези спектри определихме, че пролуката от 1000 nm осигурява почти критични условия на свързване, тъй като показва най-висок коефициент на екстинкция от -26 dB.
Използвайки критично свързания резонатор, оценихме коефициента на качество (Q-фактор) чрез напасване на линейния спектър на предаване с крива на Лоренц, получавайки 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. Забележително е, че стойността на Q-фактора, която постигнахме, е значително по-висока от тази на свързаните с влакна LToI микродискови резонатори [9].
Заключение:Разработихме LToI вълновод със загуба от 0,28 dB/cm при 1550 nm и Q-фактор на пръстеновидния резонатор от 1,1 милиона. Получените характеристики са сравними с тези на най-съвременните LNoI вълноводи с ниски загуби. Освен това, изследвахме χ(3) нелинейността на произведения LToI вълновод за нелинейни приложения на чип.
Време на публикуване: 20 ноември 2024 г.