Abstraktní:Vyvinuli jsme 1550 nm lithiový tantalátový vlnovod na bázi izolátoru se ztrátou 0,28 dB/cm a faktorem kvality prstencového rezonátoru 1,1 milionu. Byla studována aplikace χ(3) nelinearity v nelineární fotonice. Výhody niobátu lithného na izolátoru (LNoI), který vykazuje vynikající χ(2) a χ(3) nelineární vlastnosti spolu se silným optickým omezením díky své struktuře „izolátor-on“, vedly k významnému pokroku v technologii vlnovodů pro ultrarychlé modulátory a integrovaná nelineární fotonika [1-3]. Kromě LN byl jako nelineární fotonický materiál zkoumán také tantalát lithný (LT). Ve srovnání s LN má LT vyšší práh optického poškození a širší okno optické transparentnosti [4, 5], i když jeho optické parametry, jako je index lomu a nelineární koeficienty, jsou podobné jako u LN [6, 7]. LToI tedy vystupuje jako další silný kandidátský materiál pro nelineární fotonické aplikace s vysokým optickým výkonem. Navíc se LToI stává primárním materiálem pro filtrační zařízení pro povrchové akustické vlny (SAW), použitelné ve vysokorychlostních mobilních a bezdrátových technologiích. V tomto kontextu se wafery LToI mohou stát běžnějšími materiály pro fotonické aplikace. K dnešnímu dni však bylo hlášeno pouze několik fotonických zařízení založených na LToI, jako jsou mikrodiskové rezonátory [8] a elektrooptické fázovače [9]. V tomto článku představujeme nízkoztrátový vlnovod LToI a jeho aplikaci v prstencovém rezonátoru. Navíc poskytujeme χ(3) nelineární charakteristiky vlnovodu LToI.
Klíčové body:
• Nabídka 4palcových až 6palcových plátků LToI, tenkovrstvých lithiových tantalátových plátků s tloušťkou vrchní vrstvy v rozmezí od 100 nm do 1500 nm, využívající domácí technologie a vyspělé procesy.
• SINOI: Tenkovrstvé pláty z nitridu křemíku s extrémně nízkou ztrátou.
• SICOI: Vysoce čisté poloizolační tenkovrstvé substráty z karbidu křemíku pro fotonické integrované obvody z karbidu křemíku.
• LTOI: Silný konkurent lithiového niobátu, tenkovrstvých lithiových tantalátových plátků.
• LNOI: 8palcový LNOI podporující hromadnou výrobu tenkovrstvých lithium niobátových produktů ve větším měřítku.
Výroba izolačních vlnovodů:V této studii jsme použili 4palcové destičky LToI. Vrchní LT vrstva je komerční LT substrát otočený o 42° ve tvaru Y pro zařízení SAW, který je přímo spojen se substrátem Si s vrstvou tepelného oxidu o tloušťce 3 µm pomocí inteligentního procesu řezání. Obrázek 1(a) ukazuje pohled shora na plátek LToI s tloušťkou horní vrstvy LT 200 nm. Drsnost povrchu horní LT vrstvy jsme hodnotili pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM).
Obrázek 1(a) Pohled shora na wafer LToI, (b) AFM snímek povrchu horní LT vrstvy, (c) PFM snímek povrchu horní LT vrstvy, (d) Schematický řez vlnovodem LToI, (e) Vypočítaný profil základního módu TE a (f) SEM snímek jádra vlnovodu LToI před depozicí překryvné vrstvy SiO2. Jak je znázorněno na obrázku 1 (b), drsnost povrchu je menší než 1 nm a nebyly pozorovány žádné rýhy. Kromě toho jsme zkoumali stav polarizace horní vrstvy LT pomocí mikroskopie s piezoelektrickou odezvou (PFM), jak je znázorněno na obrázku 1 (c). Potvrdili jsme, že rovnoměrná polarizace byla zachována i po procesu lepení.
Pomocí tohoto substrátu LToI jsme vyrobili vlnovod následovně. Nejprve byla nanesena vrstva kovové masky pro následné suché leptání LT. Poté byla provedena litografie elektronovým paprskem (EB), aby se definoval vzor vlnovodu jádra na horní části vrstvy kovové masky. Dále jsme přenesli vzor EB rezistu na vrstvu kovové masky pomocí suchého leptání. Poté bylo vlnovodné jádro LToI vytvořeno pomocí elektronového cyklotronového rezonančního (ECR) plazmového leptání. Nakonec byla vrstva kovové masky odstraněna mokrým procesem a vrchní vrstva Si02 byla nanesena pomocí plazmou zesíleného chemického nanášení par. Obrázek 1 (d) ukazuje schematický řez vlnovodem LToI. Celková výška jádra, výška desky a šířka jádra jsou 200 nm, 100 nm a 1000 nm. Všimněte si, že šířka jádra se rozšiřuje na 3 µm na okraji vlnovodu pro spojení optických vláken.
Obrázek 1 (e) zobrazuje vypočítanou distribuci optické intenzity základního transverzního elektrického (TE) módu při 1550 nm. Obrázek 1 (f) ukazuje snímek vlnovodu LToI ze skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) před nanesením vrchní vrstvy Si02.
Vlastnosti vlnovodu:Nejprve jsme vyhodnotili lineární ztrátové charakteristiky přivedením TE-polarizovaného světla ze zdroje spontánní emise zesíleného vlnovou délkou 1550 nm do vlnovodů LToI různých délek. Ztráta šířením byla získána ze sklonu vztahu mezi délkou vlnovodu a prostupem při každé vlnové délce. Naměřené ztráty při šíření byly 0,32, 0,28 a 0,26 dB/cm při 1530, 1550 a 1570 nm, jak je znázorněno na obrázku 2 (a). Vyrobené vlnovody LToI vykazovaly srovnatelný výkon s nízkou ztrátou jako nejmodernější vlnovody LNoI [10].
Dále jsme hodnotili χ(3) nelinearitu prostřednictvím konverze vlnové délky generované čtyřvlnným směšovacím procesem. Do vlnovodu o délce 12 mm vložíme světlo pumpy s kontinuální vlnou při 1550,0 nm a signální světlo při 1550,6 nm. Jak je znázorněno na obrázku 2 (b), intenzita signálu světelné vlny fázově konjugovaného (idler) rostla se zvyšujícím se vstupním výkonem. Vložka na obrázku 2 (b) ukazuje typické výstupní spektrum čtyřvlnného směšování. Ze vztahu mezi příkonem a účinností konverze jsme odhadli nelineární parametr (γ) na přibližně 11 W^-1m.
Obrázek 3(a) Mikroskopický snímek vyrobeného prstencového rezonátoru. (b) Transmisní spektra prstencového rezonátoru s různými parametry mezery. (c) Změřené a Lorentzianově přizpůsobené transmisní spektrum prstencového rezonátoru s mezerou 1000 nm.
Dále jsme vyrobili prstencový rezonátor LToI a vyhodnotili jeho vlastnosti. Obrázek 3 (a) ukazuje snímek vyrobeného prstencového rezonátoru z optického mikroskopu. Prstencový rezonátor má konfiguraci "závodní dráhy", která se skládá ze zakřivené oblasti s poloměrem 100 µm a přímé oblasti o délce 100 µm. Šířka mezery mezi prstencem a jádrem vlnovodu sběrnice se mění v krocích po 200 nm, konkrétně při 800, 1000 a 1200 nm. Obrázek 3 (b) zobrazuje transmisní spektra pro každou mezeru, což ukazuje, že extinkční poměr se mění s velikostí mezery. Z těchto spekter jsme určili, že mezera 1000 nm poskytuje téměř kritické vazebné podmínky, protože vykazuje nejvyšší extinkční poměr -26 dB.
Pomocí kriticky vázaného rezonátoru jsme odhadli faktor kvality (faktor Q) proložením lineárního transmisního spektra Lorentzovou křivkou, čímž jsme získali vnitřní Q faktor 1,1 milionu, jak je znázorněno na obrázku 3 (c). Pokud je nám známo, jedná se o první ukázku prstencového rezonátoru LToI spojeného s vlnovodem. Je pozoruhodné, že hodnota Q faktoru, které jsme dosáhli, je výrazně vyšší než u vláknem spřažených mikrodiskových rezonátorů LToI [9].
Závěr:Vyvinuli jsme vlnovod LToI se ztrátou 0,28 dB/cm při 1550 nm a Q faktorem prstencového rezonátoru 1,1 milionu. Získaný výkon je srovnatelný s výkonem nejmodernějších nízkoztrátových vlnovodů LNoI. Dále jsme zkoumali χ(3) nelinearitu vyrobeného vlnovodu LToI pro nelineární aplikace na čipu.
Čas odeslání: 20. listopadu 2024