Abstraktní:Vyvinuli jsme vlnovod z lithného tantalátu na bázi izolantu o vlnové délce 1550 nm se ztrátou 0,28 dB/cm a faktorem jakosti prstencového rezonátoru 1,1 milionu. Byla studována aplikace nelinearity χ(3) v nelineární fotonice. Výhody niobátu lithného na izolantu (LNoI), který vykazuje vynikající nelineární vlastnosti χ(2) a χ(3) spolu se silným optickým omezením díky své struktuře „izolátor-na“, vedly k významnému pokroku v technologii vlnovodů pro ultrarychlé modulátory a integrovanou nelineární fotoniku [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 průhlednosti [4, 5], ačkoli jeho optické parametry, jako je index lomu a nelineární koeficienty, jsou podobné parametrům LN [6, 7]. LToI se tak stává dalším silným kandidátem na materiál pro nelineární fotonické aplikace s vysokým optickým výkonem. LToI se navíc stává primárním materiálem pro filtrační zařízení s povrchovou akustickou vlnou (SAW), která jsou použitelná ve vysokorychlostních mobilních a bezdrátových technologiích. V této souvislosti se destičky LToI mohou stát běžnějšími materiály pro fotonické aplikace. Dosud však bylo popsáno pouze několik fotonických zařízení založených na LToI, jako jsou mikrodiskové rezonátory [8] a elektrooptické fázové posunovače [9]. V tomto článku představujeme nízkoztrátový vlnovod LToI a jeho aplikaci v kruhovém rezonátoru. Dále uvádíme nelineární charakteristiky χ(3) vlnovodu LToI.
Klíčové body:
• Nabízíme 4palcové až 6palcové LToI destičky, tenkovrstvé destičky lithium-tantalátu, s tloušťkou vrchní vrstvy od 100 nm do 1500 nm, s využitím domácích technologií a vyspělých procesů.
• SINOI: Tenkovrstvé destičky z nitridu křemíku s ultranízkými ztrátami.
• SICOI: Vysoce čisté poloizolační tenkovrstvé substráty z karbidu křemíku pro fotonické integrované obvody z karbidu křemíku.
• LTOI: Silný konkurent niobátu lithného, tenkovrstvé destičky tantalátu lithného.
• LNOI: 8palcový LNOI podporující hromadnou výrobu větších tenkovrstvých produktů z niobátu lithného.
Výroba na izolačních vlnovodech:V této studii jsme použili 4palcové destičky LToI. Vrchní LT vrstva je komerční LT substrát otočený o 42° s výřezem ve tvaru Y pro SAW zařízení, který je přímo spojen s křemíkovým substrátem 3 µm silnou vrstvou tepelného oxidu s využitím inteligentního řezacího procesu. Obrázek 1(a) ukazuje pohled shora na destičku LToI s tloušťkou vrchní LT vrstvy 200 nm. Drsnost povrchu vrchní LT vrstvy jsme posoudili pomocí mikroskopie atomových sil (AFM).
Obrázek 1.(a) Pohled shora na destičku LToI, (b) AFM snímek povrchu vrchní vrstvy LT, (c) PFM snímek povrchu vrchní vrstvy LT, (d) Schematický průřez vlnovodem LToI, (e) Vypočítaný profil základního TE módu a (f) SEM snímek jádra vlnovodu LToI před nanesením překryvné vrstvy SiO2. Jak je znázorněno na obrázku 1 (b), drsnost povrchu je menší než 1 nm a nebyly pozorovány žádné škrábance. Dále jsme zkoumali stav polarizace vrchní vrstvy LT pomocí piezoelektrické mikroskopie odezvové síly (PFM), jak je znázorněno na obrázku 1 (c). Potvrdili jsme, že rovnoměrná polarizace byla zachována i po procesu lepení.
S použitím tohoto substrátu LToI jsme vyrobili vlnovod následujícím způsobem. Nejprve byla nanesena vrstva kovové masky pro následné suché leptání LT. Poté byla provedena litografie elektronovým paprskem (EB) pro definování vzoru jádra vlnovodu na vrchu vrstvy kovové masky. Následně jsme přenesli vzor EB rezistu na vrstvu kovové masky suchým leptáním. Následně bylo jádro vlnovodu LToI vytvořeno pomocí plazmového leptání elektronovou cyklotronovou rezonancí (ECR). Nakonec byla vrstva kovové masky odstraněna mokrým procesem a krycí vrstva SiO2 byla nanesena pomocí plazmově vylepšené chemické depozice z plynné fáze. Obrázek 1 (d) ukazuje schematický řez vlnovodem LToI. Celková výška jádra, výška destičky a šířka jádra jsou 200 nm, 100 nm a 1000 nm. Všimněte si, že šířka jádra se na okraji vlnovodu pro propojení optických vláken rozšiřuje na 3 µm.
Obrázek 1 (e) zobrazuje vypočítané rozložení optické intenzity základního transverzálního elektrického (TE) módu při 1550 nm. Obrázek 1 (f) ukazuje snímek jádra vlnovodu LToI pořízený rastrovacím elektronovým mikroskopem (SEM) před nanesením krycí vrstvy SiO2.
Charakteristiky vlnovodu:Nejprve jsme vyhodnotili charakteristiky lineárních ztrát vstupem TE-polarizovaného světla ze zdroje spontánní emise zesíleného o vlnové délce 1550 nm do vlnovodů LToI různých délek. Ztráta šíření byla získána ze sklonu vztahu mezi délkou vlnovodu a propustností pro každou vlnovou délku. Naměřené ztráty šířením 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 nízkými ztrátami jako nejmodernější vlnovody LNoI [10].
Dále jsme posoudili nelinearitu χ(3) pomocí konverze vlnové délky generované procesem čtyřvlnného směšování. Do 12 mm dlouhého vlnovodu jsme přivedli světlo s kontinuálním čerpadlem o vlnové délce 1550,0 nm a signální světlo o vlnové délce 1550,6 nm. Jak je znázorněno na obrázku 2 (b), intenzita signálu fázově konjugovaného (idle) světelného vlnění se zvyšovala se zvyšujícím se vstupním výkonem. Vložený obrázek na obrázku 2 (b) ukazuje typické výstupní spektrum čtyřvlnného směšování. Ze vztahu mezi vstupním výkonem 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) Naměřené a Lorentzovým způsobem fitované 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 naznačuje, že se extinkční poměr mění s velikostí mezery. Z těchto spekter jsme zjistili, že mezera 1000 nm poskytuje téměř kritické podmínky vazby, protože vykazuje nejvyšší extinkční poměr -26 dB.
Pomocí kriticky vázaného rezonátoru jsme odhadli činitel kvality (Q faktor) fitováním lineárního přenosového 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 demonstraci kruhového rezonátoru LToI vázaného vlnovodem. Je pozoruhodné, že hodnota Q faktoru, které jsme dosáhli, je výrazně vyšší než u mikrodiskových rezonátorů LToI vázaných vlákny [9].
Závěr:Vyvinuli jsme vlnovod LToI se ztrátou 0,28 dB/cm při 1550 nm a Q faktorem kruhového rezonátoru 1,1 milionu. Dosažený výkon je srovnatelný s nejmodernějšími nízkoztrátovými vlnovody LNoI. Dále jsme zkoumali nelinearitu χ(3) vyrobeného vlnovodu LToI pro nelineární aplikace na čipu.
Čas zveřejnění: 20. listopadu 2024