Sažetak:Razvili smo valovod od 1550 nm na bazi litij tantalata s gubitkom od 0,28 dB/cm i faktorom kvalitete prstenastog rezonatora od 1,1 milijun. Proučavana je primjena χ(3) nelinearnosti u nelinearnoj fotonici. Prednosti litijeva niobata na izolatoru (LNoI), koji pokazuje izvrsna χ(2) i χ(3) nelinearna svojstva zajedno s jakim optičkim ograničenjem zbog svoje strukture "na izolatoru", dovele su do značajnog napretka u tehnologiji valovoda za ultrabrze modulatori i integrirana nelinearna fotonika [1-3]. Osim LN, litij tantalat (LT) također je istraživan kao nelinearni fotonski materijal. U usporedbi s LN, LT ima viši prag optičkog oštećenja i širi prozor optičke prozirnosti [4, 5], iako su njegovi optički parametri, poput indeksa loma i nelinearnih koeficijenata, slični onima kod LN [6, 7]. Stoga se LToI ističe kao još jedan snažan kandidat za nelinearne fotonske primjene velike optičke snage. Štoviše, LToI postaje primarni materijal za uređaje za filtriranje površinskih akustičnih valova (SAW), primjenjive u mobilnim i bežičnim tehnologijama velike brzine. U tom kontekstu, LToI ploče mogu postati uobičajeniji materijali za fotonske primjene. Međutim, do danas je objavljeno samo nekoliko fotoničkih uređaja koji se temelje na LToI, kao što su mikrodisk rezonatori [8] i elektrooptički fazni mjenjači [9]. U ovom radu predstavljamo LToI valovod s malim gubicima i njegovu primjenu u prstenastom rezonatoru. Dodatno, pružamo χ(3) nelinearne karakteristike LToI valovoda.
Ključne točke:
• Ponuda LToI pločica od 4 inča do 6 inča, pločica od tankog filma litij tantalata, s debljinom gornjeg sloja u rasponu od 100 nm do 1500 nm, koristeći domaću tehnologiju i zrele procese.
• SINOI: tankoslojne ploče od silicij nitrida s ultra niskim gubicima.
• SICOI: Poluizolacijski tankoslojni supstrati od silicij-karbida visoke čistoće za fotonske integrirane krugove od silicij-karbida.
• LTOI: Snažan konkurent litij niobatu, tankoslojnim pločicama litij tantalata.
• LNOI: 8-inčni LNOI podržava masovnu proizvodnju većih proizvoda od tankog filma litij niobata.
Proizvodnja na izolatorskim valovodima:U ovoj studiji koristili smo 4-inčne LToI pločice. Gornji LT sloj je komercijalna 42° rotirana Y-cut LT supstrat za SAW uređaje, koji je izravno spojen na Si supstrat slojem toplinskog oksida debljine 3 µm, koristeći pametni proces rezanja. Slika 1(a) prikazuje pogled odozgo na LToI pločicu, s debljinom gornjeg LT sloja od 200 nm. Procijenili smo hrapavost površine gornjeg LT sloja pomoću mikroskopije atomske sile (AFM).
Slika 1.(a) Pogled odozgo na LToI pločicu, (b) AFM slika površine gornjeg LT sloja, (c) PFM slika površine gornjeg LT sloja, (d) Shematski presjek LToI valovoda, (e) Izračunati temeljni profil TE moda i (f) SEM slika jezgre valovoda LToI prije taloženja sloja SiO2. Kao što je prikazano na slici 1 (b), hrapavost površine manja je od 1 nm i nisu uočene linije ogrebotina. Osim toga, ispitali smo stanje polarizacije gornjeg LT sloja pomoću mikroskopije sile piezoelektričnog odgovora (PFM), kao što je prikazano na slici 1 (c). Potvrdili smo da je jednolika polarizacija održana čak i nakon procesa spajanja.
Koristeći ovaj LToI supstrat, izradili smo valovod na sljedeći način. Prvo je odložen sloj metalne maske za naknadno suho jetkanje LT-a. Zatim je izvedena litografija elektronskim snopom (EB) kako bi se definirao uzorak jezgre valovoda na vrhu sloja metalne maske. Zatim smo prenijeli uzorak EB otpornika na sloj metalne maske suhim jetkanjem. Nakon toga, jezgra valovoda LToI formirana je jetkanjem u plazmi elektronskom ciklotronskom rezonancijom (ECR). Konačno, sloj metalne maske uklonjen je mokrim postupkom, a sloj SiO2 nanesen je korištenjem plazma poboljšanog kemijskog taloženja iz pare. Slika 1 (d) prikazuje shematski presjek valovoda LToI. Ukupna visina jezgre, visina ploče i širina jezgre su 200 nm, 100 nm, odnosno 1000 nm. Imajte na umu da se širina jezgre širi na 3 µm na rubu valovoda za spajanje optičkih vlakana.
Slika 1 (e) prikazuje izračunatu distribuciju optičkog intenziteta osnovnog transverzalnog električnog (TE) moda na 1550 nm. Slika 1 (f) prikazuje sliku LToI valovodne jezgre prije taloženja SiO2 sloja snimljenu skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM).
Karakteristike valovoda:Prvo smo procijenili karakteristike linearnih gubitaka unosom TE-polariziranog svjetla iz izvora spontane emisije pojačanog valne duljine 1550 nm u LToI valovode različitih duljina. Gubitak širenja dobiven je iz nagiba odnosa između duljine valovoda i prijenosa na svakoj valnoj duljini. Izmjereni gubici širenja bili su 0,32, 0,28 i 0,26 dB/cm na 1530, 1550, odnosno 1570 nm, kao što je prikazano na slici 2 (a). Proizvedeni LToI valovodi pokazali su performanse niske gubitke usporedive s najsuvremenijim LNoI valovodima [10].
Zatim smo procijenili nelinearnost χ(3) kroz pretvorbu valne duljine generiranu postupkom miješanja od četiri vala. Unosimo kontinuirano svjetlo pumpe valova na 1550,0 nm i signalno svjetlo na 1550,6 nm u valovod duljine 12 mm. Kao što je prikazano na slici 2 (b), intenzitet signala svjetlosnog vala konjugiranog faze (iler) povećavao se s povećanjem ulazne snage. Umetak na slici 2 (b) prikazuje tipični izlazni spektar četverovalnog miješanja. Iz odnosa između ulazne snage i učinkovitosti pretvorbe, procijenili smo da je nelinearni parametar (γ) približno 11 W^-1m.
Slika 3.(a) Mikroskopska slika proizvedenog prstenastog rezonatora. (b) Transmisijski spektri prstenastog rezonatora s različitim parametrima raspora. (c) Izmjereni i Lorentzian prilagođeni spektar prijenosa prstenastog rezonatora s razmakom od 1000 nm.
Zatim smo proizveli LToI prstenasti rezonator i procijenili njegove karakteristike. Slika 3 (a) prikazuje sliku izrađenog prstenastog rezonatora snimljenu optičkim mikroskopom. Prstenasti rezonator ima konfiguraciju "trkaće staze", koja se sastoji od zakrivljenog područja polumjera od 100 µm i ravnog područja duljine 100 µm. Širina razmaka između prstena i jezgre valovoda sabirnice varira u koracima od 200 nm, točnije na 800, 1000 i 1200 nm. Slika 3 (b) prikazuje transmisioni spektar za svaku prazninu, pokazujući da se omjer ekstinkcije mijenja s veličinom praznine. Iz ovih smo spektara utvrdili da razmak od 1000 nm pruža gotovo kritične uvjete spajanja, budući da pokazuje najveći omjer ekstinkcije od -26 dB.
Koristeći kritično spregnuti rezonator, procijenili smo faktor kvalitete (Q faktor) prilagođavanjem linearnog spektra prijenosa Lorentzijevom krivuljom, dobivajući unutarnji Q faktor od 1,1 milijun, kao što je prikazano na slici 3 (c). Koliko znamo, ovo je prva demonstracija LToI prstenastog rezonatora spregnutog valovodom. Značajno je da je vrijednost Q faktora koju smo postigli značajno viša od one LToI mikrodisk rezonatora spojenih na vlakna [9].
Zaključak:Razvili smo LToI valovod s gubitkom od 0,28 dB/cm na 1550 nm i Q faktorom prstenastog rezonatora od 1,1 milijun. Dobiveni učinak usporediv je s onim najsuvremenijih LNoI valovoda s niskim gubicima. Osim toga, istražili smo χ(3) nelinearnost proizvedenog LToI valovoda za nelinearne primjene na čipu.
Vrijeme objave: 20. studenoga 2024