Sažetak:Razvili smo valovod od litijevog tantalata na bazi izolatora valne duljine 1550 nm 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 litijevog niobata na izolatoru (LNoI), koji pokazuje izvrsna nelinearna svojstva χ(2) i χ(3) zajedno s jakim optičkim ograničenjem zbog svoje strukture "izolator-na", dovele su do značajnog napretka u tehnologiji valovoda za ultrabrze modulatore i integriranu nelinearnu fotoniku [1-3]. Osim LN-a, litijev tantalat (LT) također je istražen kao nelinearni fotonski materijal. U usporedbi s LN-om, 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-a [6, 7]. Stoga se LToI ističe kao još jedan snažan kandidat za nelinearne fotonske primjene visoke optičke snage. Štoviše, LToI postaje primarni materijal za uređaje za filtriranje površinskih akustičnih valova (SAW), primjenjive u brzim mobilnim i bežičnim tehnologijama. U tom kontekstu, LToI pločice mogu postati češći materijali za fotonske primjene. Međutim, do danas je prijavljeno samo nekoliko fotonskih uređaja temeljenih na LToI-ju, kao što su mikrodiskovni rezonatori [8] i elektrooptički fazni pomaci [9]. U ovom radu predstavljamo LToI valovod s niskim gubicima i njegovu primjenu u prstenastom rezonatoru. Osim toga, prikazujemo nelinearne karakteristike χ(3) LToI valovoda.
Ključne točke:
• Nudimo LToI pločice od 4 do 6 inča, tankoslojne litijeve tantalatne pločice, s debljinom gornjeg sloja od 100 nm do 1500 nm, koristeći domaću tehnologiju i zrele procese.
• SINOI: Tankoslojne pločice silicijevog nitrida s ultra niskim gubicima.
• SICOI: Visokočistoće poluizolacijske tankoslojne podloge od silicij-karbida za fotonske integrirane krugove silicij-karbida.
• LTOI: Snažan konkurent litijevom niobatu, tankoslojne pločice litijevog tantalata.
• LNOI: 8-inčni LNOI koji podržava masovnu proizvodnju tankoslojnih litijevih niobatnih proizvoda većih razmjera.
Proizvodnja na izolatorskim valovodima:U ovoj studiji koristili smo LToI pločice od 4 inča. Gornji LT sloj je komercijalna LT podloga rotirana pod kutom od 42°, izrezana u obliku slova Y, za SAW uređaje, koja je izravno spojena na Si podlogu slojem termalnog oksida debljine 3 µm, korištenjem pametnog postupka rezanja. Slika 1(a) prikazuje pogled odozgo na LToI pločicu, s debljinom gornjeg LT sloja od 200 nm. Hrapavost površine gornjeg LT sloja procijenili smo pomoću mikroskopije atomskih sila (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 profil osnovnog TE moda i (f) SEM slika jezgre LToI valovoda prije nanošenja SiO2 sloja. Kao što je prikazano na slici 1 (b), hrapavost površine je manja od 1 nm i nisu uočene linije ogrebotina. Osim toga, ispitali smo stanje polarizacije gornjeg LT sloja pomoću piezoelektrične mikroskopije odzivne sile (PFM), kao što je prikazano na slici 1 (c). Potvrdili smo da je jednolika polarizacija održana čak i nakon procesa lijepljenja.
Koristeći ovu LToI podlogu, izradili smo valovod na sljedeći način. Prvo je nanesen sloj metalne maske za naknadno suho jetkanje LT-a. Zatim je provedena litografija elektronskim snopom (EB) kako bi se definirao uzorak jezgre valovoda na vrhu sloja metalne maske. Nakon toga, prenijeli smo uzorak EB otpora na sloj metalne maske suhim jetkanjem. Nakon toga, jezgra LToI valovoda formirana je korištenjem plazma jetkanja elektronskom ciklotronskom rezonancijom (ECR). Konačno, sloj metalne maske uklonjen je mokrim postupkom, a prekrivni sloj SiO2 nanesen je korištenjem plazmom pojačanog kemijskog taloženja iz pare. Slika 1 (d) prikazuje shematski presjek LToI valovoda. Ukupna visina jezgre, visina ploče i širina jezgre iznose 200 nm, 100 nm i 1000 nm. Treba napomenuti da se širina jezgre širi na 3 µm na rubu valovoda za spajanje optičkih vlakana.
Slika 1 (e) prikazuje izračunatu raspodjelu optičkog intenziteta osnovnog transverzalnog električnog (TE) moda na 1550 nm. Slika 1 (f) prikazuje sliku LToI valovoda dobivenu skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM) prije nanošenja SiO2 sloja.
Karakteristike valovoda:Prvo smo procijenili karakteristike linearnih gubitaka uvođenjem TE-polarizirane svjetlosti iz spontanog izvora emisije pojačanog valnom duljinom od 1550 nm u LToI valovode različitih duljina. Gubitak propagacije dobiven je iz nagiba odnosa između duljine valovoda i transmisije na svakoj valnoj duljini. Izmjereni gubici propagacije bili su 0,32, 0,28 i 0,26 dB/cm na 1530, 1550 i 1570 nm, redom, kao što je prikazano na slici 2 (a). Izrađeni LToI valovodi pokazali su usporedive performanse niskih gubitaka s najsuvremenijim LNoI valovodima [10].
Zatim smo procijenili nelinearnost χ(3) putem pretvorbe valne duljine generirane četverovalnim procesom miješanja. U valovod duljine 12 mm unijeli smo svjetlo kontinuiranog vala pumpe na 1550,0 nm i signalno svjetlo na 1550,6 nm. Kao što je prikazano na slici 2 (b), intenzitet signala fazno konjugiranog (idler) svjetlosnog vala povećavao se s povećanjem ulazne snage. Umetak na slici 2 (b) prikazuje tipičan 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 izrađenog prstenastog rezonatora. (b) Transmisijski spektri prstenastog rezonatora s različitim parametrima raspora. (c) Izmjereni i Lorentzovim mjerenjem prilagođeni transmisijski spektar prstenastog rezonatora s rasporom od 1000 nm.
Zatim smo izradili LToI prstenasti rezonator i procijenili njegove karakteristike. Slika 3 (a) prikazuje sliku izrađenog prstenastog rezonatora dobivenu optičkim mikroskopom. Prstenasti rezonator ima konfiguraciju "trkaće staze", koja se sastoji od zakrivljenog područja s radijusom od 100 µm i ravnog područja duljine 100 µm. Širina razmaka između prstena i jezgre valovoda sabirnice varira u koracima od 200 nm, posebno na 800, 1000 i 1200 nm. Slika 3 (b) prikazuje transmisijske spektre za svaki razmak, što ukazuje na to da se omjer ekstinkcije mijenja s veličinom razmaka. Iz ovih spektara utvrdili smo da razmak od 1000 nm pruža gotovo kritične uvjete spajanja, jer pokazuje najveći omjer ekstinkcije od -26 dB.
Koristeći kritično povezan rezonator, procijenili smo faktor kvalitete (Q faktor) prilagođavanjem linearnog transmisnog spektra Lorentzovom krivuljom, dobivajući unutarnji Q faktor od 1,1 milijuna, kao što je prikazano na slici 3 (c). Koliko znamo, ovo je prva demonstracija LToI prstenastog rezonatora povezanog valovodom. Važno je napomenuti da je vrijednost Q faktora koju smo postigli znatno veća od one kod LToI mikrodiskovnih rezonatora povezanih vlaknima [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. Dobivene performanse usporedive su s performansama najsuvremenijih LNoI valovoda s niskim gubitkom. Osim toga, istražili smo χ(3) nelinearnost proizvedenog LToI valovoda za nelinearne primjene na čipu.
Vrijeme objave: 20. studenog 2024.