Povzetek:Razvili smo 1550 nm valovod iz litijevega tantalata na osnovi izolatorja z izgubo 0,28 dB/cm in faktorjem kakovosti obročnega resonatorja 1,1 milijona. Raziskana je bila uporaba nelinearnosti χ(3) v nelinearni fotoniki. Prednosti litijevega niobata na izolatorju (LNoI), ki kaže odlične nelinearne lastnosti χ(2) in χ(3) skupaj z močno optično omejitvijo zaradi svoje strukture "na izolatorju", so vodile do znatnega napredka v tehnologiji valovodov za ultra hitre modulatorji in integrirana nelinearna fotonika [1-3]. Poleg LN je bil kot nelinearni fotonski material raziskan tudi litijev tantalat (LT). V primerjavi z LN ima LT višji prag optične poškodbe in širše okno optične prosojnosti [4, 5], čeprav so njegovi optični parametri, kot so lomni količnik in nelinearni koeficienti, podobni tistim pri LN [6, 7]. Tako LToI izstopa kot še en močan kandidat za nelinearne fotonske aplikacije z visoko optično močjo. Poleg tega LToI postaja primarni material za naprave za filtriranje površinskih akustičnih valov (SAW), ki se uporabljajo v mobilnih in brezžičnih tehnologijah visoke hitrosti. V tem kontekstu lahko rezine LToI postanejo pogostejši materiali za fotonske aplikacije. Vendar pa so do danes poročali le o nekaj fotonskih napravah, ki temeljijo na LToI, kot so mikrodiskni resonatorji [8] in elektrooptični fazni prestavljalci [9]. V tem članku predstavljamo valovod LToI z majhnimi izgubami in njegovo uporabo v obročnem resonatorju. Poleg tega nudimo nelinearne značilnosti χ(3) valovoda LToI.
Ključne točke:
• Ponudba 4-palčnih do 6-palčnih rezin LToI, tankoslojnih rezin iz litijevega tantalata, z debelino zgornje plasti od 100 nm do 1500 nm, z uporabo domače tehnologije in zrelih procesov.
• SINOI: tankoplastne rezine iz silicijevega nitrida z ultra nizkimi izgubami.
• SICOI: polizolacijski tankoplastni substrati iz silicijevega karbida visoke čistosti za fotonska integrirana vezja iz silicijevega karbida.
• LTOI: močan konkurent litijevemu niobatu, tankoplastnim rezinam litijevega tantalata.
• LNOI: 8-palčni LNOI, ki podpira masovno proizvodnjo večjih tankoslojnih izdelkov iz litijevega niobata.
Izdelava na izolatorskih valovodih:V tej študiji smo uporabili 4-palčne rezine LToI. Zgornji LT sloj je komercialni 42° zasukan Y-cut LT substrat za naprave SAW, ki je neposredno vezan na Si substrat s plastjo termičnega oksida debeline 3 µm, z uporabo pametnega postopka rezanja. Slika 1(a) prikazuje pogled od zgoraj na rezino LToI z debelino zgornje plasti LT 200 nm. Ocenili smo površinsko hrapavost zgornje plasti LT z uporabo mikroskopije na atomsko silo (AFM).
Slika 1.(a) Pogled od zgoraj na rezino LToI, (b) AFM slika površine zgornje plasti LT, (c) PFM slika površine zgornje plasti LT, (d) Shematski prečni prerez valovoda LToI, (e) Izračunani temeljni profil TE načina in (f) SEM slika jedra valovoda LToI pred nanašanjem prekrivne plasti SiO2. Kot je prikazano na sliki 1 (b), je površinska hrapavost manjša od 1 nm in ni bilo opaziti nobenih črt prask. Poleg tega smo preučili stanje polarizacije zgornje plasti LT z mikroskopijo piezoelektrične odzivne sile (PFM), kot je prikazano na sliki 1 (c). Potrdili smo, da se je enotna polarizacija ohranila tudi po postopku vezave.
Z uporabo tega substrata LToI smo izdelali valovod na naslednji način. Najprej je bila odložena plast kovinske maske za naknadno suho jedkanje LT. Nato je bila izvedena litografija z elektronskim žarkom (EB), da se določi vzorec jedra valovoda na vrhu plasti kovinske maske. Nato smo prenesli EB rezist vzorec na plast kovinske maske s suhim jedkanjem. Nato je bilo jedro valovoda LToI oblikovano z jedkanjem v plazmi z elektronsko ciklotronsko resonanco (ECR). Nazadnje je bila plast kovinske maske odstranjena z mokrim postopkom in prekrivna plast SiO2 je bila nanesena z uporabo kemičnega naparjevanja, izboljšanega s plazmo. Slika 1 (d) prikazuje shematski prečni prerez valovoda LToI. Skupna višina jedra, višina plošče in širina jedra so 200 nm, 100 nm oziroma 1000 nm. Upoštevajte, da se širina jedra razširi na 3 µm na robu valovoda za spajanje optičnih vlaken.
Slika 1 (e) prikazuje izračunano porazdelitev optične jakosti osnovnega prečnega električnega (TE) načina pri 1550 nm. Slika 1 (f) prikazuje sliko jedra valovoda LToI pred nanosom prekrivnega sloja SiO2, posnetega z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM).
Značilnosti valovoda:Najprej smo ovrednotili karakteristike linearne izgube z vnosom TE-polarizirane svetlobe iz spontanega vira valovne dolžine 1550 nm v valovode LToI različnih dolžin. Izguba pri širjenju je bila pridobljena iz naklona razmerja med dolžino valovoda in prenosom pri vsaki valovni dolžini. Izmerjene izgube pri širjenju so bile 0,32, 0,28 in 0,26 dB/cm pri 1530, 1550 oziroma 1570 nm, kot je prikazano na sliki 2 (a). Izdelani valovod LToI je pokazal zmogljivost z nizkimi izgubami, primerljivo z najsodobnejšimi valovodi LNoI [10].
Nato smo ocenili nelinearnost χ(3) s pretvorbo valovne dolžine, ustvarjeno s postopkom mešanja štirih valov. V 12 mm dolg valovod vnesemo svetlobo neprekinjene valovne črpalke pri 1550,0 nm in signalno svetlobo pri 1550,6 nm. Kot je prikazano na sliki 2 (b), se je intenzivnost signala svetlobnega valovanja fazno konjugiranega (prostega teka) povečala z naraščajočo vhodno močjo. Vložek na sliki 2 (b) prikazuje tipičen izhodni spekter štirivalovnega mešanja. Iz razmerja med vhodno močjo in učinkovitostjo pretvorbe smo ocenili, da je nelinearni parameter (γ) približno 11 W^-1m.
Slika 3.(a) Mikroskopska slika izdelanega obročnega resonatorja. (b) Transmisijski spektri obročnega resonatorja z različnimi parametri reže. (c) Izmerjen in Lorentziansko prilagojen prenosni spekter obročnega resonatorja z vrzeljo 1000 nm.
Nato smo izdelali obročni resonator LToI in ovrednotili njegove značilnosti. Slika 3 (a) prikazuje optično mikroskopsko sliko izdelanega obročnega resonatorja. Obročasti resonator ima konfiguracijo "dirkalne steze", sestavljeno iz ukrivljenega območja s polmerom 100 µm in ravnega območja dolžine 100 µm. Širina reže med obročem in valovodnim jedrom vodila se spreminja v korakih po 200 nm, natančneje pri 800, 1000 in 1200 nm. Slika 3 (b) prikazuje transmisijske spektre za vsako vrzel, kar kaže, da se razmerje ekstinkcije spreminja z velikostjo vrzeli. Iz teh spektrov smo ugotovili, da reža 1000 nm zagotavlja skoraj kritične pogoje sklopitve, saj kaže najvišje razmerje ekstinkcije -26 dB.
Z uporabo kritično sklopljenega resonatorja smo ocenili faktor kakovosti (faktor Q) tako, da smo prilagodili linearni transmisijski spekter z Lorentzovo krivuljo, pri čemer smo dobili notranji faktor Q 1,1 milijona, kot je prikazano na sliki 3 (c). Kolikor vemo, je to prva predstavitev obročnega resonatorja LToI, povezanega z valovodom. Predvsem je vrednost faktorja Q, ki smo jo dosegli, bistveno višja od vrednosti mikrodisknih resonatorjev LToI, povezanih z vlakni [9].
Zaključek:Razvili smo valovod LToI z izgubo 0,28 dB/cm pri 1550 nm in faktorjem Q obročnega resonatorja 1,1 milijona. Dobljena zmogljivost je primerljiva z zmogljivostjo najsodobnejših valovodov LNoI z nizkimi izgubami. Poleg tega smo raziskali nelinearnost χ(3) izdelanega valovoda LToI za nelinearne aplikacije na čipu.
Čas objave: 20. nov. 2024