Povzetek:Razvili smo valovod iz litijevega tantalata na osnovi izolatorja z valovno dolžino 1550 nm, izgubo 0,28 dB/cm in faktorjem kakovosti obročnega resonatorja 1,1 milijona. Proučevali smo uporabo 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 "izolator na", so privedle do pomembnega napredka v tehnologiji valovodov za ultrahitre modulatorje in integrirano nelinearno fotoniko [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 sta lomni količnik in nelinearni koeficienti, podobni parametrom 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 filtre s površinskimi akustičnimi valovi (SAW), ki so uporabni v visokohitrostnih mobilnih in brezžičnih tehnologijah. V tem kontekstu bi lahko rezine LToI postale pogostejši materiali za fotonske aplikacije. Vendar pa je bilo do danes opisanih le nekaj fotonskih naprav, ki temeljijo na LToI, kot so mikrodiskovni resonatorji [8] in elektrooptični fazni preklopniki [9]. V tem članku predstavljamo valovod LToI z nizkimi izgubami in njegovo uporabo v obročnem resonatorju. Poleg tega podajamo nelinearne značilnosti valovoda LToI glede na χ(3).
Ključne točke:
• Ponujamo 4- do 6-palčne LToI rezine, tankoplastne litijeve tantalatne rezine, z debelino zgornje plasti od 100 nm do 1500 nm, z uporabo domače tehnologije in zrelih postopkov.
• SINOI: Tankoplastne rezine iz silicijevega nitrida z izjemno nizkimi izgubami.
• SICOI: Visoko čiste pol-izolacijske tankoslojne podlage iz silicijevega karbida za fotonska integrirana vezja iz silicijevega karbida.
• LTOI: Močan konkurent litijevim niobatom, tankoslojne rezine litijevega tantalata.
• LNOI: 8-palčni LNOI, ki podpira množično proizvodnjo večjih tankoslojnih izdelkov iz litijevega niobata.
Izdelava na izolatorskih valovodih:V tej študiji smo uporabili 4-palčne rezine LToI. Zgornja plast LT je komercialni 42° zasukan Y-rezani LT substrat za SAW naprave, ki je neposredno vezan na Si substrat s 3 µm debelo termično oksidno plastjo z uporabo pametnega postopka rezanja. Slika 1(a) prikazuje pogled od zgoraj na rezino LToI z debelino zgornje plasti LT 200 nm. Hrapavost površine zgornje plasti LT smo ocenili z uporabo mikroskopije z 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 profil osnovnega TE moda in (f) SEM slika jedra valovoda LToI pred nanašanjem prekrivne plasti SiO2. Kot je prikazano na sliki 1 (b), je hrapavost površine manjša od 1 nm in nismo opazili nobenih prask. Poleg tega smo pregledali stanje polarizacije zgornje plasti LT z uporabo piezoelektrične mikroskopije odzivne sile (PFM), kot je prikazano na sliki 1 (c). Potrdili smo, da se je enakomerna polarizacija ohranila tudi po postopku vezanja.
Z uporabo tega substrata LToI smo valovod izdelali na naslednji način. Najprej je bila nanesena plast kovinske maske za naknadno suho jedkanje LT. Nato je bila izvedena litografija z elektronskim žarkom (EB), da bi določili vzorec jedra valovoda na vrhu plasti kovinske maske. Nato smo vzorec EB-upora prenesli na plast kovinske maske s suhim jedkanjem. Nato je bilo jedro valovoda LToI oblikovano z jedkanjem s plazmo z elektronsko ciklotronsko resonanco (ECR). Nazadnje je bila plast kovinske maske odstranjena z mokrim postopkom, prekrivna plast SiO2 pa je bila nanesena z uporabo plazemsko izboljšanega kemičnega nanašanja s paro. 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 na robu valovoda razširi na 3 µm za sklopitev optičnih vlaken.
Slika 1 (e) prikazuje izračunano porazdelitev optične intenzivnosti osnovnega transverzalnega električnega (TE) načina pri 1550 nm. Slika 1 (f) prikazuje sliko jedra valovoda LToI, posneto z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM), pred nanašanjem prekrivne plasti SiO2.
Značilnosti valovoda:Najprej smo ocenili linearne karakteristike izgub z vnosom TE-polarizirane svetlobe iz vira spontane emisije, ojačanega z valovno dolžino 1550 nm, v valovodne vodnike LToI različnih dolžin. Izgube zaradi širjenja smo dobili iz naklona razmerja med dolžino valovoda in prenosom pri vsaki valovni dolžini. Izmerjene izgube zaradi širjenja 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 valovodni vodniki LToI so pokazali primerljivo nizko zmogljivost izgub kot najsodobnejši valovodni vodniki LNoI [10].
Nato smo ocenili nelinearnost χ(3) s pretvorbo valovnih dolžin, ki jo generira štirivalovni mešalni proces. V 12 mm dolg valovod smo vnesli črpalno svetlobo z neprekinjenim valom pri 1550,0 nm in signalno svetlobo pri 1550,6 nm. Kot je prikazano na sliki 2 (b), se je intenzivnost signala fazno konjugiranega (prosto stojnega) svetlobnega vala povečevala z naraščajočo vhodno močjo. Vstavljeni del 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) Prenosni spektri obročnega resonatorja z različnimi parametri reže. (c) Izmerjen in Lorentzovsko prilagojen prenosni spekter obročnega resonatorja z režo 1000 nm.
Nato smo izdelali obročasti resonator LToI in ocenili njegove značilnosti. Slika 3 (a) prikazuje sliko izdelanega obročastega resonatorja, posneto z optičnim mikroskopom. Obročni resonator ima konfiguracijo "dirkališča", ki jo sestavljata ukrivljeno območje s polmerom 100 µm in ravno območje dolžine 100 µm. Širina reže med obročem in jedrom valovoda se spreminja v korakih po 200 nm, natančneje pri 800, 1000 in 1200 nm. Slika 3 (b) prikazuje transmisijske spektre za vsako režo, kar kaže, da se ekstinkcijsko razmerje spreminja z velikostjo reže. Iz teh spektrov smo ugotovili, da reža s 1000 nm zagotavlja skoraj kritične pogoje sklopitve, saj kaže najvišje ekstinkcijsko razmerje -26 dB.
Z uporabo kritično sklopljenega resonatorja smo ocenili faktor kakovosti (Q faktor) tako, da smo linearni prenosni spekter prilagodili Lorentzovi krivulji in dobili notranji Q faktor 1,1 milijona, kot je prikazano na sliki 3 (c). Kolikor vemo, je to prva demonstracija obročnega resonatorja LToI, sklopljenega z valovodom. Omeniti velja, da je dosežena vrednost Q faktorja bistveno višja kot pri optično sklopljenih mikrodiskovnih resonatorjih LToI [9].
Zaključek:Razvili smo valovod LToI z izgubo 0,28 dB/cm pri 1550 nm in faktorjem Q obročastega resonatorja 1,1 milijona. Dosežena 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. november 2024