sažetak:Razvili smo talasovod od 1550 nm na bazi litijum-tantalata sa gubitkom od 0,28 dB/cm i faktorom kvaliteta prstenastog rezonatora od 1,1 milion. Proučavana je primjena χ(3) nelinearnosti u nelinearnoj fotonici. Prednosti litijum niobata na izolatoru (LNoI), koji pokazuje odlična χ(2) i χ(3) nelinearna svojstva, zajedno sa jakim optičkim ograničenjem zbog njegove strukture "izolator na", dovele su do značajnog napretka u tehnologiji talasovoda za ultrabrze modulatori i integrisana nelinearna fotonika [1-3]. Pored LN, litijum tantalat (LT) je takođe istražen kao nelinearni fotonski materijal. U poređenju sa LN, LT ima viši prag optičkog oštećenja i širi prozor optičke transparentnosti [4, 5], iako su njegovi optički parametri, kao što su indeks loma i nelinearni koeficijenti, slični onima kod LN [6, 7]. Stoga se LToI ističe kao još jedan jak kandidat za nelinearne fotonske aplikacije velike optičke snage. Štaviše, LToI postaje primarni materijal za uređaje za filtriranje površinskih akustičnih talasa (SAW), koji se mogu primeniti u mobilnim i bežičnim tehnologijama velike brzine. U tom kontekstu, LToI pločice mogu postati češći materijali za fotonske primjene. Međutim, do danas je objavljeno samo nekoliko fotonskih uređaja baziranih na LToI, kao što su mikrodisk rezonatori [8] i elektro-optički fazni pomerači [9]. U ovom radu predstavljamo LToI talasovod sa malim gubicima i njegovu primenu u prstenastom rezonatoru. Dodatno, dajemo χ(3) nelinearne karakteristike LToI talasovoda.
Ključne tačke:
• Ponuda LToI pločica od 4 inča do 6 inča, tankoslojnih litijum tantalatnih pločica, sa debljinom gornjeg sloja u rasponu od 100 nm do 1500 nm, koristeći domaću tehnologiju i zrele procese.
• SINOI: tankoslojne pločice od silicijum nitrida sa ultra malim gubicima.
• SICOI: Poluizolacione podloge od tankog filma od silicijum karbida visoke čistoće za fotonska integrisana kola od silicijum karbida.
• LTOI: Jaka konkurencija litijum-niobatnim, tankoslojnim litijum-tantalatnim pločicama.
• LNOI: 8-inčni LNOI koji podržava masovnu proizvodnju većih tankoslojnih proizvoda od litijum niobata.
Proizvodnja na izolatorskim talasovodima:U ovoj studiji koristili smo 4-inčne LToI pločice. Gornji LT sloj je komercijalni 42° rotirani Y-cut LT supstrat za SAW uređaje, koji je direktno vezan za Si supstrat sa 3 µm debelim termo oksidnim slojem, koristeći pametni proces rezanja. Slika 1(a) prikazuje pogled odozgo na LToI pločicu, sa 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) Šematski poprečni presjek LToI talasovoda, (e) Izračunati osnovni profil TE moda i (f) SEM slika jezgre LToI talasovoda prije taloženja sloja SiO2. Kao što je prikazano na slici 1 (b), hrapavost površine je manja od 1 nm i nisu uočene linije ogrebotina. Dodatno, ispitali smo polarizacijsko stanje gornjeg LT sloja koristeći piezoelektričnu mikroskopiju sile odgovora (PFM), kao što je prikazano na slici 1 (c). Potvrdili smo da je ujednačena polarizacija održana čak i nakon procesa vezivanja.
Koristeći ovaj LToI supstrat, proizveli smo talasovod na sledeći način. Prvo je nanijet sloj metalne maske za naknadno suho nagrizanje LT. Zatim je izvedena litografija elektronskim snopom (EB) kako bi se definirao uzorak jezgre valovoda na vrhu sloja metalne maske. Zatim smo prenijeli EB rezist uzorak na sloj metalne maske putem suhog jetkanja. Nakon toga, LToI talasovodno jezgro je formirano korišćenjem jetkanja plazme elektronske ciklotronske rezonancije (ECR). Konačno, sloj metalne maske je uklonjen mokrim postupkom, a sloj SiO2 je nanijet korištenjem plazmom poboljšanog hemijskog taloženja pare. Slika 1 (d) prikazuje šematski poprečni presjek LToI talasovoda. Ukupna visina jezgra, visina ploče i širina jezgra su 200 nm, 100 nm i 1000 nm, respektivno. Imajte na umu da se širina jezgra širi na 3 µm na rubu talasovoda 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 skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM) LToI talasovodnog jezgra prije nanošenja sloja SiO2.
Karakteristike talasovoda:Prvo smo procijenili karakteristike linearnog gubitka unosom TE-polarizirane svjetlosti iz izvora spontane emisije pojačanog talasne dužine od 1550 nm u LToI talasovode različitih dužina. Gubitak širenja dobijen je iz nagiba odnosa između dužine talasovoda i transmisije na svakoj talasnoj dužini. Izmjereni gubici propagacije bili su 0,32, 0,28 i 0,26 dB/cm na 1530, 1550 i 1570 nm, respektivno, kao što je prikazano na slici 2 (a). Proizvedeni LToI talasovodi su pokazali uporedive performanse sa malim gubicima sa najsavremenijim LNoI talasovodima [10].
Zatim smo procijenili nelinearnost χ(3) kroz konverziju talasnih dužina generisanu četvorotalasnim procesom mešanja. Uvodimo svjetlo pumpe kontinuiranog talasa na 1550,0 nm i signalno svjetlo na 1550,6 nm u 12 mm dug talasovod. Kao što je prikazano na slici 2 (b), intenzitet signala svjetlosnog talasa konjugiranog s fazom (ledan) se povećavao sa povećanjem ulazne snage. Umetak na slici 2 (b) prikazuje tipičan izlazni spektar četvorotalasnog mešanja. Iz odnosa između ulazne snage i efikasnosti konverzije, procijenili smo da je nelinearni parametar (γ) približno 11 W^-1m.
Slika 3.(a) Mikroskopska slika proizvedenog prstenastog rezonatora. (b) Spektri transmisije prstenastog rezonatora sa različitim parametrima jaza. (c) Izmjereni i Lorencijanski prilagođeni spektar prijenosa prstenastog rezonatora s razmakom od 1000 nm.
Zatim smo proizveli LToI prstenasti rezonator i procijenili njegove karakteristike. Slika 3 (a) prikazuje optički mikroskopsku sliku proizvedenog prstenastog rezonatora. Prstenasti rezonator ima konfiguraciju "trkačke staze", koja se sastoji od zakrivljenog područja radijusa od 100 µm i pravog područja dužine 100 µm. Širina jaza između prstena i jezgra talasovoda sabirnice varira u koracima od 200 nm, posebno na 800, 1000 i 1200 nm. Slika 3 (b) prikazuje spektre transmisije za svaki jaz, što ukazuje da se omjer ekstinkcije mijenja s veličinom jaza. Iz ovih spektra smo utvrdili da jaz od 1000 nm pruža skoro kritične uslove spajanja, jer pokazuje najveći omjer ekstinkcije od -26 dB.
Koristeći kritično spregnuti rezonator, procijenili smo faktor kvaliteta (Q faktor) uklapanjem spektra linearne transmisije sa Lorentzianom krivom, dobivši unutrašnji Q faktor od 1,1 milion, kao što je prikazano na slici 3 (c). Koliko znamo, ovo je prva demonstracija LToI prstenastog rezonatora spojenog s valovima. Značajno je da je vrijednost Q faktora koju smo postigli znatno viša od one kod LToI mikrodisk rezonatora spojenih s vlaknima [9].
zaključak:Razvili smo LToI talasovod sa gubitkom od 0,28 dB/cm na 1550 nm i Q faktorom prstenastog rezonatora od 1,1 milion. Dobiveni učinak je uporediv sa performansama najsavremenijih LNoI talasovoda sa malim gubicima. Dodatno, istražili smo χ(3) nelinearnost proizvedenog LToI talasovoda za nelinearne aplikacije na čipu.
Vrijeme objave: 20.11.2024