Sažetak:Razvili smo talasovod od litijum tantalata na bazi izolatora od 1550 nm sa gubitkom od 0,28 dB/cm i faktorom kvaliteta prstenastog rezonatora od 1,1 milion. Proučena 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 svoje "izolator-na" strukture, dovele su do značajnog napretka u tehnologiji talasovoda za ultrabrze modulatore i integrisanu nelinearnu fotoniku [1-3]. Pored LN, litijum tantalat (LT) je također istražen kao nelinearni fotonski materijal. U poređenju sa LN, LT ima viši prag optičkog oštećenja i širi prozor optičke prozirnosti [4, 5], iako su njegovi optički parametri, kao što su indeks prelamanja i nelinearni koeficijenti, slični onima kod LN [6, 7]. Stoga se LToI ističe kao još jedan snažan kandidat za nelinearne fotonske primjene visoke optičke snage. Štaviše, LToI postaje primarni materijal za uređaje za filtriranje površinskih akustičnih talasa (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 zasnovanih na LToI, kao što su mikrodiskovni rezonatori [8] i elektrooptički fazni pomerači [9]. U ovom radu predstavljamo LToI talasovod sa malim gubicima i njegovu primjenu u prstenastom rezonatoru. Pored toga, dajemo nelinearne karakteristike χ(3) LToI talasovoda.
Ključne tačke:
• Nudimo LToI pločice od 4 do 6 inča, tankoslojne litijum tantalat pločice, s debljinom gornjeg sloja od 100 nm do 1500 nm, koristeći domaću tehnologiju i zrele procese.
• SINOI: Tankoslojne pločice od silicijum nitrida sa ultra niskim gubicima.
• SICOI: Visokočiste poluizolacijske tankoslojne podloge od silicijum karbida za fotonska integrirana kola od silicijum karbida.
• LTOI: Snažan konkurent litijum niobatu, tankoslojne pločice litijum tantalata.
• LNOI: 8-inčni LNOI koji podržava masovnu proizvodnju tankoslojnih litijum 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 za 42° u obliku slova Y za SAW uređaje, koja je direktno vezana za Si podlogu slojem termičkog 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. 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 poprečni presjek LToI talasovoda, (e) Izračunati profil osnovnog TE moda i (f) SEM slika jezgra LToI talasovoda prije nanošenja SiO2 sloja. Kao što je prikazano na slici 1 (b), hrapavost površine je manja od 1 nm i nisu uočene linije ogrebotina. Dodatno, ispitali smo stanje polarizacije gornjeg LT sloja koristeći mikroskopiju piezoelektrične odzivne sile (PFM), kao što je prikazano na slici 1 (c). Potvrdili smo da je ujednačena polarizacija održana čak i nakon procesa vezivanja.
Koristeći ovu LToI podlogu, izradili smo valovod na sljedeći način. Prvo je nanesen sloj metalne maske za naknadno suho nagrizanje LT-a. Zatim je izvršena 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 putem suhog nagrizanja. Nakon toga, jezgro LToI valovoda formirano je korištenjem plazma nagrizanja elektronskom ciklotronskom rezonancijom (ECR). Konačno, sloj metalne maske uklonjen je mokrim postupkom, a prekrivni sloj SiO2 nanesen je korištenjem plazmom poboljšanog hemijskog nagrizanja iz pare. Slika 1 (d) prikazuje shematski poprečni presjek LToI valovoda. Ukupna visina jezgre, visina ploče i širina jezgre iznose 200 nm, 100 nm i 1000 nm, respektivno. Treba napomenuti da se širina jezgre širi na 3 µm na rubu valovoda radi spajanja optičkih vlakana.
Slika 1 (e) prikazuje izračunatu raspodjelu optičkog intenziteta fundamentalnog transverzalnog električnog (TE) moda na 1550 nm. Slika 1 (f) prikazuje sliku jezgra LToI talasovoda dobijenu skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM) prije nanošenja SiO2 sloja.
Karakteristike talasovoda:Prvo smo procijenili karakteristike linearnih gubitaka uvođenjem TE-polarizovane svjetlosti iz spontanog izvora emisije pojačanog talasnom dužinom od 1550 nm u LToI talasovode različitih dužina. Gubitak propagacije 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). Izrađeni LToI talasovodi pokazali su performanse niskih gubitaka uporedive sa najsavremenijim LNoI talasovodima [10].
Zatim smo procijenili nelinearnost χ(3) putem konverzije valne dužine generirane procesom miješanja četiri talasa. U talasovod dužine 12 mm uveli smo kontinuiranu svjetlost pumpe na 1550,0 nm i signalnu svjetlost na 1550,6 nm. Kao što je prikazano na slici 2 (b), intenzitet signala fazno konjugiranog (idler) svjetlosnog talasa povećavao se s povećanjem ulazne snage. Umetak na slici 2 (b) prikazuje tipičan izlazni spektar miješanja četiri talasa. Na osnovu odnosa između ulazne snage i efikasnosti konverzije, procijenili smo da je nelinearni parametar (γ) približno 11 W^-1m.
Slika 3.(a) Mikroskopska slika izrađenog prstenastog rezonatora. (b) Transmisioni spektri prstenastog rezonatora s različitim parametrima zazora. (c) Izmjereni i Lorentz-fitovani transmisioni spektar prstenastog rezonatora s zazorom 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 dužine 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 sprezanja, jer pokazuje najveći omjer ekstinkcije od -26 dB.
Koristeći kritično spregnuti rezonator, procijenili smo faktor kvaliteta (Q faktor) uklapanjem linearnog transmisionog spektra Lorentzovom krivuljom, dobijajući interni Q faktor od 1,1 milion, kao što je prikazano na Slici 3 (c). Koliko znamo, ovo je prva demonstracija LToI prstenastog rezonatora spregnutog sa talasovodom. Važno je napomenuti da je vrijednost Q faktora koju smo postigli znatno veća od one kod LToI mikrodiskovnih rezonatora spregnutih sa 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. Dobijene performanse su uporedive sa performansama najsavremenijih LNoI talasovoda sa niskim gubitkom. Pored toga, istražili smo χ(3) nelinearnost proizvedenog LToI talasovoda za nelinearne primjene na čipu.
Vrijeme objave: 20. novembar 2024.