Abstrakcyjny:Opracowaliśmy falowód z tantalanu litu o długości fali 1550 nm, oparty na izolatorze, charakteryzujący się tłumieniem 0,28 dB/cm i współczynnikiem jakości rezonatora pierścieniowego wynoszącym 1,1 miliona. Zbadano zastosowanie nieliniowości χ(3) w fotonice nieliniowej. Zalety niobianu litu na izolatorze (LNoI), który charakteryzuje się doskonałymi właściwościami nieliniowymi χ(2) i χ(3) oraz silnym ograniczeniem optycznym dzięki strukturze „izolator-na”, doprowadziły do znacznego postępu w technologii falowodów dla ultraszybkich modulatorów i zintegrowanej fotoniki nieliniowej [1-3]. Oprócz LN, badano również tantalan litu (LT) jako nieliniowy materiał fotoniczny. W porównaniu do LN, LT ma wyższy próg uszkodzenia optycznego i szersze okno przejrzystości optycznej [4, 5], chociaż jego parametry optyczne, takie jak współczynnik załamania światła i współczynniki nieliniowe, są podobne do parametrów LN [6, 7]. Zatem LToI wyróżnia się jako kolejny silny kandydat na materiał do nieliniowych zastosowań fotonicznych o dużej mocy optycznej. Ponadto LToI staje się podstawowym materiałem dla urządzeń filtrujących powierzchniową falę akustyczną (SAW), mających zastosowanie w szybkich technologiach mobilnych i bezprzewodowych. W tym kontekście wafle LToI mogą stać się bardziej powszechnymi materiałami w zastosowaniach fotonicznych. Jednak do tej pory opisano tylko kilka urządzeń fotonicznych opartych na LToI, takich jak rezonatory mikrodysków [8] i elektrooptyczne przesuwniki fazy [9]. W tym artykule przedstawiamy falowód LToI o niskiej stratności i jego zastosowanie w rezonatorze pierścieniowym. Dodatkowo podajemy nieliniowe charakterystyki χ(3) falowodu LToI.
Kluczowe punkty:
• Oferujemy płytki LToI o średnicy od 4 do 6 cali, cienkowarstwowe płytki z tantalanu litu, o grubości warstwy wierzchniej od 100 nm do 1500 nm, wykorzystując krajową technologię i dojrzałe procesy.
• SINOI: Cienkowarstwowe płytki azotku krzemu o bardzo niskich stratach.
• SICOI: Wysokiej czystości, półizolacyjne, cienkowarstwowe podłoża z węglika krzemu do zintegrowanych układów fotonicznych z węglika krzemu.
• LTOI: Silny konkurent dla cienkowarstwowych płytek z tantalanu litu i niobianu litu.
• LNOI: 8-calowy LNOI wspomagający masową produkcję większych cienkowarstwowych produktów z niobianu litu.
Produkcja na izolatorach falowodowych:W niniejszym badaniu wykorzystaliśmy 4-calowe wafle LToI. Górna warstwa LT to komercyjny, obrócony o 42°, wycięty w kształcie litery Y substrat LT dla urządzeń SAW, który jest bezpośrednio połączony z podłożem krzemowym warstwą tlenku termicznego o grubości 3 µm, z wykorzystaniem inteligentnego procesu cięcia. Rysunek 1(a) przedstawia widok z góry wafla LToI, którego grubość górnej warstwy LT wynosi 200 nm. Chropowatość powierzchni górnej warstwy LT oceniliśmy za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM).
Rysunek 1.(a) Widok z góry płytki LToI, (b) obraz AFM powierzchni górnej warstwy LT, (c) obraz PFM powierzchni górnej warstwy LT, (d) Schematyczny przekrój poprzeczny falowodu LToI, (e) Obliczony profil modu podstawowego TE oraz (f) obraz SEM rdzenia falowodu LToI przed osadzeniem warstwy wierzchniej SiO2. Jak pokazano na rysunku 1 (b), chropowatość powierzchni jest mniejsza niż 1 nm i nie zaobserwowano żadnych linii zarysowań. Dodatkowo zbadaliśmy stan polaryzacji górnej warstwy LT za pomocą mikroskopii sił odpowiedzi piezoelektrycznej (PFM), jak pokazano na rysunku 1 (c). Potwierdziliśmy, że jednorodna polaryzacja została zachowana nawet po procesie łączenia.
Wykorzystując to podłoże LToI, wykonaliśmy falowód w następujący sposób. Najpierw nałożono warstwę maski metalowej, która następnie została wytrawiona na sucho w warstwie maski metalowej. Następnie wykonano litografię wiązką elektronów (EB), aby zdefiniować wzór rdzenia falowodu na wierzchu warstwy maski metalowej. Następnie przenieśliśmy wzór rezystu EB na warstwę maski metalowej poprzez suche wytrawianie. Następnie rdzeń falowodu LToI został uformowany metodą trawienia plazmowego metodą rezonansu cyklotronowego elektronów (ECR). Na koniec usunięto warstwę maski metalowej metodą mokrą, a wierzchnią warstwę SiO2 nałożono metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą. Rysunek 1 (d) przedstawia schematyczny przekrój poprzeczny falowodu LToI. Całkowita wysokość rdzenia, wysokość płytki i szerokość rdzenia wynoszą odpowiednio 200 nm, 100 nm i 1000 nm. Należy zauważyć, że szerokość rdzenia zwiększa się do 3 µm na krawędzi falowodu w celu sprzężenia światłowodów.
Rysunek 1 (e) przedstawia obliczony rozkład intensywności optycznej podstawowego poprzecznego modu elektrycznego (TE) przy 1550 nm. Rysunek 1 (f) przedstawia obraz rdzenia falowodu LToI uzyskany za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) przed nałożeniem warstwy wierzchniej SiO2.
Charakterystyka falowodu:Najpierw oceniliśmy charakterystykę strat liniowych, wprowadzając światło spolaryzowane TE ze źródła o wzmocnionej emisji spontanicznej o długości fali 1550 nm do falowodów LToI o różnej długości. Straty propagacyjne uzyskano z nachylenia zależności między długością falowodu a transmisją dla każdej długości fali. Zmierzone straty propagacyjne wyniosły odpowiednio 0,32, 0,28 i 0,26 dB/cm dla fal 1530, 1550 i 1570 nm, jak pokazano na rysunku 2 (a). Wytworzone falowody LToI charakteryzowały się porównywalną niską stratnością do najnowocześniejszych falowodów LNoI [10].
Następnie oceniliśmy nieliniowość χ(3) poprzez konwersję długości fali generowaną przez proces mieszania czterofalowego. Do falowodu o długości 12 mm wprowadziliśmy światło pompujące falę ciągłą o długości fali 1550,0 nm i światło sygnałowe o długości fali 1550,6 nm. Jak pokazano na rysunku 2 (b), intensywność sygnału fali świetlnej sprzężonej fazowo (bezwładnej) wzrastała wraz ze wzrostem mocy wejściowej. Wstawka na rysunku 2 (b) przedstawia typowe widmo wyjściowe mieszania czterofalowego. Na podstawie zależności między mocą wejściową a wydajnością konwersji oszacowaliśmy parametr nieliniowy (γ) na około 11 W^-1m.
Rysunek 3.(a) Obraz mikroskopowy wykonanego rezonatora pierścieniowego. (b) Widmo transmisyjne rezonatora pierścieniowego o różnych parametrach szczeliny. (c) Zmierzone i dopasowane widmo transmisyjne rezonatora pierścieniowego o szczelinie 1000 nm.
Następnie wykonaliśmy rezonator pierścieniowy LToI i oceniliśmy jego właściwości. Rysunek 3 (a) przedstawia obraz z mikroskopu optycznego wykonanego rezonatora pierścieniowego. Rezonator pierścieniowy charakteryzuje się konfiguracją „toru wyścigowego”, składającą się z zakrzywionego obszaru o promieniu 100 µm i prostego obszaru o długości 100 µm. Szerokość szczeliny między pierścieniem a rdzeniem falowodu magistrali zmienia się co 200 nm, konkretnie dla długości fal 800, 1000 i 1200 nm. Rysunek 3 (b) przedstawia widma transmisji dla każdej szczeliny, wskazując, że współczynnik ekstynkcji zmienia się wraz z jej rozmiarem. Na podstawie tych widm ustaliliśmy, że szczelina 1000 nm zapewnia niemal krytyczne warunki sprzężenia, ponieważ charakteryzuje się najwyższym współczynnikiem ekstynkcji wynoszącym -26 dB.
Wykorzystując rezonator krytycznie sprzężony, oszacowaliśmy współczynnik jakości (współczynnik Q) poprzez dopasowanie liniowego widma transmisji do krzywej Lorentza, uzyskując wewnętrzny współczynnik Q wynoszący 1,1 miliona, jak pokazano na rysunku 3 (c). Według naszej wiedzy, jest to pierwsza demonstracja rezonatora pierścieniowego LToI sprzężonego falowodem. Co istotne, uzyskana przez nas wartość współczynnika Q jest znacznie wyższa niż w przypadku rezonatorów mikrodyskowych LToI sprzężonych światłowodowo [9].
Wniosek:Opracowaliśmy falowód LToI o tłumieniu 0,28 dB/cm przy 1550 nm i współczynniku dobroci rezonatora pierścieniowego wynoszącym 1,1 miliona. Uzyskana wydajność jest porównywalna z wydajnością najnowocześniejszych falowodów LNoI o niskich stratach. Dodatkowo, zbadaliśmy nieliniowość χ(3) wyprodukowanego falowodu LToI w zastosowaniach nieliniowych na chipie.
Czas publikacji: 20-11-2024