Abstrakcyjny:Opracowaliśmy falowód 1550 nm na bazie izolatora z tantalanu litu ze stratą 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 wykazuje doskonałe właściwości nieliniowe χ(2) i χ(3) wraz z silnym ograniczeniem optycznym dzięki swojej strukturze „izolator-na”, doprowadziły do znacznych postępów w technologii falowodów dla ultrakrótkich modulatorów i zintegrowanej fotoniki nieliniowej [1-3]. Oprócz LN, tantalan litu (LT) został również zbadany 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]. Tak więc LToI wyróżnia się jako kolejny mocny materiał kandydacki do nieliniowych zastosowań fotonicznych o dużej mocy optycznej. Ponadto LToI staje się podstawowym materiałem dla urządzeń filtrujących powierzchniową falę akustyczną (SAW), stosowanych w szybkich technologiach mobilnych i bezprzewodowych. W tym kontekście wafle LToI mogą stać się bardziej powszechnymi materiałami do zastosowań fotonicznych. Jednak do tej pory zgłoszono 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 stracie i jego zastosowanie w rezonatorze pierścieniowym. Ponadto 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 górnej warstwy 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 niobianu litu, cienkowarstwowe wafle z tantalanu litu.
• LNOI: 8-calowy LNOI wspomagający masową produkcję większych cienkowarstwowych produktów z niobianu litu.
Produkcja na izolatorach falowodowych:W tym badaniu wykorzystaliśmy 4-calowe wafle LToI. Górna warstwa LT to komercyjny, obrócony o 42° Y-cut substrat LT dla urządzeń SAW, który jest bezpośrednio połączony z podłożem Si z 3 µm grubości warstwy tlenku termicznego, wykorzystując inteligentny proces cięcia. Rysunek 1(a) przedstawia widok z góry wafla LToI, przy czym grubość górnej warstwy LT wynosi 200 nm. Oceniliśmy chropowatość powierzchni górnej warstwy LT 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 falowodu LToI, (e) Obliczony profil podstawowego trybu TE i (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 wiązania.
Używając tego podłoża LToI, wykonaliśmy falowód w następujący sposób. Najpierw osadzono warstwę maski metalowej w celu późniejszego wytrawiania na sucho LT. 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 za pomocą wytrawiania na sucho. Następnie rdzeń falowodu LToI uformowano za pomocą trawienia plazmowego rezonansu cyklotronowego elektronów (ECR). Na koniec usunięto warstwę maski metalowej za pomocą procesu mokrego, a warstwę wierzchnią SiO2 osadzono za pomocą 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 rozszerza się do 3 µm na krawędzi falowodu w celu sprzężenia światłowodów.
Rysunek 1 (e) przedstawia obliczony rozkład intensywności optycznej podstawowego poprzecznego trybu elektrycznego (TE) przy 1550 nm. Rysunek 1 (f) przedstawia obraz skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) rdzenia falowodu LToI przed osadzeniem warstwy wierzchniej SiO2.
Charakterystyka falowodu:Najpierw oceniliśmy charakterystykę strat liniowych, wprowadzając światło spolaryzowane TE ze źródła spontanicznej emisji wzmocnionego o długości fali 1550 nm do falowodów LToI o różnej długości. Stratę propagacyjną uzyskano ze zbocza zależności między długością falowodu a transmisją przy każdej długości fali. Zmierzone straty propagacyjne wyniosły odpowiednio 0,32, 0,28 i 0,26 dB/cm przy 1530, 1550 i 1570 nm, jak pokazano na rysunku 2 (a). Wytworzone falowody LToI wykazały porównywalną wydajność niskich strat do najnowocześniejszych falowodów LNoI [10].
Następnie oceniliśmy nieliniowość χ(3) poprzez konwersję długości fali wygenerowaną przez czterofalowy proces mieszania. Wprowadzamy światło pompy fali ciągłej o długości 1550,0 nm i światło sygnałowe o długości 1550,6 nm do 12-milimetrowego falowodu. Jak pokazano na rysunku 2 (b), intensywność sygnału fali świetlnej sprzężonej fazowo (bezwładnej) wzrastała wraz ze wzrostem mocy wejściowej. Wstawka na rysunku 2 (b) pokazuje typowe widmo wyjściowe czterofalowego mieszania. Na podstawie zależności między mocą wejściową a wydajnością konwersji oszacowaliśmy, że parametr nieliniowy (γ) wynosi około 11 W^-1m.
Rysunek 3.(a) Obraz mikroskopowy wykonanego rezonatora pierścieniowego. (b) Widmo transmisji rezonatora pierścieniowego przy różnych parametrach szczeliny. (c) Zmierzone i dopasowane do równania Lorentza widmo transmisji rezonatora pierścieniowego przy szczelinie 1000 nm.
Następnie wykonaliśmy rezonator pierścieniowy LToI i oceniliśmy jego charakterystykę. Rysunek 3 (a) przedstawia obraz mikroskopu optycznego wykonanego rezonatora pierścieniowego. Rezonator pierścieniowy ma konfigurację „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 w odstępach co 200 nm, konkretnie przy 800, 1000 i 1200 nm. Rysunek 3 (b) przedstawia widma transmisji dla każdej szczeliny, wskazując, że współczynnik wygaszania zmienia się wraz z rozmiarem szczeliny. Na podstawie tych widm ustaliliśmy, że szczelina 1000 nm zapewnia niemal krytyczne warunki sprzężenia, ponieważ wykazuje najwyższy współczynnik wygaszania -26 dB.
Wykorzystując krytycznie sprzężony rezonator, 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 godne uwagi, uzyskana przez nas wartość współczynnika Q jest znacznie wyższa niż w przypadku rezonatorów mikrodyskowych LToI sprzężonych światłowodem [9].
Wniosek:Opracowaliśmy falowód LToI ze stratą 0,28 dB/cm przy 1550 nm i współczynnikiem Q rezonatora pierścieniowego wynoszącym 1,1 miliona. Uzyskana wydajność jest porównywalna z wydajnością najnowocześniejszych falowodów LNoI o niskiej stracie. Dodatkowo zbadaliśmy nieliniowość χ(3) wyprodukowanego falowodu LToI dla nieliniowych zastosowań na chipie.
Czas publikacji: 20-11-2024