Abstrakcyjny:Opracowaliśmy falowód z tantalanu litu na bazie izolatora 1550 nm, charakteryzujący się stratą 0,28 dB/cm i współczynnikiem jakości rezonatora pierścieniowego wynoszącym 1,1 miliona. Badano 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 zamknięciem optycznym dzięki strukturze „na izolatorze”, doprowadziły do znacznego postępu w technologii falowodów do ultraszybkiego modulatory i zintegrowana fotonika nieliniowa [1-3]. Oprócz LN badano także tantalan litu (LT) jako nieliniowy materiał fotoniczny. W porównaniu do LN, LT ma wyższy próg uszkodzenia optycznego i szersze okno przezroczystości optycznej [4, 5], chociaż jego parametry optyczne, takie jak współczynnik załamania światła i współczynniki nieliniowe, są podobne do LN [6, 7]. Zatem LToI wyróżnia się jako kolejny mocny materiał kandydata do nieliniowych zastosowań fotonicznych o dużej mocy optycznej. Co więcej, LToI staje się podstawowym materiałem na urządzenia filtrujące powierzchniowe fale akustyczne (SAW), mające zastosowanie w szybkich technologiach mobilnych i bezprzewodowych. W tym kontekście płytki LToI mogą stać się bardziej powszechnymi materiałami do zastosowań fotonicznych. Jednak do chwili obecnej opisano tylko kilka urządzeń fotonicznych opartych na LToI, takich jak rezonatory mikrodyskowe [8] i elektrooptyczne przesuwniki fazowe [9]. W artykule przedstawiono niskostratny falowód LToI i jego zastosowanie w rezonatorze pierścieniowym. Dodatkowo zapewniamy nieliniową charakterystykę χ(3) falowodu LToI.
Kluczowe punkty:
• Oferowanie płytek LToI o średnicy od 4 do 6 cali, cienkowarstwowych płytek z tantalanu litu, o grubościach górnej warstwy w zakresie od 100 nm do 1500 nm, z wykorzystaniem krajowej technologii i dojrzałych procesów.
• SINOI: Cienkowarstwowe płytki z azotku krzemu o bardzo niskiej stracie.
• SICOI: Półizolacyjne, cienkowarstwowe podłoża z węglika krzemu o wysokiej czystości do fotonicznych układów scalonych z węglika krzemu.
• LTOI: Silny konkurent niobianu litu, cienkowarstwowych płytek tantalanu litu.
• LNOI: 8-calowy LNOI wspierający masową produkcję cienkowarstwowych produktów z niobianu litu na większą skalę.
Produkcja na falowodach izolacyjnych:W tym badaniu wykorzystaliśmy 4-calowe płytki LToI. Górna warstwa LT to dostępne w handlu podłoże LT z nacięciem w kształcie litery Y, obrócone o 42°, do urządzeń SAW, które jest bezpośrednio połączone z podłożem Si za pomocą warstwy tlenku termicznego o grubości 3 µm, przy wykorzystaniu inteligentnego procesu cięcia. Rysunek 1(a) przedstawia widok z góry płytki LToI, z górną warstwą LT o grubości 200 nm. Oceniliśmy chropowatość powierzchni górnej warstwy LT za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM).
Rysunek 1.(a) Widok płytki LToI z góry, (b) Obraz AFM powierzchni górnej warstwy LT, (c) Obraz PFM powierzchni górnej warstwy LT, (d) Schematyczny przekrój falowodu LToI, (e) Obliczony podstawowy profil trybu 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 piezoelektrycznej mikroskopii sił odpowiedzi (PFM), jak pokazano na rysunku 1 (c). Potwierdziliśmy, że jednolita polaryzacja została utrzymana nawet po procesie łączenia.
Używając tego podłoża LToI, wykonaliśmy falowód w następujący sposób. Najpierw osadzono metalową warstwę maski w celu późniejszego wytrawienia LT na sucho. Następnie przeprowadzono litografię wiązką elektronów (EB) w celu określenia wzoru rdzenia falowodu na wierzchu warstwy metalowej maski. Następnie przenieśliśmy wzór maski EB na warstwę metalowej maski za pomocą wytrawiania na sucho. Następnie uformowano rdzeń falowodu LToI za pomocą trawienia plazmowego metodą elektronowego rezonansu cyklotronowego (ECR). Na koniec warstwę metalowej maski usunięto w procesie mokrym i osadzono wierzchnią warstwę SiO2 za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą. Rysunek 1 (d) przedstawia schematyczny przekrój 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 przypadku sprzęgania światłowodu.
Rysunek 1 (e) przedstawia obliczony rozkład natężenia optycznego podstawowego poprzecznego trybu elektrycznego (TE) przy 1550 nm. Rysunek 1 (f) przedstawia obraz ze 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 emisji spontanicznej wzmocnionej o długości fali 1550 nm do falowodów LToI o różnych długościach. Stratę propagacyjną uzyskano z nachylenia zależności między długością falowodu a transmisją dla każdej długości fali. Zmierzone straty propagacyjne wyniosły 0,32, 0,28 i 0,26 dB/cm odpowiednio przy 1530, 1550 i 1570 nm, jak pokazano na rysunku 2 (a). Wyprodukowane falowody LToI wykazywały porównywalną wydajność przy niskich stratach z najnowocześniejszymi falowodami LNoI [10].
Następnie oceniliśmy nieliniowość χ(3) poprzez konwersję długości fali wygenerowaną w procesie mieszania czterofalowego. Do falowodu o długości 12 mm wprowadzamy światło pompy o fali ciągłej przy 1550,0 nm i światło sygnalizacyjne przy 1550,6 nm. Jak pokazano na rysunku 2 (b), intensywność sygnału fali świetlnej sprzężonej fazowo (koła jałowego) wzrastała wraz ze wzrostem mocy wejściowej. Wstawka na rysunku 2 (b) pokazuje typowe widmo wyjściowe mieszania czterofalowego. Na podstawie zależności pomiędzy mocą wejściową a wydajnością konwersji oszacowaliśmy, że parametr nieliniowy (γ) wynosi około 11 W^-1m.
Rysunek 3.(a) Obraz mikroskopowy wyprodukowanego rezonatora pierścieniowego. (b) Widma transmisyjne rezonatora pierścieniowego przy różnych parametrach szczeliny. (c) Zmierzone i dopasowane widmo transmisyjne rezonatora pierścieniowego z odstępem 1000 nm.
Następnie wyprodukowaliśmy rezonator pierścieniowy LToI i oceniliśmy jego charakterystykę. Rysunek 3 (a) przedstawia obraz z mikroskopu optycznego wyprodukowanego 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 pomiędzy pierścieniem a rdzeniem falowodu magistrali zmienia się w odstępach co 200 nm, w szczególności przy 800, 1000 i 1200 nm. Rysunek 3 (b) przedstawia widma transmisji dla każdej przerwy, wskazując, że współczynnik ekstynkcji zmienia się wraz z rozmiarem przerwy. Na podstawie tych widm ustaliliśmy, że przerwa 1000 nm zapewnia prawie krytyczne warunki sprzęgania, ponieważ wykazuje najwyższy współczynnik ekstynkcji wynoszący -26 dB.
Korzystając z rezonatora krytycznie sprzężonego, oszacowaliśmy współczynnik jakości (współczynnik Q), dopasowując liniowe widmo 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 z falowodem. Warto zauważyć, że uzyskana przez nas wartość współczynnika Q jest znacznie wyższa niż w przypadku rezonatorów mikrodyskowych LToI ze sprzężeniem światłowodowym [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, niskostratnych falowodów LNoI. Dodatkowo zbadaliśmy nieliniowość χ(3) wyprodukowanego falowodu LToI do zastosowań nieliniowych na chipie.
Czas publikacji: 20 listopada 2024 r