Abstract:Am dezvoltat un ghid de undă cu tantalat de litiu pe bază de izolator de 1550 nm, cu o pierdere de 0,28 dB/cm și un factor de calitate al rezonatorului inelar de 1,1 milioane. A fost studiată aplicarea neliniarității χ(3) în fotonica neliniară. Avantajele niobatului de litiu pe izolator (LNoI), care prezintă proprietăți neliniare excelente de χ(2) și χ(3), împreună cu o confinare optică puternică datorită structurii sale „izolator-pe”, au condus la progrese semnificative în tehnologia ghidurilor de undă pentru modulatori ultrarapizi și fotonică neliniară integrată [1-3]. Pe lângă LN, tantalatul de litiu (LT) a fost, de asemenea, investigat ca material fotonic neliniar. Comparativ cu LN, LT are un prag de deteriorare optică mai mare și o fereastră de transparență optică mai largă [4, 5], deși parametrii săi optici, cum ar fi indicele de refracție și coeficienții neliniari, sunt similari cu cei ai LN [6, 7]. Astfel, LToI se remarcă ca un alt material candidat puternic pentru aplicații fotonice neliniare de mare putere optică. Mai mult, LToI devine un material principal pentru dispozitivele de filtrare a undelor acustice de suprafață (SAW), aplicabile în tehnologiile mobile și wireless de mare viteză. În acest context, napolitanele LToI ar putea deveni materiale mai comune pentru aplicații fotonice. Cu toate acestea, până în prezent, au fost raportate doar câteva dispozitive fotonice bazate pe LToI, cum ar fi rezonatoarele cu microdisc [8] și schimbătoarele de fază electro-optice [9]. În această lucrare, prezentăm un ghid de undă LToI cu pierderi reduse și aplicarea sa într-un rezonator inelar. În plus, oferim caracteristicile neliniare χ(3) ale ghidului de undă LToI.
Puncte cheie:
• Oferim napolitane LToI de la 4 inch la 6 inch, napolitane cu peliculă subțire de tantalat de litiu, cu grosimi ale stratului superior cuprinse între 100 nm și 1500 nm, utilizând tehnologie internă și procese mature.
• SINOI: Napolitane cu peliculă subțire de nitrură de siliciu cu pierderi ultra-scăzute.
• SICOI: Substraturi cu peliculă subțire din carbură de siliciu semiizolante de înaltă puritate pentru circuite integrate fotonice din carbură de siliciu.
• LTOI: Un concurent puternic pentru niobatul de litiu, napolitanele cu peliculă subțire de tantalat de litiu.
• LNOI: LNOI de 8 inci care susține producția în masă de produse de niobat de litiu cu peliculă subțire la scară largă.
Fabricație pe ghiduri de undă izolatoare:În acest studiu, am utilizat napolitane LToI de 4 inci. Stratul LT superior este un substrat LT comercial, tăiat în Y, rotat la 42°, pentru dispozitive SAW, care este lipit direct de un substrat de Si cu un strat de oxid termic cu grosimea de 3 µm, utilizând un proces inteligent de tăiere. Figura 1(a) prezintă o vedere de sus a napolitanei LToI, cu grosimea stratului LT superior de 200 nm. Am evaluat rugozitatea suprafeței stratului LT superior folosind microscopia cu forță atomică (AFM).
Figura 1.(a) Vedere de sus a plachetei LToI, (b) Imagine AFM a suprafeței stratului LT superior, (c) Imagine PFM a suprafeței stratului LT superior, (d) Secțiune transversală schematică a ghidului de undă LToI, (e) Profilul modului TE fundamental calculat și (f) Imagine SEM a miezului ghidului de undă LToI înainte de depunerea stratului suprapus de SiO2. După cum se arată în Figura 1 (b), rugozitatea suprafeței este mai mică de 1 nm și nu s-au observat linii de zgârietură. În plus, am examinat starea de polarizare a stratului LT superior folosind microscopia piezoelectrică cu forță de răspuns (PFM), așa cum este prezentat în Figura 1 (c). Am confirmat că polarizarea uniformă a fost menținută chiar și după procesul de lipire.
Folosind acest substrat LToI, am fabricat ghidul de undă după cum urmează. Mai întâi, a fost depus un strat de mască metalică pentru gravarea uscată ulterioară a LT. Apoi, a fost efectuată litografia cu fascicul de electroni (EB) pentru a defini modelul miezului ghidului de undă deasupra stratului de mască metalică. În continuare, am transferat modelul de rezist EB pe stratul de mască metalică prin gravare uscată. Ulterior, miezul ghidului de undă LToI a fost format folosind gravarea cu plasmă prin rezonanță ciclotronică electronică (ECR). În cele din urmă, stratul de mască metalică a fost îndepărtat printr-un proces umed, iar un strat suprapus de SiO2 a fost depus folosind depunere chimică de vapori asistată de plasmă. Figura 1 (d) prezintă secțiunea transversală schematică a ghidului de undă LToI. Înălțimea totală a miezului, înălțimea plăcii și lățimea miezului sunt de 200 nm, 100 nm și respectiv 1000 nm. Rețineți că lățimea miezului se extinde la 3 µm la marginea ghidului de undă pentru cuplarea fibrei optice.
Figura 1 (e) prezintă distribuția calculată a intensității optice a modului electric transversal fundamental (TE) la 1550 nm. Figura 1 (f) prezintă imaginea obținută la microscopul electronic cu scanare (SEM) a miezului ghidului de undă LToI înainte de depunerea stratului suprapus de SiO2.
Caracteristicile ghidului de undă:Am evaluat mai întâi caracteristicile pierderilor liniare prin introducerea de lumină polarizată TE de la o sursă de emisie spontană amplificată cu lungimea de undă de 1550 nm în ghiduri de undă LToI de lungimi variabile. Pierderea de propagare a fost obținută din panta relației dintre lungimea ghidului de undă și transmisie la fiecare lungime de undă. Pierderile de propagare măsurate au fost de 0,32, 0,28 și 0,26 dB/cm la 1530, 1550 și respectiv 1570 nm, așa cum se arată în Figura 2 (a). Ghidurile de undă LToI fabricate au prezentat performanțe comparabile cu pierderi reduse cu ghidurile de undă LNoI de ultimă generație [10].
În continuare, am evaluat neliniaritatea χ(3) prin conversia lungimii de undă generată de un proces de amestecare în patru unde. Am introdus o lumină de pompă cu undă continuă la 1550,0 nm și o lumină de semnal la 1550,6 nm într-un ghid de undă lung de 12 mm. După cum se arată în Figura 2 (b), intensitatea semnalului de lumină conjugată în fază (idler) a crescut odată cu creșterea puterii de intrare. Inserția din Figura 2 (b) prezintă spectrul tipic de ieșire al amestecării în patru unde. Din relația dintre puterea de intrare și eficiența conversiei, am estimat parametrul neliniar (γ) la aproximativ 11 W^-1m.
Figura 3.(a) Imagine la microscop a rezonatorului inelar fabricat. (b) Spectrele de transmisie ale rezonatorului inelar cu diverși parametri de gap. (c) Spectrul de transmisie măsurat și ajustat cu metoda Lorentzian al rezonatorului inelar cu un gap de 1000 nm.
În continuare, am fabricat un rezonator inelar LToI și i-am evaluat caracteristicile. Figura 3 (a) prezintă imaginea la microscopul optic a rezonatorului inelar fabricat. Rezonatorul inelar prezintă o configurație de tip „pistă de curse”, constând dintr-o regiune curbată cu o rază de 100 µm și o regiune dreaptă cu o lungime de 100 µm. Lățimea spațiului dintre inel și miezul ghidului de undă al magistralei variază în trepte de 200 nm, în special la 800, 1000 și 1200 nm. Figura 3 (b) afișează spectrele de transmisie pentru fiecare spațiu, indicând faptul că raportul de extincție se modifică odată cu dimensiunea spațiului. Din aceste spectre, am stabilit că spațiul de 1000 nm oferă condiții de cuplare aproape critice, deoarece prezintă cel mai mare raport de extincție de -26 dB.
Folosind rezonatorul cuplat critic, am estimat factorul de calitate (factorul Q) prin potrivirea spectrului de transmisie liniară cu o curbă lorentziană, obținând un factor Q intern de 1,1 milioane, așa cum se arată în Figura 3 (c). Din câte știm, aceasta este prima demonstrație a unui rezonator inelar LToI cuplat cu ghid de undă. În mod notabil, valoarea factorului Q obținută este semnificativ mai mare decât cea a rezonatoarelor cu microdisc LToI cuplate cu fibră [9].
Concluzie:Am dezvoltat un ghid de undă LToI cu o pierdere de 0,28 dB/cm la 1550 nm și un factor Q al rezonatorului inelar de 1,1 milioane. Performanța obținută este comparabilă cu cea a ghidurilor de undă LNoI cu pierderi reduse de ultimă generație. În plus, am investigat neliniaritatea χ(3) a ghidului de undă LToI fabricat pentru aplicații neliniare on-chip.
Data publicării: 20 noiembrie 2024