Abstract:Am dezvoltat un ghid de undă de tantalat de litiu pe bază de izolator de 1550 nm, cu o pierdere de 0,28 dB/cm și un factor de calitate a rezonatorului inel 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 χ(2) și χ(3), împreună cu o confinare optică puternică datorită structurii sale „izolatoare”, au condus la progrese semnificative în tehnologia ghidului de undă pentru ultrarapide. modulatori și fotonică neliniară integrată [1-3]. Pe lângă LN, tantalatul de litiu (LT) a fost investigat și ca material fotonic neliniar. În comparație 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 evidențiază ca un alt material candidat puternic pentru aplicații fotonice neliniare de mare putere optică. Mai mult, LToI devine un material primar pentru dispozitivele de filtrare cu unde acustice de suprafață (SAW), aplicabile în tehnologiile mobile și wireless de mare viteză. În acest context, napolitanele LToI pot 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 defazatoarele electro-optice [9]. În această lucrare, prezentăm un ghid de undă LToI cu pierderi reduse și aplicarea acestuia într-un rezonator inel. În plus, oferim caracteristicile neliniare χ(3) ale ghidului de undă LToI.
Puncte cheie:
• Oferind napolitane LToI de 4 inci până la 6 inchi, napolitane cu film subțire de tantat de litiu, cu grosimi ale stratului superior variind de la 100 nm la 1500 nm, utilizând tehnologia internă și procese mature.
• SINOI: Placi subțiri cu nitrură de siliciu cu pierderi foarte mici.
• SICOI: substraturi cu film subțire din carbură de siliciu semiizolante de înaltă puritate pentru circuite integrate fotonice cu carbură de siliciu.
• LTOI: Un concurent puternic al niobatului de litiu, napolitane de tantat de litiu cu peliculă subțire.
• LNOI: LNOI de 8 inchi care sprijină producția în masă de produse cu niobat de litiu cu peliculă subțire la scară mai mare.
Fabricare pe ghiduri de undă izolatoare:În acest studiu, am folosit napolitane LToI de 4 inci. Stratul superior LT este un substrat LT rotit cu Y-cut la 42° pentru dispozitivele SAW, care este lipit direct de un substrat Si cu un strat de oxid termic grosime de 3 µm, utilizând un proces inteligent de tăiere. Figura 1(a) prezintă o vedere de sus a plachetei LToI, cu grosimea stratului superior LT de 200 nm. Am evaluat rugozitatea suprafeței stratului superior LT utilizând microscopia cu forță atomică (AFM).
Figura 1.(a) Vedere de sus a plachetei LToI, (b) Imagine AFM a suprafeței stratului superior LT, (c) Imagine PFM a suprafeței stratului superior LT, (d) Secțiune transversală schematică a ghidului de undă LToI, (e) Profilul modului TE fundamental calculat și (f) imaginea SEM a miezului ghidului de undă LToI înainte de depunerea stratului de SiO2. După cum se arată în Figura 1 (b), rugozitatea suprafeței este mai mică de 1 nm și nu au fost observate linii de zgârietură. În plus, am examinat starea de polarizare a stratului superior LT utilizând microscopia cu forță de răspuns piezoelectrică (PFM), așa cum este prezentat în Figura 1 (c). Am confirmat că polarizarea uniformă a fost menținută chiar și după procesul de legare.
Folosind acest substrat LToI, am fabricat ghidul de undă după cum urmează. Mai întâi, a fost depus un strat de mască de metal pentru gravarea uscată ulterioară a LT. Apoi, litografia cu fascicul de electroni (EB) a fost efectuată pentru a defini modelul miezului ghidului de undă deasupra stratului de mască de metal. Apoi, am transferat modelul de rezistență EB pe stratul de mască de metal prin gravare uscată. Ulterior, miezul ghidului de undă LToI a fost format utilizând gravarea cu plasmă prin rezonanță electron cyclotron (ECR). În cele din urmă, stratul de mască de metal a fost îndepărtat printr-un proces umed și un strat de SiO2 a fost depus utilizând depunerea chimică de vapori îmbunătățită cu plasmă. Figura 1 (d) arată 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) afișează distribuția calculată a intensității optice a modului electric transversal fundamental (TE) la 1550 nm. Figura 1 (f) arată imaginea microscopului electronic cu scanare (SEM) a miezului ghidului de undă LToI înainte de depunerea stratului de SiO2.
Caracteristicile ghidului de undă:Am evaluat mai întâi caracteristicile pierderii liniare introducând 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 diferite. 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 mici cu ghidurile de undă LNoI de ultimă generație [10].
Apoi, am evaluat neliniaritatea χ(3) prin conversia lungimii de undă generată de un proces de amestecare cu patru unde. Introducem o lumină cu 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. Așa cum se arată în Figura 2 (b), intensitatea semnalului undei luminoase conjugate în fază (inactiv) a crescut odată cu creșterea puterii de intrare. Insertul din Figura 2 (b) arată spectrul de ieșire tipic al amestecării cu patru unde. Din relația dintre puterea de intrare și eficiența conversiei, am estimat parametrul neliniar (γ) la aproximativ 11 W^-1m.
Figura 3.(a) Imaginea la microscop a rezonatorului inel fabricat. (b) Spectrele de transmisie ale rezonatorului inel cu diverși parametri de gol. (c) Spectrul de transmisie măsurat și montat Lorentzian al rezonatorului inel, cu un spațiu de 1000 nm.
Apoi, am fabricat un rezonator inel LToI și i-am evaluat caracteristicile. Figura 3 (a) prezintă imaginea microscopului optic a rezonatorului inel fabricat. Rezonatorul inel are o configurație de „pistă de curse”, constând dintr-o regiune curbă cu o rază de 100 µm și o regiune dreaptă de 100 µm lungime. 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 gol, indicând faptul că raportul de extincție se modifică odată cu dimensiunea intervalului. Din aceste spectre, am stabilit că decalajul 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 liniar cu o curbă Lorentzian, 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 inel LToI cuplat cu ghid de undă. În mod remarcabil, valoarea factorului Q pe care am obținut-o 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 inel de 1,1 milioane. Performanța obținută este comparabilă cu cea a ghidurilor de undă LNoI de ultimă generație cu pierderi reduse. În plus, am investigat neliniaritatea χ(3) a ghidului de undă LToI fabricat pentru aplicații neliniare pe cip.
Ora postării: 20-nov-2024