Анотація:Ми розробили хвилевід на основі ізолятора з танталату літію з довжиною хвилі 1550 нм, втратами 0,28 дБ/см та коефіцієнтом якості кільцевого резонатора 1,1 мільйона. Було досліджено застосування нелінійності χ(3) у нелінійній фотоніці. Переваги ніобату літію на ізоляторі (LNoI), який демонструє чудові нелінійні властивості χ(2) та χ(3) разом із сильним оптичним обмеженням завдяки своїй структурі "ізолятор на", призвели до значного прогресу в технології хвилеводів для надшвидких модуляторів та інтегрованої нелінійної фотоніки [1-3]. Окрім LN, танталат літію (LT) також досліджувався як нелінійний фотонний матеріал. Порівняно з LN, LT має вищий поріг оптичного пошкодження та ширше вікно оптичної прозорості [4, 5], хоча його оптичні параметри, такі як показник заломлення та нелінійні коефіцієнти, подібні до параметрів LN [6, 7]. Таким чином, LToI виділяється як ще один сильний кандидат для застосування в нелінійній фотоніці з високою оптичною потужністю. Більше того, LToI стає основним матеріалом для фільтруючих пристроїв на поверхневих акустичних хвилях (SAW), що застосовуються у високошвидкісних мобільних та бездротових технологіях. У цьому контексті пластини LToI можуть стати більш поширеними матеріалами для фотонних застосувань. Однак на сьогоднішній день повідомлялося лише про кілька фотонних пристроїв на основі LToI, таких як мікродискові резонатори [8] та електрооптичні фазообертачі [9]. У цій статті ми представляємо хвилевід LToI з низькими втратами та його застосування в кільцевому резонаторі. Крім того, ми наводимо нелінійні характеристики χ(3) хвилеводу LToI.
Ключові моменти:
• Пропонуємо пластини LToI розміром від 4 до 6 дюймів, тонкоплівкові пластини танталату літію, з товщиною верхнього шару від 100 нм до 1500 нм, з використанням вітчизняних технологій та передових процесів.
• SINOI: Тонкоплівкові пластини з нітриду кремнію з наднизькими втратами.
• SICOI: Високочисті напівізолюючі тонкоплівкові підкладки з карбіду кремнію для фотонних інтегральних схем на основі карбіду кремнію.
• LTOI: Сильний конкурент ніобату літію, тонкоплівкові пластини танталату літію.
• LNOI: 8-дюймовий LNOI, що підтримує масове виробництво великомасштабних тонкоплівкових продуктів з ніобату літію.
Виготовлення на ізоляторних хвилеводах:У цьому дослідженні ми використовували 4-дюймові пластини LToI. Верхній шар LT являє собою комерційну повернуту на 42° Y-подібну підкладку LT для пристроїв SAW, яка безпосередньо з'єднана з кремнієвою підкладкою за допомогою термічного оксидного шару товщиною 3 мкм з використанням інтелектуального процесу різання. На рисунку 1(a) показано вигляд зверху пластини LToI з товщиною верхнього шару LT 200 нм. Ми оцінили шорсткість поверхні верхнього шару LT за допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ).
Рисунок 1.(a) Вигляд зверху пластини LToI, (b) АСМ-зображення поверхні верхнього шару LT, (c) ПЗМ-зображення поверхні верхнього шару LT, (d) Схематичний поперечний переріз хвилеводу LToI, (e) Розрахований профіль основної TE-моди та (f) СЕМ-зображення серцевини хвилеводу LToI перед нанесенням шару SiO2. Як показано на рисунку 1 (b), шорсткість поверхні менше 1 нм, і ліній подряпин не спостерігалося. Крім того, ми дослідили стан поляризації верхнього шару LT за допомогою п'єзоелектричної мікроскопії відгуку (ПЗМ), як зображено на рисунку 1 (c). Ми підтвердили, що рівномірна поляризація зберігалася навіть після процесу склеювання.
Використовуючи цю підложку LToI, ми виготовили хвилевід наступним чином. Спочатку було нанесено шар металевої маски для подальшого сухого травлення LT. Потім було виконано електронно-променеву (EB) літографію для визначення малюнка серцевини хвилеводу поверх шару металевої маски. Далі ми перенесли малюнок резиста EB на шар металевої маски за допомогою сухого травлення. Після цього серцевина хвилеводу LToI була сформована за допомогою плазмового травлення методом електронно-циклотронного резонансу (ECR). Нарешті, шар металевої маски був видалений мокрим способом, а верхній шар SiO2 був нанесений за допомогою плазмохімічного осадження з парової фази. На рисунку 1 (d) показано схематичний поперечний переріз хвилеводу LToI. Загальна висота серцевини, висота пластини та ширина серцевини становлять 200 нм, 100 нм та 1000 нм відповідно. Зверніть увагу, що ширина серцевини розширюється до 3 мкм на краю хвилеводу для з'єднання оптичного волокна.
На рисунку 1 (e) показано розрахований розподіл оптичної інтенсивності основної поперечної електричної (TE) моди при 1550 нм. На рисунку 1 (f) показано зображення серцевини хвилеводу LToI, отримане за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM), перед нанесенням шару SiO2.
Характеристики хвилеводу:Спочатку ми оцінили характеристики лінійних втрат, подаючи ТЕ-поляризоване світло від джерела спонтанного випромінювання з посиленням на довжині хвилі 1550 нм у хвилеводи LToI різної довжини. Втрати на поширення були отримані з нахилу залежності між довжиною хвилеводу та пропусканням на кожній довжині хвилі. Виміряні втрати на поширення становили 0,32, 0,28 та 0,26 дБ/см при 1530, 1550 та 1570 нм відповідно, як показано на рисунку 2 (а). Виготовлені хвилеводи LToI продемонстрували порівнянні низькі втрати з сучасними хвилеводами LNoI [10].
Далі ми оцінили нелінійність χ(3) за допомогою перетворення довжини хвилі, згенерованого процесом чотирихвильового змішування. Ми ввели світло безперервної накачування з довжиною хвилі 1550,0 нм та сигнальне світло з довжиною хвилі 1550,6 нм у хвилевід довжиною 12 мм. Як показано на рисунку 2 (b), інтенсивність сигналу фазово-спряженої (холостої) світлової хвилі зростала зі збільшенням вхідної потужності. Вставка на рисунку 2 (b) показує типовий вихідний спектр чотирихвильового змішування. Виходячи зі співвідношення між вхідною потужністю та ефективністю перетворення, ми оцінили нелінійний параметр (γ) приблизно на рівні 11 Вт^-1м.
Рисунок 3.(a) Мікроскопічне зображення виготовленого кільцевого резонатора. (b) Спектри пропускання кільцевого резонатора з різними параметрами зазору. (c) Виміряний та апроксимований за Лоренцем спектр пропускання кільцевого резонатора з зазором 1000 нм.
Далі ми виготовили кільцевий резонатор LToI та оцінили його характеристики. На рисунку 3 (а) показано зображення виготовленого кільцевого резонатора, отримане за допомогою оптичного мікроскопа. Кільцевий резонатор має конфігурацію "гоночної доріжки", що складається з криволінійної області радіусом 100 мкм та прямої області довжиною 100 мкм. Ширина зазору між кільцем та серцевиною шинного хвилеводу змінюється з кроком 200 нм, зокрема, на 800, 1000 та 1200 нм. На рисунку 3 (b) показано спектри пропускання для кожного зазору, що вказує на зміну коефіцієнта згасання з розміром зазору. З цих спектрів ми визначили, що зазор 1000 нм забезпечує майже критичні умови зв'язку, оскільки він демонструє найвищий коефіцієнт згасання -26 дБ.
Використовуючи критично зв'язаний резонатор, ми оцінили коефіцієнт якості (Q-фактор) шляхом апроксимації лінійного спектру пропускання кривою Лоренца, отримавши внутрішній Q-фактор 1,1 мільйона, як показано на рисунку 3 (c). Наскільки нам відомо, це перша демонстрація кільцевого резонатора LToI, зв'язаного з хвилеводом. Примітно, що досягнуте нами значення Q-фактора значно вище, ніж у мікродискових резонаторів LToI, зв'язаних з волоконним волокном [9].
Висновок:Ми розробили хвилевід LToI з втратами 0,28 дБ/см при 1550 нм та добротністю кільцевого резонатора 1,1 мільйона. Отримані характеристики порівнянні з характеристиками сучасних хвилеводів LNoI з низькими втратами. Крім того, ми дослідили нелінійність χ(3) виготовленого хвилеводу LToI для нелінійних застосувань на кристалі.
Час публікації: 20 листопада 2024 р.