Анотація:Ми розробили хвилевід із танталату літію на основі ізолятора 1550 нм із втратою 0,28 дБ/см і коефіцієнтом якості кільцевого резонатора 1,1 мільйона. Досліджено застосування нелінійності χ(3) в нелінійній фотоніці. Переваги ніобату літію на ізоляторі (LNoI), який демонструє чудові нелінійні властивості χ(2) і χ(3) разом із сильним оптичним обмеженням завдяки своїй структурі ізолятора, призвели до значних успіхів у хвилеводній технології для надшвидких модулятори та інтегральна нелінійна фотоніка [1-3]. На додаток до 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 потужний матеріал-кандидат для нелінійних фотонних застосувань з високою оптичною потужністю. Крім того, LToI стає основним матеріалом для пристроїв фільтрації поверхневих акустичних хвиль (SAW), які застосовуються у високошвидкісних мобільних і бездротових технологіях. У цьому контексті пластини LToI можуть стати більш поширеними матеріалами для фотонних застосувань. Проте, на сьогоднішній день було повідомлено 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 надаємо нелінійні характеристики χ(3) хвилеводу LToI.
Ключові моменти:
• Пропонуємо пластини LToI розміром від 4 до 6 дюймів, тонкоплівкові пластини з танталату літію, з товщиною верхнього шару від 100 нм до 1500 нм, з використанням вітчизняної технології та зрілих процесів.
• SINOI: тонкоплівкові пластини з наднизькими втратами нітриду кремнію.
• SICOI: високочисті напівізоляційні тонкоплівкові підкладки з карбіду кремнію для фотонних інтегральних схем з карбіду кремнію.
• LTOI: сильний конкурент ніобату літію, тонкоплівкові пластини танталату літію.
• LNOI: 8-дюймовий LNOI, що підтримує масове виробництво великомасштабних тонкоплівкових виробів з ніобату літію.
Виробництво на ізоляторних хвилеводах:У цьому дослідженні ми використовували 4-дюймові пластини LToI. Верхній шар LT — це комерційна підкладка LT з поворотом на 42° Y-cut для пристроїв SAW, яка безпосередньо з’єднана з підкладкою з кремнію термооксидним шаром товщиною 3 мкм із застосуванням інтелектуального процесу різання. На малюнку 1(a) показано вид зверху пластини LToI з товщиною верхнього шару LT 200 нм. Ми оцінили шорсткість поверхні верхнього шару LT за допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ).
малюнок 1.(a) Вид зверху пластини LToI, (b) AFM зображення поверхні верхнього шару LT, (c) PFM зображення поверхні верхнього шару LT, (d) Схематичний поперечний переріз хвилеводу LToI, (e) Розрахований фундаментальний профіль моди TE та (f) SEM зображення серцевини хвилеводу LToI перед осадженням накладного шару SiO2. Як показано на малюнку 1 (b), шорсткість поверхні становить менше 1 нм, і подряпини не спостерігаються. Крім того, ми перевірили стан поляризації верхнього шару LT за допомогою мікроскопії сил п’єзоелектричного відгуку (PFM), як показано на малюнку 1 (c). Ми підтвердили, що рівномірна поляризація зберігалася навіть після процесу з’єднання.
Використовуючи цю підкладку LToI, ми виготовили хвилевід наступним чином. Спочатку наносили шар металевої маски для подальшого сухого травлення LT. Потім була виконана електронно-променева (EB) літографія, щоб визначити структуру серцевини хвилеводу поверх шару металевої маски. Далі ми перенесли візерунок резиста EB на шар металевої маски за допомогою сухого травлення. Після цього серцевина хвилеводу LToI була сформована за допомогою плазмового травлення електронно-циклотронного резонансу (ECR). Нарешті, шар металевої маски було видалено за допомогою мокрого процесу, і поверхневий шар SiO2 було нанесено за допомогою плазмового хімічного осадження з парової фази. На малюнку 1 (d) показано схематичний поперечний переріз хвилеводу LToI. Загальна висота ядра, висота пластини та ширина ядра становлять 200 нм, 100 нм та 1000 нм відповідно. Зауважте, що ширина серцевини розширюється до 3 мкм на краю хвилеводу для з’єднання оптичного волокна.
На малюнку 1 (e) показано розрахований розподіл оптичної інтенсивності основної поперечної електричної (ТЕ) моди при 1550 нм. На малюнку 1 (f) показано зображення серцевини хвилеводу LToI перед осадженням шару SiO2, отримане скануючим електронним мікроскопом (SEM).
Характеристики хвилеводу:Спочатку ми оцінили лінійні характеристики втрат, вводячи TE-поляризоване світло від джерела спонтанного випромінювання з довжиною хвилі 1550 нм у хвилеводи LToI різної довжини. Втрати при розповсюдженні були отримані з нахилу співвідношення між довжиною хвилеводу та пропусканням на кожній довжині хвилі. Виміряні втрати при розповсюдженні становили 0,32, 0,28 і 0,26 дБ/см при 1530, 1550 і 1570 нм відповідно, як показано на малюнку 2 (а). Виготовлені хвилеводи LToI показали характеристики низьких втрат, порівнянні з сучасними хвилеводами LNoI [10].
Далі ми оцінили нелінійність χ(3) через перетворення довжини хвилі, створене процесом чотирихвильового змішування. Ми вводимо світло безперервної хвилі накачування на 1550,0 нм і сигнальне світло на 1550,6 нм у хвилевід довжиною 12 мм. Як показано на малюнку 2 (b), інтенсивність сигналу світлової хвилі зі спряженим фазою (холостого ходу) зростала зі збільшенням вхідної потужності. Вставка на малюнку 2 (b) показує типовий вихідний спектр чотирихвильового змішування. Виходячи зі співвідношення між вхідною потужністю та ефективністю перетворення, ми оцінили нелінійний параметр (γ) приблизно в 11 Вт^-1м.
малюнок 3.(a) Мікроскопічне зображення виготовленого кільцевого резонатора. (б) Спектри пропускання кільцевого резонатора з різними параметрами зазору. (c) Виміряний та підігнаний за Лоренцем спектр пропускання кільцевого резонатора з проміжком 1000 нм.
Далі ми виготовили кільцевий резонатор LToI та оцінили його характеристики. На малюнку 3 (а) показано зображення виготовленого кільцевого резонатора, отримане під оптичним мікроскопом. Кільцевий резонатор має конфігурацію «іподром», що складається з вигнутої області радіусом 100 мкм і прямої області довжиною 100 мкм. Ширина зазору між кільцем і серцевиною хвилеводу шини змінюється з кроком 200 нм, зокрема на 800, 1000 і 1200 нм. На малюнку 3 (b) показано спектри пропускання для кожного проміжку, вказуючи, що коефіцієнт екстинкції змінюється з розміром проміжку. З цих спектрів ми визначили, що проміжок 1000 нм забезпечує майже критичні умови зв’язку, оскільки він демонструє найвищий коефіцієнт екстинкції -26 дБ.
Використовуючи резонатор із критичним зв’язком, ми оцінили добротність (добротність), підігнавши лінійний спектр пропускання за допомогою кривої Лоренца, отримавши внутрішню добротність 1,1 мільйона, як показано на малюнку 3 (c). Наскільки нам відомо, це перша демонстрація кільцевого резонатора LToI, пов’язаного з хвилеводом. Слід зазначити, що досягнуте нами значення добротності значно вище, ніж у волоконно-зв’язаних мікродискових резонаторів LToI [9].
Висновок:Ми розробили хвилевід LToI з втратою 0,28 дБ/см на 1550 нм і добротністю кільцевого резонатора 1,1 мільйона. Отримані характеристики можна порівняти з характеристиками найсучасніших хвилеводів LNoI з низькими втратами. Крім того, ми дослідили нелінійність χ(3) виготовленого хвилеводу LToI для нелінійних додатків на кристалі.
Час публікації: 20 листопада 2024 р