Absztrakt:Kifejlesztettünk egy 1550 nm-es szigetelő alapú lítium-tantalát hullámvezetőt, amelynek vesztesége 0,28 dB/cm és gyűrűrezonátor minőségi tényezője 1,1 millió. Vizsgálták a χ(3) nemlinearitás alkalmazását a nemlineáris fotonikában. A lítium-niobát előnyei a szigetelőn (LNoI), amely kiváló χ(2) és χ(3) nemlineáris tulajdonságokat, valamint erős optikai behatárolást mutat az "insulator-on" szerkezetének köszönhetően, jelentős előrelépést eredményezett az ultragyors modulátorok és az integrált nemlineáris fotonika hullámvezető technológiájában [1-3]. Az LN mellett a lítium-tantalátot (LT) is vizsgálták nemlineáris fotonikus anyagként. Az LN-hez képest az LT-nek magasabb az optikai károsodási küszöbe és szélesebb az optikai átlátszósági ablaka [4, 5], bár optikai paraméterei, mint például a törésmutató és a nemlineáris együtthatók, hasonlóak az LN-éhez [6, 7]. Így az LToI egy másik erős jelölt anyag a nagy optikai teljesítményű nemlineáris fotonikus alkalmazásokhoz. Ezenkívül az LToI a felületi akusztikus hullámú (SAW) szűrőeszközök elsődleges anyagává válik, amely alkalmazható a nagy sebességű mobil- és vezeték nélküli technológiákban. Ebben az összefüggésben az LToI lapkák egyre gyakoribb anyagokká válhatnak a fotonikus alkalmazásokhoz. Mindeddig azonban csak néhány LToI-n alapuló fotonikus eszközről számoltak be, mint például a mikrolemez rezonátorok [8] és az elektrooptikai fázisváltók [9]. Ebben a cikkben egy kis veszteségű LToI hullámvezetőt és annak gyűrűrezonátorban való alkalmazását mutatjuk be. Ezenkívül megadjuk az LToI hullámvezető χ(3) nemlineáris karakterisztikáját.
Főbb pontok:
• Hazai technológiát és kiforrott eljárásokat alkalmazva 4-6 hüvelykes LToI szeleteket, vékonyrétegű lítium-tantalát lapokat kínál, 100 nm és 1500 nm közötti felső rétegvastagsággal.
• SINOI: Ultraalacsony veszteségű szilícium-nitrid vékonyrétegű lapkák.
• SICOI: Nagy tisztaságú félszigetelő szilícium-karbid vékonyréteg-hordozó szilícium-karbid fotonikus integrált áramkörökhöz.
• LTOI: Erős versenytársa a lítium-niobát vékonyrétegű lítium-tantalát lapkáknak.
• LNOI: 8 hüvelykes LNOI, amely támogatja a nagyobb méretű vékonyrétegű lítium-niobát termékek tömeggyártását.
Gyártás szigetelő hullámvezetőkön:Ebben a tanulmányban 4 hüvelykes LToI lapkákat használtunk. A felső LT réteg egy kereskedelmi forgalomban kapható, 42°-ban elforgatott Y-vágott LT hordozó SAW eszközökhöz, amely közvetlenül egy Si hordozóhoz van kötve 3 µm vastag termikus oxid réteggel, intelligens vágási eljárást alkalmazva. Az 1(a) ábra az LToI lapka felülnézetét mutatja, a felső LT réteg vastagsága 200 nm. A felső LT réteg felületi érdességét atomi erőmikroszkóppal (AFM) határoztuk meg.
1. ábra.(a) az LToI lapka felülnézete, (b) a felső LT réteg felületének AFM képe, (c) a felső LT réteg felületének PFM képe, (d) az LToI hullámvezető sematikus keresztmetszete, (e) a számított alapvető TE üzemmód profil és (f) az LToI hullámvezető mag feletti SEM képe SiO2 lerakódás előtt. Amint az 1(b) ábrán látható, a felületi érdesség kisebb, mint 1 nm, és nem figyeltek meg karcolási vonalakat. Ezenkívül megvizsgáltuk a felső LT-réteg polarizációs állapotát piezoelektromos válaszerő-mikroszkóppal (PFM), az 1. (c) ábrán látható módon. Megerősítettük, hogy az egyenletes polarizáció a kötési folyamat után is megmaradt.
Ezzel az LToI szubsztráttal a következőképpen készítettük el a hullámvezetőt. Először egy fém maszkréteget hordtunk fel az LT későbbi száraz maratásához. Ezután elektronsugaras (EB) litográfiát végeztek, hogy meghatározzák a hullámvezető magmintázatot a fémmaszk réteg tetején. Ezután az EB reziszt mintát száraz maratással vittük át a fémmaszk rétegre. Ezt követően elektronciklotron rezonancia (ECR) plazmamaratással kialakították az LToI hullámvezető magot. Végül a fémmaszk réteget nedves eljárással eltávolítottuk, és egy SiO2 fedőréteget vittünk fel plazmával javított kémiai gőzleválasztással. Az 1(d) ábra az LToI hullámvezető sematikus keresztmetszetét mutatja. A teljes magmagasság, a lemezmagasság és a magszélesség rendre 200 nm, 100 nm és 1000 nm. Vegye figyelembe, hogy a mag szélessége 3 µm-re tágul a hullámvezető szélén az optikai szál csatolásához.
Az 1(e) ábra az alapvető transzverzális elektromos (TE) üzemmód számított optikai intenzitáseloszlását mutatja 1550 nm-en. Az 1 (f) ábra az LToI hullámvezető mag pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képét mutatja a SiO2 fedőréteg lerakódása előtt.
A hullámvezető jellemzői:Először a lineáris veszteség jellemzőit úgy értékeltük, hogy egy 1550 nm-es hullámhosszú erősített spontán emissziós forrásból TE-polarizált fényt vittünk be különböző hosszúságú LToI hullámvezetőkbe. A terjedési veszteséget a hullámvezető hossza és az átvitel közötti összefüggés meredekségéből kaptuk minden hullámhosszon. A mért terjedési veszteség 0,32, 0,28 és 0,26 dB/cm volt 1530, 1550 és 1570 nm-en, amint azt a 2. ábra (a) mutatja. A gyártott LToI hullámvezetők a legkorszerűbb LNoI hullámvezetőkhöz hasonló alacsony veszteségű teljesítményt mutattak [10].
Ezt követően a χ(3) nemlinearitást a négyhullámú keverési folyamat által generált hullámhossz-konverzión keresztül értékeltük. Egy 12 mm hosszú hullámvezetőbe 1550,0 nm-en egy folyamatos hullámú pumpa fényt és 1550,6 nm-en egy jelzőfényt viszünk be. Amint a 2(b) ábrán látható, a fáziskonjugált (üresjárati) fényhullám jelintenzitása a bemeneti teljesítmény növekedésével nőtt. A 2(b) ábra betétje a négyhullámú keverés tipikus kimeneti spektrumát mutatja. A bemeneti teljesítmény és a konverziós hatásfok összefüggéséből a nemlineáris paramétert (γ) körülbelül 11 W^-1m-re becsültük.
3. ábra.(a) A gyártott gyűrűrezonátor mikroszkópos képe. (b) A gyűrűrezonátor átviteli spektrumai különböző résparaméterekkel. (c) A gyűrűrezonátor mért és Lorentzi-illesztett átviteli spektruma 1000 nm-es résszel.
Ezután elkészítettünk egy LToI gyűrűrezonátort, és értékeltük a jellemzőit. A 3(a) ábrán a gyártott gyűrűrezonátor optikai mikroszkópos képe látható. A gyűrűrezonátor „versenypálya” konfigurációval rendelkezik, amely egy 100 µm sugarú ívelt tartományból és egy 100 µm hosszúságú egyenes tartományból áll. A gyűrű és a busz hullámvezető magja közötti rés 200 nm-es lépésekben változik, különösen 800, 1000 és 1200 nm-en. A 3(b) ábra az egyes résekhez tartozó átviteli spektrumokat mutatja, jelezve, hogy az extinkciós arány a rés méretével változik. Ezekből a spektrumokból megállapítottuk, hogy az 1000 nm-es rés közel kritikus csatolási feltételeket biztosít, mivel ez mutatja a legmagasabb, -26 dB-es kioltási arányt.
A kritikusan csatolt rezonátor segítségével megbecsültük a minőségi tényezőt (Q-tényező) a lineáris átviteli spektrum Lorentzi-görbével való illesztésével, így 1,1 millió belső Q-tényezőt kaptunk, a 3. (c) ábrán látható módon. Tudomásunk szerint ez a hullámvezető-csatolt LToI gyűrűrezonátor első bemutatója. Figyelemre méltó, hogy az általunk elért Q faktor értéke szignifikánsan magasabb, mint a szálcsatolt LToI mikrolemez rezonátoroké [9].
Következtetés:Kifejlesztettünk egy LToI hullámvezetőt, amelynek vesztesége 1550 nm-en 0,28 dB/cm, és gyűrűrezonátor Q tényezője 1,1 millió. A kapott teljesítmény a legkorszerűbb, alacsony veszteségű LNoI hullámvezetőkéhez hasonlítható. Ezenkívül megvizsgáltuk a gyártott LToI hullámvezető χ(3) nemlinearitását a chipen lévő nemlineáris alkalmazásokhoz.
Feladás időpontja: 2024.11.20