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 mutat, valamint erős optikai behatárolást a "szigetelő" szerkezetének köszönhetően, jelentős előrelépéshez vezettek az ultragyors hullámvezető technológiában. modulátorok és integrált nemlineáris fotonika [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) Számított alapvető TE módusprofil és (f) SEM kép az LToI hullámvezető magról SiO2 fedőréteg 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