Absztrakt:Kifejlesztettünk egy 1550 nm-es, szigetelő alapú lítium-tantalát hullámvezetőt, amelynek vesztesége 0,28 dB/cm, gyűrűrezonátor minőségi tényezője pedig 1,1 millió. Tanulmányoztuk a χ(3) nemlinearitás alkalmazását nemlineáris fotonikában. A lítium-niobát szigetelőn (LNoI) előnyei, amely kiváló χ(2) és χ(3) nemlineáris tulajdonságokkal, valamint a "szigetelőn lévő" szerkezetének köszönhetően erős optikai korlátozással rendelkezik, jelentős előrelépésekhez vezettek a hullámvezető technológiában az ultragyors modulátorok és az integrált nemlineáris fotonika területén [1-3]. Az LN mellett a lítium-tantalátot (LT) is vizsgálták nemlineáris fotonikus anyagként. Az LN-hez képest az LT magasabb optikai károsodási küszöbértékkel és szélesebb optikai átlátszósági ablakkal rendelkezik [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 jelöltanyag a nagy optikai teljesítményű nemlineáris fotonikai alkalmazásokhoz. Továbbá az LToI egyre inkább elsődleges anyaggá válik a felületi akusztikus hullám (SAW) szűrőeszközökben, amelyek nagysebességű mobil és vezeték nélküli technológiákban alkalmazhatók. Ebben az összefüggésben az LToI szeletek gyakoribb anyaggá válhatnak a fotonikus alkalmazásokban. Azonban a mai napig csak néhány LToI-n alapuló fotonikus eszközről számoltak be, mint például a mikrolemezes rezonátorok [8] és az elektrooptikai fázistolók [9]. Ebben a cikkben egy alacsony veszteségű LToI hullámvezetőt és annak alkalmazását mutatjuk be egy gyűrűrezonátorban. Ezenkívül ismertetjük az LToI hullámvezető χ(3) nemlineáris karakterisztikáját.
Főbb pontok:
• 4-6 hüvelykes LToI ostyákat, vékonyrétegű lítium-tantalát ostyákat kínál, 100 nm-től 1500 nm-ig terjedő fedőréteg-vastagsággal, hazai technológiát és kiforrott eljárásokat alkalmazva.
• SINOI: Ultraalacsony veszteségű szilícium-nitrid vékonyréteg-lapkák.
• SICOI: Nagy tisztaságú, félig szigetelő szilícium-karbid vékonyréteg-hordozók szilícium-karbid fotonikus integrált áramkörökhöz.
• LTOI: A lítium-niobát, vékonyrétegű lítium-tantalát ostyák erős versenytársa.
• LNOI: 8 hüvelykes LNOI, amely támogatja a nagyobb méretű vékonyrétegű lítium-niobát termékek tömeggyártását.
Gyártás szigetelő hullámvezetőkön:Ebben a tanulmányban 4 hüvelykes LToI ostyákat használtunk. A felső LT réteg egy kereskedelmi forgalomban kapható, 42°-ban elforgatott, Y-vágású LT szubsztrát SAW eszközökhöz, amelyet egy 3 µm vastag termikus oxid réteggel közvetlenül egy Si szubsztrátumhoz kötnek egy intelligens vágási eljárással. Az 1(a) ábra az LToI ostya felülnézetét mutatja, 200 nm vastag felső LT réteggel. A felső LT réteg felületi érdességét atomerő-mikroszkópiával (AFM) értékeltük.
1. ábra.(a) Az LToI ostya felülnézete, (b) A felső LT réteg felületének AFM képe, (c) A felső LT réteg felületének PFM képe, (d) Az LToI hullámvezető vázlatos keresztmetszete, (e) Számított alapvető TE módus profil, és (f) Az LToI hullámvezető mag SEM képe a SiO2 fedőréteg leválasztása előtt. Amint az 1. ábra (b) részén látható, a felületi érdesség kisebb, mint 1 nm, és nem figyeltünk meg karcolási vonalakat. Ezenkívül piezoelektromos válaszerő-mikroszkópiával (PFM) megvizsgáltuk a felső LT réteg polarizációs állapotát, ahogy az az 1. ábra (c) részén látható. Megerősítettük, hogy az egyenletes polarizáció a kötési folyamat után is megmaradt.
Ezt az LToI szubsztrátot felhasználva a következőképpen állítottuk elő a hullámvezetőt. Először egy fém maszk réteget vittünk fel az LT későbbi száraz maratásához. Ezután elektronsugaras (EB) litográfiát végeztünk a hullámvezető mag mintázatának meghatározására a fém maszk réteg tetején. Ezután száraz maratással átvittük az EB reziszt mintázatot a fém maszk rétegre. Ezt követően elektronciklotron rezonancia (ECR) plazmamaratással alakítottuk ki az LToI hullámvezető magot. Végül a fém maszk réteget nedves eljárással eltávolítottuk, és plazmával fokozott kémiai gőzfázisú leválasztással egy SiO2 fedőréteget vittünk fel. Az 1. (d) ábra az LToI hullámvezető vázlatos keresztmetszetét mutatja. A teljes magmagasság, a lemezmagasság és a magszélesség rendre 200 nm, 100 nm és 1000 nm. Megjegyezzük, hogy a mag szélessége a hullámvezető szélénél 3 µm-re bővül az optikai szálak összekapcsolásához.
Az 1. (e) ábra az alapvető transzverzális elektromos (TE) módus számított optikai intenzitás-eloszlását mutatja 1550 nm-en. Az 1. (f) ábra az LToI hullámvezető mag pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képét mutatja a SiO2 fedőréteg lerakódása előtt.
Hullámvezető jellemzői:Először a lineáris veszteségi karakterisztikákat úgy értékeltük, hogy egy 1550 nm hullámhosszon erősített spontán emissziós forrásból származó TE-polarizált fényt vezettünk be különböző hosszúságú LToI hullámvezetőkbe. A terjedési veszteséget a hullámvezető hossza és az egyes hullámhosszakon mért áteresztés közötti összefüggés meredekségéből kaptuk meg. A mért terjedési veszteségek 0,32, 0,28 és 0,26 dB/cm voltak 1530, 1550 és 1570 nm hullámhosszon, ahogy az a 2. ábra (a) részén látható. A gyártott LToI hullámvezetők a legmodernebb LNoI hullámvezetőkhöz hasonló alacsony veszteségű teljesítményt mutattak [10].
Ezután a χ(3) nemlinearitást egy négyhullámú keverési folyamat által generált hullámhossz-konverzió segítségével értékeltük. Egy 12 mm hosszú hullámvezetőbe egy 1550,0 nm hullámhosszú folytonos hullámú pumpáló fényt és egy 1550,6 nm hullámhosszú jelzőfényt vezettünk. Amint a 2.(b) ábra mutatja, a fáziskonjugált (idler) fényhullám jelintenzitása a bemeneti teljesítmény növekedésével nőtt. A 2.(b) ábrán látható beillesztés a négyhullámú keverés tipikus kimeneti spektrumát mutatja. A bemeneti teljesítmény és a konverziós hatásfok közötti összefüggésből a nemlineáris paramétert (γ) körülbelül 11 W^-1m-nek becsültük.
3. ábra.(a) A gyártott gyűrűrezonátor mikroszkópos képe. (b) A gyűrűrezonátor transzmissziós spektrumai különböző résparaméterekkel. (c) A gyűrűrezonátor mért és Lorentz-féle illesztéssel készült transzmissziós spektruma 1000 nm-es rés mellett.
Ezután elkészítettünk egy LToI gyűrűrezonátort és kiértékeltük annak jellemzőit. A 3. (a) ábra a gyártott gyűrűrezonátor optikai mikroszkópos képét mutatja. A gyűrűrezonátor "versenypálya" konfigurációval rendelkezik, amely egy 100 µm sugarú görbült régióból és egy 100 µm hosszú egyenes régióból áll. A gyűrű és a busz hullámvezető magja közötti rés szélessége 200 nm-es lépésekben változik, konkrétan 800, 1000 és 1200 nm-en. A 3. (b) ábra az egyes résekhez tartozó átviteli spektrumokat mutatja, jelezve, hogy a kioltási arány a rés méretével változik. Ezekből a spektrumokból megállapítottuk, hogy az 1000 nm-es rés közel kritikus csatolási feltételeket biztosít, mivel a legmagasabb, -26 dB-es kioltási arányt mutatja.
A kritikusan csatolt rezonátor használatával a minőségi tényezőt (Q-faktort) a lineáris átviteli spektrum Lorentz-görbével való illesztésével becsültük meg, így 1,1 millió belső Q-faktort kaptunk, ahogy az a 3(c) ábrán látható. Tudomásunk szerint ez egy hullámvezetővel csatolt LToI gyűrűrezonátor első demonstrációja. Figyelemre méltó, hogy az általunk elért Q-faktor érték jelentősen magasabb, mint a száloptikás csatolású LToI mikrolemez rezonátoroké [9].
Következtetés:Kifejlesztettünk egy LToI hullámvezetőt, amelynek vesztesége 0,28 dB/cm 1550 nm-en, gyűrűrezonátoros Q-tényezője pedig 1,1 millió. Az elért teljesítmény összehasonlítható a legmodernebb, alacsony veszteségű LNoI hullámvezetők teljesítményével. Ezenkívül megvizsgáltuk a gyártott LToI hullámvezető χ(3) nemlinearitását chipre integrált nemlineáris alkalmazásokhoz.
Közzététel ideje: 2024. november 20.