Abstrakt:Vi har utvecklat en 1550 nm isolatorbaserad litiumtantalatvågledare med en förlust på 0,28 dB/cm och en ringresonatorkvalitetsfaktor på 1,1 miljoner. Tillämpningen av χ(3) olinjäritet i olinjär fotonik har studerats. Fördelarna med litiumniobat på isolator (LNoI), som uppvisar utmärkta χ(2) och χ(3) icke-linjära egenskaper tillsammans med stark optisk inneslutning på grund av dess "isolator-on"-struktur, har lett till betydande framsteg inom vågledarteknik för ultrasnabb modulatorer och integrerad olinjär fotonik [1-3]. Förutom LN har litiumtantalat (LT) även undersökts som ett icke-linjärt fotoniskt material. Jämfört med LN har LT en högre optisk skadetröskel och ett bredare optiskt transparensfönster [4, 5], även om dess optiska parametrar, såsom brytningsindex och olinjära koefficienter, liknar de för LN [6, 7]. Således framstår LToI som ett annat starkt kandidatmaterial för ickelinjära fotoniska applikationer med hög optisk effekt. Dessutom håller LToI på att bli ett primärt material för ytakustiska vågor (SAW) filterenheter, tillämpbara i höghastighets mobil och trådlös teknik. I detta sammanhang kan LToI-skivor bli vanligare material för fotoniska applikationer. Men hittills har endast ett fåtal fotoniska enheter baserade på LToI rapporterats, såsom mikrodiskresonatorer [8] och elektrooptiska fasskiftare [9]. I detta dokument presenterar vi en lågförlust LToI-vågledare och dess tillämpning i en ringresonator. Dessutom tillhandahåller vi de χ(3) olinjära egenskaperna för LToI-vågledaren.
Nyckelpunkter:
• Erbjuder 4-tums till 6-tums LToI-wafers, tunnfilmslitiumtantalatwafers, med toppskiktstjocklekar som sträcker sig från 100 nm till 1500 nm, med användning av inhemsk teknik och mogna processer.
• SINOI: tunnfilmsskivor av kiselnitrid med ultralåg förlust.
• SICOI: Högrent halvisolerande tunnfilmssubstrat av kiselkarbid för fotoniska integrerade kretsar av kiselkarbid.
• LTOI: En stark konkurrent till litiumniobat, tunnfilmslitiumtantalatskivor.
• LNOI: 8-tums LNOI som stöder massproduktion av större tunnfilmslitiumniobatprodukter.
Tillverkning på isolatorvågledare:I den här studien använde vi 4-tums LToI-skivor. Det översta LT-skiktet är ett kommersiellt 42° roterat Y-cut LT-substrat för SAW-enheter, som är direkt bundet till ett Si-substrat med ett 3 µm tjockt termiskt oxidskikt, med en smart skärprocess. Figur 1(a) visar en vy ovanifrån av LToI-skivan, med den övre LT-skikttjockleken på 200 nm. Vi bedömde ytjämnheten hos det övre LT-skiktet med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM).
Figur 1.(a) Ovanifrån av LToI-skivan, (b) AFM-bild av ytan på det övre LT-skiktet, (c) PFM-bild av ytan på det övre LT-skiktet, (d) Schematisk tvärsektion av LToI-vågledaren, (e) Beräknad grundläggande TE-modprofil och (f) SEM-bild av LToI-vågledarkärnan före SiO2-överskiktsavsättning. Såsom visas i figur 1 (b) är ytjämnheten mindre än 1 nm, och inga skraplinjer observerades. Dessutom undersökte vi polarisationstillståndet för det översta LT-skiktet med hjälp av piezoelektrisk svarskraftsmikroskopi (PFM), som visas i figur 1 (c). Vi bekräftade att enhetlig polarisering bibehölls även efter bindningsprocessen.
Med detta LToI-substrat tillverkade vi vågledaren enligt följande. Först avsattes ett metallmaskskikt för efterföljande torretsning av LT. Därefter utfördes elektronstrålelitografi (EB) för att definiera vågledarkärnmönstret ovanpå metallmaskskiktet. Därefter överförde vi EB-resistmönstret till metallmaskskiktet via torretsning. Efteråt bildades LToI-vågledarkärnan med användning av plasmaetsning med elektroncyklotronresonans (ECR). Slutligen avlägsnades metallmaskskiktet genom en våtprocess och ett SiO2-överskikt avsattes med användning av plasmaförstärkt kemisk ångavsättning. Figur 1 (d) visar det schematiska tvärsnittet av LToI-vågledaren. Den totala kärnans höjd, plåthöjden och kärnans bredd är 200 nm, 100 nm respektive 1000 nm. Observera att kärnans bredd expanderar till 3 µm vid vågledarkanten för optisk fiberkoppling.
Figur 1 (e) visar den beräknade optiska intensitetsfördelningen för den fundamentala transversella elektriska (TE) moden vid 1550 nm. Figur 1 (f) visar svepelektronmikroskopbilden (SEM) av LToI-vågledarkärnan före avsättningen av SiO2-överskiktet.
Vågledares egenskaper:Vi utvärderade först de linjära förlustegenskaperna genom att mata in TE-polariserat ljus från en 1550 nm våglängdsförstärkt spontan emissionskälla till LToI-vågledare av varierande längd. Utbredningsförlusten erhölls från lutningen av förhållandet mellan vågledarlängd och transmission vid varje våglängd. De uppmätta utbredningsförlusterna var 0,32, 0,28 och 0,26 dB/cm vid 1530, 1550 respektive 1570 nm, såsom visas i figur 2 (a). De tillverkade LToI-vågledarna uppvisade jämförbar prestanda med låg förlust som toppmoderna LNoI-vågledare [10].
Därefter bedömde vi χ(3) olinjäriteten genom våglängdsomvandlingen som genereras av en fyrvågsblandningsprocess. Vi matar in ett kontinuerligt vågpumpljus vid 1550,0 nm och ett signalljus vid 1550,6 nm i en 12 mm lång vågledare. Såsom visas i figur 2 (b) ökade den faskonjugata (tomgång) ljusvågssignalintensiteten med ökande ineffekt. Insättningen i figur 2 (b) visar det typiska utgångsspektrumet för fyrvågsblandningen. Från förhållandet mellan ineffekt och omvandlingseffektivitet uppskattade vi den olinjära parametern (γ) till ungefär 11 W^-1m.
Figur 3.(a) Mikroskopbild av den tillverkade ringresonatorn. (b) Transmissionsspektra för ringresonatorn med olika gapparametrar. (c) Uppmätt och Lorentzianpassat transmissionsspektrum för ringresonatorn med ett gap på 1000 nm.
Därefter tillverkade vi en LToI-ringresonator och utvärderade dess egenskaper. Figur 3 (a) visar den optiska mikroskopbilden av den tillverkade ringresonatorn. Ringresonatorn har en "racebana"-konfiguration, bestående av ett krökt område med en radie på 100 µm och ett rakt område på 100 µm i längd. Spaltbredden mellan ringen och bussvågledarkärnan varierar i steg om 200 nm, speciellt vid 800, 1000 och 1200 nm. Figur 3 (b) visar transmissionsspektra för varje gap, vilket indikerar att extinktionsförhållandet ändras med gapets storlek. Från dessa spektra bestämde vi att 1000 nm gapet ger nästan kritiska kopplingsförhållanden, eftersom det uppvisar det högsta utsläckningsförhållandet på -26 dB.
Med hjälp av den kritiskt kopplade resonatorn uppskattade vi kvalitetsfaktorn (Q-faktor) genom att anpassa det linjära transmissionsspektrumet med en Lorentzian-kurva, vilket erhöll en intern Q-faktor på 1,1 miljoner, som visas i figur 3 (c). Såvitt vi vet är detta den första demonstrationen av en vågledarkopplad LToI-ringresonator. Noterbart är Q-faktorvärdet vi uppnådde betydligt högre än det för fiberkopplade LToI-mikrodiskresonatorer [9].
Slutsats:Vi utvecklade en LToI-vågledare med en förlust på 0,28 dB/cm vid 1550 nm och en ringresonator Q-faktor på 1,1 miljoner. Den erhållna prestandan är jämförbar med den för toppmoderna LNoI-vågledare med låg förlust. Dessutom undersökte vi χ(3) olinjäriteten hos den tillverkade LToI-vågledaren för icke-linjära applikationer på chip.
Posttid: 2024-november