Abstrakt:Vi har utvecklat en vågledare baserad på litiumtantalat baserad på 1550 nm isolator med en förlust på 0,28 dB/cm och en ringresonatorkvalitetsfaktor på 1,1 miljoner. Tillämpningen av χ(3) icke-linjäritet inom icke-linjär fotonik har studerats. Fördelarna med litiumniobat på isolator (LNoI), som uppvisar utmärkta icke-linjära χ(2) och χ(3) egenskaper tillsammans med stark optisk instängning på grund av dess "isolator-på"-struktur, har lett till betydande framsteg inom vågledarteknik för ultrasnabba modulatorer och integrerad icke-linjär fotonik [1-3]. Förutom LN har litiumtantalat (LT) också 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 icke-linjära koefficienter, liknar dem för LN [6, 7]. LToI framstår således som ytterligare ett starkt kandidatmaterial för icke-linjära fotoniska tillämpningar med hög optisk effekt. Dessutom håller LToI på att bli ett primärt material för filteranordningar för akustiska ytvågor (SAW), tillämpbara inom höghastighetsmobila och trådlösa tekniker. I detta sammanhang kan LToI-wafers bli vanligare material för fotoniska tillämpningar. Emellertid har hittills endast ett fåtal fotoniska anordningar baserade på LToI rapporterats, såsom mikrodiskresonatorer [8] och elektrooptiska fasskiftare [9]. I denna artikel presenterar vi en LToI-vågledare med låg förlust och dess tillämpning i en ringresonator. Dessutom tillhandahåller vi de icke-linjära χ(3)-egenskaperna hos LToI-vågledaren.
Viktiga punkter:
• Erbjuder LToI-wafers på 4 till 6 tum, tunnfilms-litiumtantalatwafers, med toppskikttjocklekar från 100 nm till 1500 nm, med hjälp av inhemsk teknik och mogna processer.
• SINOI: Tunnfilmsskivor av kiselnitrid med ultralåg förlust.
• SICOI: Högrena halvisolerande tunnfilmssubstrat av kiselkarbid för fotoniska integrerade kretsar av kiselkarbid.
• LTOI: En stark konkurrent till litiumniobat, tunnfilmswafers av litiumtantalat.
• LNOI: 8-tums LNOI som stöder massproduktion av storskaliga tunnfilms-litiumniobatprodukter.
Tillverkning på isolerande vågledare:I denna studie använde vi 4-tums LToI-wafers. Det översta LT-lagret är ett kommersiellt 42° roterat Y-skuret LT-substrat för SAW-komponenter, vilket är direkt bundet till ett Si-substrat med ett 3 µm tjockt termiskt oxidskikt, med hjälp av en smart skärprocess. Figur 1(a) visar en toppvy av LToI-wafern, med en tjocklek på det översta LT-lagret på 200 nm. Vi bedömde ytjämnheten hos det översta LT-lagret med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM).
Figur 1.(a) Vy ovanifrån av LToI-wafern, (b) AFM-bild av ytan på det översta LT-lagret, (c) PFM-bild av ytan på det översta LT-lagret, (d) Schematisk tvärsnittsvy av LToI-vågledaren, (e) Beräknad grundläggande TE-modprofil, och (f) SEM-bild av LToI-vågledarkärnan före SiO2-överlagringsavsättning. Som visas i figur 1 (b) är ytjämnheten mindre än 1 nm, och inga repor observerades. Dessutom undersökte vi polarisationstillståndet för det översta LT-lagret med hjälp av piezoelektrisk responskraftmikroskopi (PFM), såsom visas i figur 1 (c). Vi bekräftade att enhetlig polarisering bibehölls även efter bindningsprocessen.
Med hjälp av detta LToI-substrat tillverkade vi vågledaren enligt följande. Först deponerades ett metallmasklager för efterföljande torretsning av LT:n. Därefter utfördes elektronstrålelitografi (EB) för att definiera vågledarkärnmönstret ovanpå metallmasklagret. Därefter överfördes EB-resistmönstret till metallmasklagret via torretsning. Därefter bildades LToI-vågledarkärnan med hjälp av elektroncyklotronresonans (ECR) plasmaetsning. Slutligen avlägsnades metallmasklagret genom en våtprocess och ett SiO2-överlager deponerades med plasmaförstärkt kemisk ångdeponering. Figur 1 (d) visar det schematiska tvärsnittet av LToI-vågledaren. Den totala kärnhöjden, platthöjden och kärnbredden är 200 nm, 100 nm respektive 1000 nm. Observera att kärnbredden expanderar till 3 µm vid vågledarkanten för optisk fiberkoppling.
Figur 1 (e) visar den beräknade optiska intensitetsfördelningen för det fundamentala transversella elektriska (TE) modet vid 1550 nm. Figur 1 (f) visar en svepelektronmikroskopbild (SEM) av LToI-vågledarkärnan före avsättning av SiO2-överlagret.
Vågledaregenskaper:Vi utvärderade först de linjära förlustegenskaperna genom att mata in TE-polariserat ljus från en spontan emissionskälla med en våglängd på 1550 nm i LToI-vågledare med varierande längd. Utbredningsförlusten erhölls från lutningen på förhållandet mellan vågledarlängd och transmission vid varje våglängd. De uppmätta utbredningsförlusterna var 0,32, 0,28 respektive 0,26 dB/cm vid 1530, 1550 respektive 1570 nm, såsom visas i figur 2 (a). De tillverkade LToI-vågledarna uppvisade jämförbar lågförlustprestanda med toppmoderna LNoI-vågledare [10].
Därefter bedömde vi χ(3)-ickelinjäriteten genom våglängdsomvandlingen genererad av en fyrvågsblandningsprocess. Vi matade in ett kontinuerligt vågpumpljus vid 1550,0 nm och ett signalljus vid 1550,6 nm i en 12 mm lång vågledare. Som visas i figur 2 (b) ökade faskonjugatljusvågens (tomgångsljusvågens) signalintensitet med ökande ineffekt. Infällningen i figur 2 (b) visar det typiska utgångsspektrumet för fyrvågsblandningen. Utifrån förhållandet mellan ineffekt och omvandlingseffektivitet uppskattade vi den ickelinjära parametern (γ) till cirka 11 W^-1m.
Figur 3.(a) Mikroskopbild av den tillverkade ringresonatorn. (b) Transmissionsspektra för ringresonatorn med olika gapparametrar. (c) Uppmätt och Lorentzian-anpassat 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 "racingtrack"-konfiguration, bestående av ett krökt område med en radie på 100 µm och ett rakt område på 100 µm i längd. Gapets bredd mellan ringen och bussvågledarkärnan varierar i steg om 200 nm, specifikt vid 800, 1000 och 1200 nm. Figur 3 (b) visar transmissionsspektra för varje gap, vilket indikerar att extinktionsförhållandet ändras med gapstorleken. Från dessa spektra bestämde vi att gapet vid 1000 nm ger nästan kritiska kopplingsförhållanden, eftersom det uppvisar det högsta extinktionsförhållandet på -26 dB.
Med hjälp av den kritiskt kopplade resonatorn uppskattade vi kvalitetsfaktorn (Q-faktorn) genom att anpassa det linjära transmissionsspektrumet till en Lorentz-kurva, vilket gav en intern Q-faktor på 1,1 miljoner, såsom visas i figur 3 (c). Såvitt vi vet är detta den första demonstrationen av en vågledarkopplad LToI-ringresonator. Det är värt att notera att Q-faktorvärdet vi uppnådde är betydligt högre än 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 hos toppmoderna LNoI-vågledare med låg förlust. Dessutom undersökte vi χ(3)-ickelinjäriteten hos den tillverkade LToI-vågledaren för ickelinjära tillämpningar på chip.
Publiceringstid: 20 november 2024