Abstrakt:Vi har utviklet en 1550 nm isolatorbasert litiumtantalatbølgeleder med et tap på 0,28 dB/cm og en ringresonatorkvalitetsfaktor på 1,1 millioner. Anvendelsen av χ(3) ikke-linearitet i ikke-lineær fotonikk har blitt studert. Fordelene med litiumniobat på isolator (LNoI), som viser utmerkede χ(2) og χ(3) ikke-lineære egenskaper sammen med sterk optisk inneslutning på grunn av sin "isolator-på" struktur, har ført til betydelige fremskritt innen bølgelederteknologi for ultrarask modulatorer og integrert ikke-lineær fotonikk [1-3]. I tillegg til LN har litiumtantalat (LT) også blitt undersøkt som et ikke-lineært fotonisk materiale. Sammenlignet med LN har LT en høyere optisk skadeterskel og et bredere optisk gjennomsiktighetsvindu [4, 5], selv om dens optiske parametere, som brytningsindeks og ikke-lineære koeffisienter, ligner på LN [6, 7]. Dermed skiller LToI seg ut som et annet sterkt kandidatmateriale for ikke-lineære fotoniske applikasjoner med høy optisk kraft. Dessuten er LToI i ferd med å bli et primærmateriale for overflate-akustiske bølger (SAW) filterenheter, anvendelig i høyhastighets mobil og trådløs teknologi. I denne sammenhengen kan LToI-skiver bli mer vanlige materialer for fotoniske applikasjoner. Til dags dato har imidlertid bare noen få fotoniske enheter basert på LToI blitt rapportert, slik som mikrodiskresonatorer [8] og elektro-optiske faseskiftere [9]. I denne artikkelen presenterer vi en LToI-bølgeleder med lavt tap og dens anvendelse i en ringresonator. I tillegg gir vi de χ(3) ikke-lineære egenskapene til LToI-bølgelederen.
Nøkkelpunkter:
• Tilbyr 4-tommers til 6-tommers LToI-wafere, tynnfilmslitiumtantalat-wafere, med topplagtykkelser fra 100 nm til 1500 nm, ved bruk av innenlandsk teknologi og modne prosesser.
• SINOI: Ultralavt tap av silisiumnitrid tynnfilmskiver.
• SICOI: Høyrent halvisolerende silisiumkarbid tynnfilmsubstrater for fotoniske integrerte silisiumkarbidkretser.
• LTOI: En sterk konkurrent til litiumniobat, tynnfilmslitiumtantalatskiver.
• LNOI: 8-tommers LNOI som støtter masseproduksjon av tynnfilmslitiumniobatprodukter i større skala.
Produksjon på isolatorbølgeledere:I denne studien brukte vi 4-tommers LToI-wafere. Det øverste LT-laget er et kommersielt 42° rotert Y-cut LT-substrat for SAW-enheter, som er direkte bundet til et Si-substrat med et 3 µm tykt termisk oksidlag, ved bruk av en smart kutteprosess. Figur 1(a) viser et toppriss av LToI-platen, med den øverste LT-lagtykkelsen på 200 nm. Vi vurderte overflateruheten til det øverste LT-laget ved å bruke atomkraftmikroskopi (AFM).
Figur 1.(a) Sett ovenfra av LToI-platen, (b) AFM-bilde av overflaten av det øverste LT-laget, (c) PFM-bilde av overflaten av det øverste LT-laget, (d) Skjematisk tverrsnitt av LToI-bølgelederen, (e) Beregnet fundamental TE-modusprofil, og (f) SEM-bilde av LToI-bølgelederkjernen før SiO2-overlagsavsetning. Som vist i figur 1 (b), er overflateruheten mindre enn 1 nm, og ingen ripelinjer ble observert. I tillegg undersøkte vi polarisasjonstilstanden til det øverste LT-laget ved bruk av piezoelektrisk responskraftmikroskopi (PFM), som vist i figur 1 (c). Vi bekreftet at jevn polarisering ble opprettholdt selv etter bindingsprosessen.
Ved å bruke dette LToI-substratet produserte vi bølgelederen som følger. Først ble et metallmaskelag avsatt for påfølgende tørretsing av LT. Deretter ble elektronstrålelitografi (EB) utført for å definere bølgelederkjernemønsteret på toppen av metallmaskelaget. Deretter overførte vi EB-resistmønsteret til metallmaskelaget via tørr etsing. Etterpå ble LToI-bølgelederkjernen dannet ved bruk av elektronsyklotronresonans (ECR) plasmaetsing. Til slutt ble metallmaskelaget fjernet gjennom en våt prosess, og et SiO2-overlag ble avsatt ved bruk av plasmaforsterket kjemisk dampavsetning. Figur 1 (d) viser det skjematiske tverrsnittet av LToI-bølgelederen. Den totale kjernehøyden, platehøyden og kjernebredden er henholdsvis 200 nm, 100 nm og 1000 nm. Merk at kjernebredden utvides til 3 µm ved bølgelederkanten for optisk fiberkobling.
Figur 1 (e) viser den beregnede optiske intensitetsfordelingen til den fundamentale transversale elektriske (TE) modus ved 1550 nm. Figur 1 (f) viser et skanningselektronmikroskop (SEM)-bilde av LToI-bølgelederkjernen før avsetningen av SiO2-overlaget.
Bølgelederegenskaper:Vi evaluerte først de lineære tapskarakteristikkene ved å legge inn TE-polarisert lys fra en 1550 nm bølgelengde forsterket spontan emisjonskilde inn i LToI-bølgeledere av varierende lengde. Utbredelsestapet ble oppnådd fra helningen av forholdet mellom bølgelederlengde og transmisjon ved hver bølgelengde. De målte forplantningstapene var 0,32, 0,28 og 0,26 dB/cm ved henholdsvis 1530, 1550 og 1570 nm, som vist i figur 2 (a). De fremstilte LToI-bølgelederne viste sammenlignbar ytelse med lavt tap som toppmoderne LNoI-bølgeledere [10].
Deretter vurderte vi χ(3) ikke-lineariteten gjennom bølgelengdekonverteringen generert av en firebølge-blandingsprosess. Vi legger inn et kontinuerlig bølgepumpelys ved 1550,0 nm og et signallys ved 1550,6 nm i en 12 mm lang bølgeleder. Som vist i figur 2 (b), økte lysbølgesignalintensiteten for fasekonjugert (tomgang) med økende inngangseffekt. Innskuddet i figur 2 (b) viser det typiske utgangsspekteret for firebølgeblandingen. Fra forholdet mellom inngangseffekt og konverteringseffektivitet estimerte vi den ikke-lineære parameteren (γ) til å være omtrent 11 W^-1m.
Figur 3.(a) Mikroskopbilde av den fremstilte ringresonatoren. (b) Overføringsspektra til ringresonatoren med forskjellige gapparametere. (c) Målt og Lorentzian-tilpasset transmisjonsspektrum for ringresonatoren med et gap på 1000 nm.
Deretter produserte vi en LToI-ringresonator og evaluerte dens egenskaper. Figur 3 (a) viser det optiske mikroskopbildet av den fremstilte ringresonatoren. Ringresonatoren har en "racebane"-konfigurasjon, bestående av et buet område med en radius på 100 µm og et rett område på 100 µm i lengde. Spaltebredden mellom ringen og bussbølgelederkjernen varierer i trinn på 200 nm, spesielt ved 800, 1000 og 1200 nm. Figur 3 (b) viser transmisjonsspektra for hvert gap, noe som indikerer at ekstinksjonsforholdet endres med gapstørrelsen. Fra disse spektrene bestemte vi at 1000 nm gapet gir nesten kritiske koblingsforhold, da det viser det høyeste ekstinksjonsforholdet på -26 dB.
Ved å bruke den kritisk koblede resonatoren estimerte vi kvalitetsfaktoren (Q-faktor) ved å tilpasse det lineære transmisjonsspekteret med en Lorentzian-kurve, og oppnå en intern Q-faktor på 1,1 millioner, som vist i figur 3 (c). Så vidt vi vet er dette den første demonstrasjonen av en bølgelederkoblet LToI-ringresonator. Spesielt er Q-faktorverdien vi oppnådde betydelig høyere enn for fiberkoblede LToI-mikrodiskresonatorer [9].
Konklusjon:Vi utviklet en LToI-bølgeleder med et tap på 0,28 dB/cm ved 1550 nm og en ringresonator Q-faktor på 1,1 millioner. Ytelsen som oppnås er sammenlignbar med den til toppmoderne LNoI-bølgeledere med lavt tap. I tillegg undersøkte vi χ(3) ikke-lineariteten til den produserte LToI-bølgelederen for ikke-lineære applikasjoner på brikken.
Innleggstid: 20. november 2024