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 ultrahurtige 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, er lik de til LN [6, 7]. Dermed skiller LToI seg ut som et annet sterkt kandidatmateriale for ikke-lineære fotoniske applikasjoner med høy optisk effekt. Dessuten er LToI i ferd med å bli et primært materiale for overflateakustiske bølgefilterenheter (SAW), som kan brukes i høyhastighets mobile og trådløse teknologier. I denne sammenhengen kan LToI-wafere bli mer vanlige materialer for fotoniske applikasjoner. Imidlertid er det til dags dato bare rapportert om noen få fotoniske enheter basert på LToI, for eksempel mikrodiskresonatorer [8] og elektrooptiske faseskiftere [9]. I denne artikkelen presenterer vi en LToI-bølgeleder med lavt tap og dens anvendelse i en ringresonator. I tillegg gir vi de ikke-lineære χ(3)-egenskapene til LToI-bølgelederen.
Viktige punkter:
• Tilbyr 4-tommers til 6-tommers LToI-wafere, tynnfilms litiumtantalatwafere, med topplagtykkelser fra 100 nm til 1500 nm, ved bruk av innenlandsk teknologi og modne prosesser.
• SINOI: Tynnfilmskiver av silisiumnitrid med ultralavt tap.
• SICOI: Høyrenhets halvisolerende tynnfilmsubstrater av silisiumkarbid for fotoniske integrerte kretser av silisiumkarbid.
• LTOI: En sterk konkurrent til litiumniobat, tynnfilms-litiumtantalatwafere.
• LNOI: 8-tommers LNOI som støtter masseproduksjon av tynnfilmslitiumniobatprodukter i stor skala.
Produksjon på isolatorbølgeledere:I denne studien brukte vi 4-tommers LToI-wafere. Det øverste LT-laget er et kommersielt 42° rotert Y-kuttet 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 skjæreprosess. Figur 1(a) viser en toppvisning av LToI-waferen, med en tykkelse på det øverste LT-laget på 200 nm. Vi vurderte overflateruheten til det øverste LT-laget ved hjelp av atomkraftmikroskopi (AFM).
Figur 1.(a) Toppvisning av LToI-waferen, (b) AFM-bilde av overflaten til det øverste LT-laget, (c) PFM-bilde av overflaten til det øverste LT-laget, (d) Skjematisk tverrsnitt av LToI-bølgelederen, (e) Beregnet grunnleggende TE-modusprofil, og (f) SEM-bilde av LToI-bølgelederkjernen før avsetning av SiO2-overlaget. 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 hjelp 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 fremstilte vi bølgelederen som følger. Først ble et metallmaskelag avsatt for påfølgende tørretsning av LT-en. Deretter ble elektronstrålelitografi (EB) utført for å definere bølgelederkjernemønsteret oppå metallmaskelaget. Deretter overførte vi EB-resistmønsteret til metallmaskelaget via tørretsning. Etterpå ble LToI-bølgelederkjernen dannet ved hjelp av elektroncyklotronresonans (ECR) plasmaetsning. Til slutt ble metallmaskelaget fjernet gjennom en våtprosess, og et SiO2-overlag ble avsatt ved hjelp 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 for den fundamentale transversale elektriske (TE) modusen ved 1550 nm. Figur 1 (f) viser et skanningselektronmikroskopbilde (SEM) av LToI-bølgelederkjernen før avsetning av SiO2-overlaget.
Bølgelederegenskaper:Vi evaluerte først de lineære tapskarakteristikkene ved å mate TE-polarisert lys fra en spontan emisjonskilde med forsterket bølgelengde på 1550 nm inn i LToI-bølgeledere med varierende lengde. Forplantningstapet ble beregnet fra stigningstallet til 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 lavtapsytelse med toppmoderne LNoI-bølgeledere [10].
Deretter vurderte vi χ(3)-ulineariteten gjennom bølgelengdekonverteringen generert av en firebølgeblandingsprosess. Vi sendte et kontinuerlig bølgepumpelys ved 1550,0 nm og et signallys ved 1550,6 nm inn i en 12 mm lang bølgeleder. Som vist i figur 2 (b), økte fasekonjugert (tomgangs) lysbølgesignalintensiteten med økende inngangseffekt. Innsettet i figur 2 (b) viser det typiske utgangsspekteret for firebølgeblandingen. Fra forholdet mellom inngangseffekt og konverteringseffektivitet estimerte vi den ulineære parameteren (γ) til å være omtrent 11 W^-1m.
Figur 3.(a) Mikroskopbilde av den fabrikkerte ringresonatoren. (b) Transmisjonsspektre for ringresonatoren med forskjellige gapparametere. (c) Målt og Lorentzian-tilpasset transmisjonsspekter 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 produserte ringresonatoren. Ringresonatoren har en "racetrack"-konfigurasjon, bestående av et buet område med en radius på 100 µm og et rett område på 100 µm i lengde. Gapets bredde mellom ringen og bussbølgelederkjernen varierer i trinn på 200 nm, nærmere bestemt ved 800, 1000 og 1200 nm. Figur 3 (b) viser transmisjonsspektrene for hvert gap, noe som indikerer at ekstinksjonsforholdet endres med gapstørrelsen. Fra disse spektrene bestemte vi at gapet på 1000 nm gir nesten kritiske koblingsforhold, ettersom det viser det høyeste ekstinksjonsforholdet på -26 dB.
Ved hjelp av den kritisk koblede resonatoren estimerte vi kvalitetsfaktoren (Q-faktoren) ved å tilpasse det lineære transmisjonsspekteret med en Lorentziansk kurve, og oppnådde 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. Det er verdt å merke seg at Q-faktorverdien vi oppnådde er 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 ble oppnådd er sammenlignbar med ytelsen 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.
Publisert: 20. november 2024