Апстракт:Развили смо таласовод од 1550 нм на бази литијум-танталата са губитком од 0,28 дБ/цм и фактором квалитета прстенастог резонатора од 1,1 милион. Проучавана је примена χ(3) нелинеарности у нелинеарној фотоници. Предности литијум ниобата на изолатору (ЛНоИ), који показује одличне χ(2) и χ(3) нелинеарне особине, заједно са јаким оптичким ограничењем због његове структуре „изолатор на“, довеле су до значајног напретка у технологији таласовода за ултрабрзе модулатори и интегрисана нелинеарна фотоника [1-3]. Поред ЛН, литијум танталат (ЛТ) је такође истражен као нелинеарни фотонски материјал. У поређењу са ЛН, ЛТ има виши праг оптичког оштећења и шири прозор оптичке транспарентности [4, 5], иако су његови оптички параметри, као што су индекс преламања и нелинеарни коефицијенти, слични онима код ЛН [6, 7]. Дакле, ЛТоИ се истиче као још један јак кандидат материјал за нелинеарне фотонске апликације велике оптичке снаге. Штавише, ЛТоИ постаје примарни материјал за уређаје за филтрирање површинских акустичних таласа (САВ), применљиве у мобилним и бежичним технологијама велике брзине. У том контексту, ЛТоИ плочице могу постати чешћи материјали за фотонске апликације. Међутим, до данас је пријављено само неколико фотонских уређаја заснованих на ЛТоИ, као што су микродиск резонатори [8] и електрооптички фазни померачи [9]. У овом раду представљамо ЛТоИ таласовод са малим губицима и његову примену у прстенастом резонатору. Поред тога, дајемо χ(3) нелинеарне карактеристике ЛТоИ таласовода.
Кључне тачке:
• Понуда ЛТоИ плочица од 4 инча до 6 инча, танкослојних литијум танталатних плочица, са дебљином горњег слоја у распону од 100 нм до 1500 нм, користећи домаћу технологију и зреле процесе.
• СИНОИ: танкофилне плочице од силицијум нитрида са ултра малим губицима.
• СИЦОИ: Полуизолационе подлоге од танког филма од силицијум карбида високе чистоће за фотонска интегрисана кола од силицијум карбида.
• ЛТОИ: Јака конкуренција литијум ниобату, танкослојним литијум танталатним плочицама.
• ЛНОИ: 8-инчни ЛНОИ који подржава масовну производњу већих танкослојних производа од литијум ниобата.
Производња на изолаторским таласоводима:У овој студији користили смо 4-инчне ЛТоИ плочице. Горњи ЛТ слој је комерцијална 42° ротирана И-сечена ЛТ подлога за САВ уређаје, која је директно везана за Си супстрат са слојем топлотног оксида дебљине 3 µм, користећи процес паметног сечења. Слика 1 (а) приказује поглед одозго на ЛТоИ плочицу, са дебљином горњег ЛТ слоја од 200 нм. Проценили смо храпавост површине горњег ЛТ слоја помоћу микроскопије атомске силе (АФМ).
Слика 1.(а) Поглед одозго на ЛТоИ плочицу, (б) АФМ слика површине горњег ЛТ слоја, (ц) ПФМ слика површине горњег ЛТ слоја, (д) Шематски попречни пресек ЛТоИ таласовода, (е) Израчунати основни профил ТЕ мода и (ф) СЕМ слика језгра ЛТоИ таласовода пре наношења слоја СиО2. Као што је приказано на слици 1 (б), храпавост површине је мања од 1 нм и нису примећене линије огреботина. Поред тога, испитали смо стање поларизације горњег ЛТ слоја користећи пиезоелектричну микроскопију силе одговора (ПФМ), као што је приказано на слици 1 (ц). Потврдили смо да је уједначена поларизација одржана чак и након процеса везивања.
Користећи овај ЛТоИ супстрат, произвели смо таласовод на следећи начин. Прво је нанет слој металне маске за накнадно суво нагризање ЛТ. Затим је изведена литографија електронским снопом (ЕБ) да би се дефинисао узорак језгра таласовода на врху слоја металне маске. Затим смо пренели узорак ЕБ отпора на слој металне маске путем сувог гравирања. Након тога, ЛТоИ таласоводно језгро је формирано коришћењем јеткања плазме електронске циклотронске резонанце (ЕЦР). Коначно, слој металне маске је уклоњен мокрим поступком, а слој СиО2 је депонован коришћењем хемијског таложења испареним путем плазмом. Слика 1 (д) приказује шематски попречни пресек ЛТоИ таласовода. Укупна висина језгра, висина плоче и ширина језгра су 200 нм, 100 нм и 1000 нм, респективно. Имајте на уму да се ширина језгра шири на 3 µм на ивици таласовода за спајање оптичких влакана.
Слика 1 (е) приказује израчунату расподелу оптичког интензитета основног трансверзалног електричног (ТЕ) мода на 1550 нм. Слика 1 (ф) приказује слику скенирајућег електронског микроскопа (СЕМ) ЛТоИ таласоводног језгра пре наношења слоја СиО2.
Карактеристике таласовода:Прво смо проценили карактеристике линеарног губитка уносом ТЕ-поларизоване светлости из извора спонтане емисије појачаног таласне дужине од 1550 нм у ЛТоИ таласоводе различитих дужина. Губитак ширења је добијен из нагиба односа између дужине таласовода и трансмисије на свакој таласној дужини. Измерени губици пропагације били су 0,32, 0,28 и 0,26 дБ/цм на 1530, 1550 и 1570 нм, респективно, као што је приказано на слици 2 (а). Произведени ЛТоИ таласоводи су показали упоредиве перформансе са малим губицима са најсавременијим ЛНоИ таласоводима [10].
Затим смо проценили χ(3) нелинеарност кроз конверзију таласне дужине коју генерише четвороталасни процес мешања. Уводимо светлост пумпе континуалног таласа на 1550,0 нм и сигнално светло на 1550,6 нм у таласовод дужине 12 мм. Као што је приказано на слици 2 (б), интензитет сигнала светлосног таласа коњугираног фазе (празног) расте са повећањем улазне снаге. Уметак на слици 2 (б) приказује типичан излазни спектар четвороталасног мешања. Из односа између улазне снаге и ефикасности конверзије, проценили смо да је нелинеарни параметар (γ) приближно 11 В^-1м.
Слика 3.(а) Микроскопска слика произведеног прстенастог резонатора. (б) Спектри трансмисије прстенастог резонатора са различитим параметрима зазора. (ц) Измерени и Лоренцијански прилагођени спектар преноса прстенастог резонатора са размаком од 1000 нм.
Затим смо произвели ЛТоИ прстенасти резонатор и проценили његове карактеристике. Слика 3 (а) приказује слику оптичког микроскопа направљеног прстенастог резонатора. Прстенасти резонатор има конфигурацију „тркачке стазе“, која се састоји од закривљеног региона радијуса од 100 µм и правог региона дужине 100 µм. Ширина јаза између прстена и језгра таласовода магистрале варира у корацима од 200 нм, посебно на 800, 1000 и 1200 нм. Слика 3 (б) приказује спектре трансмисије за сваки јаз, показујући да се однос екстинкције мења са величином јаза. Из ових спектра смо утврдили да јаз од 1000 нм обезбеђује скоро критичне услове спајања, пошто показује највећи однос екстинкције од -26 дБ.
Користећи критично спрегнути резонатор, проценили смо фактор квалитета (К фактор) уклапањем спектра линеарне трансмисије са Лоренцијанском кривом, добијајући унутрашњи К фактор од 1,1 милион, као што је приказано на слици 3 (ц). Колико знамо, ово је прва демонстрација ЛТоИ прстенастог резонатора са таласоводом. Приметно је да је вредност К фактора коју смо постигли знатно већа од оне код ЛТоИ микродиск резонатора са спојеним влакнима [9].
Закључак:Развили смо ЛТоИ таласовод са губитком од 0,28 дБ/цм на 1550 нм и К фактором прстенастог резонатора од 1,1 милион. Добијени учинак је упоредив са перформансама најсавременијих ЛНоИ таласовода са малим губицима. Поред тога, истражили смо χ(3) нелинеарност произведеног ЛТоИ таласовода за нелинеарне апликације на чипу.
Време поста: 20.11.2024