Апстракт:Развили смо таласовод од литијум танталата на бази изолатора од 1550 nm са губитком од 0,28 dB/cm и фактором квалитета прстенастог резонатора од 1,1 милион. Проучавана је примена χ(3) нелинеарности у нелинеарној фотоници. Предности литијум ниобата на изолатору (LNoI), који показује одлична χ(2) и χ(3) нелинеарна својства заједно са јаким оптичким ограничењем због своје „изолатор-на“ структуре, довеле су до значајног напретка у технологији таласовода за ултрабрзе модулаторе и интегрисану нелинеарну фотонику [1-3]. Поред LN, литијум танталат (LT) је такође испитиван као нелинеарни фотонски материјал. У поређењу са LN, LT 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 LN [6, 7]. Стога се LToI истиче као још један снажан кандидат за нелинеарне фотонске примене високе оптичке снаге. Штавише, LToI постаје примарни материјал за уређаје са филтерима површинских акустичних таласа (SAW), применљиве у брзим мобилним и бежичним технологијама. У овом контексту, LToI плочице могу постати чешћи материјали за фотонске примене. Међутим, до данас је објављено само неколико фотонских уређаја заснованих на LToI, као што су микродиск резонатори [8] и електрооптички фазни померачи [9]. У овом раду представљамо LToI таласовод са малим губицима и његову примену у прстенастом резонатору. Поред тога, дајемо χ(3) нелинеарне карактеристике LToI таласовода.
Кључне тачке:
• Нудимо LToI плочице од 4 до 6 инча, танкослојне плочице литијум танталата, са дебљинама горњег слоја у распону од 100 nm до 1500 nm, користећи домаћу технологију и зреле процесе.
• SINOI: Танкослојне плочице од силицијум нитрида са ултраниским губицима.
• SICOI: Високочисте полуизолационе подлоге од танког филма силицијум карбида за фотонска интегрисана кола од силицијум карбида.
• LTOI: Јак конкурент литијум ниобату, танкослојне плочице литијум танталата.
• LNOI: 8-инчни LNOI који подржава масовну производњу танкослојних производа литијум ниобата већих размера.
Производња на изолаторским таласоводима:У овој студији, користили смо LToI плочице од 4 инча. Горњи ЛТ слој је комерцијална ЛТ подлога ротирана под углом од 42°, исечена у облику слова Y, за SAW уређаје, која је директно везана за Si подлогу слојем термичког оксида дебљине 3 µm, користећи паметан процес сечења. Слика 1(а) приказује поглед одозго на LToI плочицу, са дебљином горњег ЛТ слоја од 200 nm. Проценили смо храпавост површине горњег ЛТ слоја коришћењем атомске силе (AFM).
Слика 1.(а) Поглед одозго на LToI плочицу, (б) AFM слика површине горњег LT слоја, (ц) PFM слика површине горњег LT слоја, (д) Шематски попречни пресек LToI таласовода, (е) Израчунати основни TE профил мода и (ф) SEM слика језгра LToI таласовода пре наношења SiO2 преклопног слоја. Као што је приказано на слици 1 (б), храпавост површине је мања од 1 nm и нису примећене линије огреботина. Поред тога, испитали смо стање поларизације горњег LT слоја користећи пиезоелектричну микроскопију силе одзива (PFM), као што је приказано на слици 1 (ц). Потврдили смо да је једнолична поларизација одржана чак и након процеса везивања.
Користећи ову LToI подлогу, направили смо таласовод на следећи начин. Прво, нанесен је слој металне маске за накнадно суво нагризање LT. Затим је извршена литографија електронским снопом (EB) да би се дефинисао образац језгра таласовода преко слоја металне маске. Затим, пренели смо образац EB отпора на слој металне маске путем сувог нагризања. Након тога, језгро LToI таласовода је формирано коришћењем плазма нагризања електронском циклотронском резонанцом (ECR). Коначно, слој металне маске је уклоњен мокрим поступком, а преклопни слој SiO2 је нанесен коришћењем хемијског нагризања из паре уз помоћ плазме. Слика 1 (д) приказује шематски попречни пресек LToI таласовода. Укупна висина језгра, висина плоче и ширина језгра су 200 nm, 100 nm и 1000 nm, респективно. Треба напоменути да се ширина језгра шири на 3 µm на ивици таласовода ради повезивања оптичких влакана.
Слика 1 (е) приказује израчунату расподелу оптичког интензитета основног трансверзалног електричног (ТЕ) мода на 1550 nm. Слика 1 (ф) приказује слику језгра таласовода LToI добијену скенирајућим електронским микроскопом (SEM) пре наношења SiO2 преклопног слоја.
Карактеристике таласовода:Прво смо проценили карактеристике линеарних губитака увођењем ТЕ-поларизоване светлости из спонтаног извора емисије појачаног таласном дужином од 1550 nm у LToI таласоводе различитих дужина. Губитак пропагације је добијен из нагиба односа између дужине таласовода и преноса на свакој таласној дужини. Измерени губици пропагације били су 0,32, 0,28 и 0,26 dB/cm на 1530, 1550 и 1570 nm, респективно, као што је приказано на слици 2 (а). Направљени LToI таласоводи показали су упоредиве перформансе са ниским губицима са најсавременијим LNoI таласоводима [10].
Затим, проценили смо нелинеарност χ(3) кроз конверзију таласне дужине генерисану процесом четвороталасног мешања. У таласовод дужине 12 mm увели смо континуалну пумпну светлост на 1550,0 nm и сигналну светлост на 1550,6 nm. Као што је приказано на слици 2 (б), интензитет сигнала фазно конјуговане (неактивне) светлосне таласне траке повећавао се са повећањем улазне снаге. Уметнути приказ на слици 2 (б) приказује типичан излазни спектар четвороталасног мешања. На основу односа између улазне снаге и ефикасности конверзије, проценили смо да је нелинеарни параметар (γ) приближно 11 W^-1m.
Слика 3.(а) Микроскопски снимак направљеног прстенастог резонатора. (б) Трансмисиони спектри прстенастог резонатора са различитим параметрима зазора. (ц) Измерени и Лоренцово уклопљени трансмисиони спектар прстенастог резонатора са зазором од 1000 nm.
Затим смо направили LToI прстенасти резонатор и проценили његове карактеристике. Слика 3 (а) приказује слику направљеног прстенастог резонатора добијену оптичким микроскопом. Прстенасти резонатор има конфигурацију „тркачке стазе“, која се састоји од закривљеног подручја са полупречником од 100 µm и праволинијског подручја дужине 100 µm. Ширина зазора између прстена и језгра таласовода магистрале варира у корацима од 200 nm, тачније на 800, 1000 и 1200 nm. Слика 3 (б) приказује спектре преноса за сваки зазор, што указује да се однос екстинкције мења са величином зазора. Из ових спектара, утврдили смо да зазор од 1000 nm пружа скоро критичне услове спрезања, јер показује највећи однос екстинкције од -26 dB.
Користећи критично спрегнути резонатор, проценили смо фактор квалитета (Q фактор) уклапањем линеарног спектра преноса Лоренцовом кривом, добијајући интерни Q фактор од 1,1 милиона, као што је приказано на слици 3 (ц). Колико нам је познато, ово је прва демонстрација LToI прстенастог резонатора спрегнутог таласоводом. Приметно је да је вредност Q фактора коју смо постигли знатно већа од оне код LToI микродиск резонатора спрегнутих влакнима [9].
Закључак:Развили смо LToI таласовод са губитком од 0,28 dB/cm на 1550 nm и Q фактором прстенастог резонатора од 1,1 милион. Добијене перформансе су упоредиве са перформансама најсавременијих LNoI таласовода са малим губицима. Поред тога, истражили смо χ(3) нелинеарност произведеног LToI таласовода за нелинеарне примене на чипу.
Време објаве: 20. новембар 2024.