Abstrakt:Vi har udviklet en 1550 nm isolatorbaseret lithiumtantalatbølgeleder med et tab på 0,28 dB/cm og en ringresonatorkvalitetsfaktor på 1,1 millioner. Anvendelsen af χ(3) ikke-linearitet i ikke-lineær fotonik er blevet undersøgt. Fordelene ved lithiumniobat på isolator (LNoI), som udviser fremragende χ(2) og χ(3) ikke-lineære egenskaber sammen med stærk optisk indeslutning på grund af dens "isolator-på"-struktur, har ført til betydelige fremskridt inden for bølgelederteknologi til ultrahurtige modulatorer og integreret ikke-lineær fotonik [1-3]. Ud over LN er lithiumtantalat (LT) også blevet undersøgt som et ikke-lineært fotonisk materiale. Sammenlignet med LN har LT en højere optisk skadestærskel og et bredere optisk gennemsigtighedsvindue [4, 5], selvom dets optiske parametre, såsom brydningsindeks og ikke-lineære koefficienter, ligner LN's [6, 7]. LToI fremstår således som et andet stærkt kandidatmateriale til ikke-lineære fotoniske applikationer med høj optisk effekt. Desuden er LToI ved at blive et primært materiale til SAW-filterenheder til overfladeakustiske bølger (surface acoustic wave), der kan anvendes i højhastigheds mobile og trådløse teknologier. I denne sammenhæng kan LToI-wafere blive mere almindelige materialer til fotoniske applikationer. Imidlertid er der til dato kun rapporteret om få fotoniske enheder baseret på LToI, såsom mikrodiskresonatorer [8] og elektrooptiske faseskiftere [9]. I denne artikel præsenterer vi en LToI-bølgeleder med lavt tab og dens anvendelse i en ringresonator. Derudover giver vi de ikke-lineære χ(3)-karakteristika for LToI-bølgelederen.
Nøglepunkter:
• Tilbyder 4-tommer til 6-tommer LToI-wafere, tyndfilms-lithiumtantalatwafere, med toplagtykkelser fra 100 nm til 1500 nm, ved hjælp af indenlandsk teknologi og modne processer.
• SINOI: Tyndfilmswafere af siliciumnitrid med ultralavt tab.
• SICOI: Halvisolerende tyndfilmssubstrater af siliciumcarbid med høj renhed til fotoniske integrerede kredsløb af siliciumcarbid.
• LTOI: En stærk konkurrent til lithiumniobat, tyndfilms-lithiumtantalatwafere.
• LNOI: 8-tommer LNOI, der understøtter masseproduktion af tyndfilms-lithiumniobatprodukter i stor skala.
Fremstilling på isolatorbølgeledere:I dette studie anvendte vi 4-tommer LToI-wafere. Det øverste LT-lag er et kommercielt 42° roteret Y-skåret LT-substrat til SAW-enheder, som er direkte bundet til et Si-substrat med et 3 µm tykt termisk oxidlag ved hjælp af en smart skæreproces. Figur 1(a) viser en topvisning af LToI-waferen med en tykkelse af det øverste LT-lag på 200 nm. Vi vurderede overfladeruheden af det øverste LT-lag ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM).
Figur 1.(a) Topvisning af LToI-waferen, (b) AFM-billede af overfladen af det øverste LT-lag, (c) PFM-billede af overfladen af det øverste LT-lag, (d) Skematisk tværsnit af LToI-bølgelederen, (e) Beregnet grundlæggende TE-tilstandsprofil og (f) SEM-billede af LToI-bølgelederkernen før SiO2-overlagsaflejring. Som vist i figur 1 (b) er overfladeruheden mindre end 1 nm, og der blev ikke observeret nogen ridselinjer. Derudover undersøgte vi polarisationstilstanden af det øverste LT-lag ved hjælp af piezoelektrisk responskraftmikroskopi (PFM), som vist i figur 1 (c). Vi bekræftede, at ensartet polarisering blev opretholdt, selv efter bindingsprocessen.
Ved hjælp af dette LToI-substrat fremstillede vi bølgelederen som følger. Først blev et metalmaskelag aflejret til efterfølgende tørætsning af LT'en. Derefter blev elektronstrålelitografi (EB) udført for at definere bølgelederkernemønsteret oven på metalmaskelaget. Derefter overførte vi EB-resistmønsteret til metalmaskelaget via tørætsning. Derefter blev LToI-bølgelederkernen dannet ved hjælp af elektroncyklotronresonans (ECR) plasmaætsning. Endelig blev metalmaskelaget fjernet gennem en vådproces, og et SiO2-overlag blev aflejret ved hjælp af plasmaforstærket kemisk dampaflejring. Figur 1 (d) viser det skematiske tværsnit af LToI-bølgelederen. Den samlede kernehøjde, pladehøjde og kernebredde er henholdsvis 200 nm, 100 nm og 1000 nm. Bemærk, at kernebredden udvider sig til 3 µm ved bølgelederkanten for optisk fiberkobling.
Figur 1 (e) viser den beregnede optiske intensitetsfordeling af den fundamentale transversale elektriske (TE) tilstand ved 1550 nm. Figur 1 (f) viser et scanningselektronmikroskopbillede (SEM) af LToI-bølgelederkernen før aflejring af SiO2-overlaget.
Bølgelederens egenskaber:Vi evaluerede først de lineære tabskarakteristika ved at inputte TE-polariseret lys fra en 1550 nm bølgelængdeforstærket spontan emissionskilde i LToI-bølgeledere af varierende længder. Udbredelsestabet blev beregnet ud fra hældningen af forholdet mellem bølgelederlængde og transmission ved hver bølgelængde. De målte udbredelsestab var 0,32, 0,28 og 0,26 dB/cm ved henholdsvis 1530, 1550 og 1570 nm, som vist i figur 2 (a). De fremstillede LToI-bølgeledere udviste sammenlignelig lavtabsydelse med de mest avancerede LNoI-bølgeledere [10].
Dernæst vurderede vi χ(3)-ulineariteten gennem bølgelængdekonverteringen genereret af en firebølgeblandingsproces. Vi sendte et kontinuerligt bølgepumpelys ved 1550,0 nm og et signallys ved 1550,6 nm ind i en 12 mm lang bølgeleder. Som vist i figur 2 (b) steg fasekonjugatlysbølgens (tomgangs)signalintensitet med stigende indgangseffekt. Indsætningen i figur 2 (b) viser det typiske udgangsspektrum for firebølgeblandingen. Ud fra forholdet mellem indgangseffekt og konverteringseffektivitet estimerede vi den ulineære parameter (γ) til at være cirka 11 W^-1m.
Figur 3.(a) Mikroskopbillede af den fremstillede ringresonator. (b) Transmissionsspektre af ringresonatoren med forskellige gapparametre. (c) Målt og Lorentzian-tilpasset transmissionsspektrum af ringresonatoren med et gap på 1000 nm.
Dernæst fremstillede vi en LToI-ringresonator og evaluerede dens egenskaber. Figur 3 (a) viser det optiske mikroskopbillede af den fremstillede ringresonator. Ringresonatoren har en "racetrack"-konfiguration, der består af et buet område med en radius på 100 µm og et lige område på 100 µm i længden. Mellemrumsbredden mellem ringen og busbølgelederkernen varierer i trin på 200 nm, specifikt ved 800, 1000 og 1200 nm. Figur 3 (b) viser transmissionsspektrene for hvert mellemrum, hvilket indikerer, at ekstinktionsforholdet ændrer sig med mellemrumsstørrelsen. Ud fra disse spektre bestemte vi, at mellemrummet på 1000 nm giver næsten kritiske koblingsbetingelser, da det udviser det højeste ekstinktionsforhold på -26 dB.
Ved hjælp af den kritisk koblede resonator estimerede vi kvalitetsfaktoren (Q-faktoren) ved at tilpasse det lineære transmissionsspektrum med en Lorentziansk kurve, hvilket gav en intern Q-faktor på 1,1 millioner, som vist i figur 3 (c). Så vidt vi ved, er dette den første demonstration af en bølgelederkoblet LToI-ringresonator. Det er værd at bemærke, at den opnåede Q-faktorværdi er betydeligt højere end for fiberkoblede LToI-mikrodiskresonatorer [9].
Konklusion:Vi udviklede en LToI-bølgeleder med et tab på 0,28 dB/cm ved 1550 nm og en ringresonator Q-faktor på 1,1 millioner. Den opnåede ydeevne er sammenlignelig med den for de mest avancerede LNoI-bølgeledere med lavt tab. Derudover undersøgte vi χ(3)-ulineariteten af den fremstillede LToI-bølgeleder til ikke-lineære applikationer på chippen.
Opslagstidspunkt: 20. november 2024