Abstrakt:Vi har udviklet en 1550 nm isolatorbaseret lithiumtantalatbølgeleder med et tab på 0,28 dB/cm og en ringresonatorkvalitetsfaktor på 1,1 mio. 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 sin "isolator-on" struktur, har ført til betydelige fremskridt inden for bølgelederteknologi til ultrahurtig 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 dem for LN [6, 7]. Således skiller LToI sig ud som et andet stærkt kandidatmateriale til ikke-lineære fotoniske applikationer med høj optisk effekt. Desuden er LToI ved at blive et primært materiale til overflade akustiske bølger (SAW) filterenheder, anvendelige i højhastigheds mobile og trådløse teknologier. I denne sammenhæng kan LToI-wafere blive mere almindelige materialer til fotoniske applikationer. Til dato er der dog kun rapporteret få fotoniske enheder baseret på LToI, såsom mikrodiskresonatorer [8] og elektro-optiske faseskiftere [9]. I dette papir præsenterer vi en LToI-bølgeleder med lavt tab og dens anvendelse i en ringresonator. Derudover giver vi de χ(3) ikke-lineære karakteristika for LToI-bølgelederen.
Nøglepunkter:
• Tilbyder 4-tommer til 6-tommer LToI-wafere, tyndfilmslithium-tantalat-wafers med toplagstykkelser fra 100 nm til 1500 nm, ved hjælp af indenlandsk teknologi og modne processer.
• SINOI: Siliciumnitrid tyndfilmskiver med ultralavt tab.
• SICOI: Semi-isolerende siliciumcarbid tyndfilmssubstrater med høj renhed til fotoniske integrerede kredsløb af siliciumcarbid.
• LTOI: En stærk konkurrent til lithiumniobat, tynd-film lithium tantalat wafers.
• LNOI: 8-tommer LNOI, der understøtter masseproduktion af større tyndfilmslithiumniobatprodukter.
Fremstilling på Isolator Waveguides:I denne undersøgelse brugte vi 4-tommers LToI-wafere. Det øverste LT-lag er et kommercielt 42° roteret Y-cut LT-substrat til SAW-enheder, som er direkte bundet til et Si-substrat med et 3 µm tykt termisk oxidlag, ved at anvende en smart skæreproces. Figur 1(a) viser et topbillede af LToI-waferen med den øverste LT-lagtykkelse på 200 nm. Vi vurderede overfladeruheden af det øverste LT-lag ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM).
Figur 1.(a) Set ovenfra 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 fundamental 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 afbildet i figur 1 (c). Vi bekræftede, at ensartet polarisering blev opretholdt selv efter bindingsprocessen.
Ved at bruge dette LToI-substrat fremstillede vi bølgelederen som følger. Først blev et metalmaskelag afsat til efterfølgende tørætsning af LT. Derefter blev elektronstrålelitografi (EB) udført for at definere bølgelederkernemønsteret oven på metalmaskelaget. Dernæst overførte vi EB-resist-mønsteret til metalmaskelaget via tørætsning. Bagefter blev LToI-bølgelederkernen dannet ved hjælp af elektroncyklotronresonans (ECR) plasmaætsning. Til sidst blev metalmaskelaget fjernet gennem en våd proces, og et SiO2-overlag blev aflejret ved anvendelse af plasma-forstærket 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 udvides til 3 µm ved bølgelederkanten til optisk fiberkobling.
Figur 1 (e) viser den beregnede optiske intensitetsfordeling af den fundamentale tværgående elektriske (TE) tilstand ved 1550 nm. Figur 1 (f) viser scanningselektronmikroskopbilledet (SEM) af LToI-bølgelederkernen før aflejringen af SiO2-overlaget.
Bølgelederegenskaber:Vi evaluerede først de lineære tabskarakteristika ved at indlæse TE-polariseret lys fra en 1550 nm bølgelængdeforstærket spontan emissionskilde ind i LToI-bølgeledere af varierende længder. Udbredelsestabet blev opnået 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 lav-tabs ydeevne med state-of-the-art LNoI-bølgeledere [10].
Dernæst vurderede vi χ(3) ulineariteten gennem bølgelængdekonverteringen genereret af en fire-bølge blandingsproces. Vi indlæser et kontinuerligt bølgepumpelys ved 1550,0 nm og et signallys ved 1550,6 nm i en 12 mm lang bølgeleder. Som vist i figur 2 (b) steg lysbølgesignalintensiteten med fasekonjugat (tomgang) med stigende indgangseffekt. Indsatsen i figur 2 (b) viser det typiske outputspektrum for firebølgeblandingen. Ud fra forholdet mellem inputeffekt og konverteringseffektivitet estimerede vi den ikke-lineære parameter (γ) til at være cirka 11 W^-1m.
Figur 3.(a) Mikroskopbillede af den fremstillede ringresonator. (b) Transmissionsspektre for ringresonatoren med forskellige mellemrumsparametre. (c) Målt og Lorentzian-tilpasset transmissionsspektrum for ringresonatoren med et mellemrum 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 "racebane"-konfiguration, der består af et buet område med en radius på 100 µm og et lige område på 100 µm i længden. Spaltebredden mellem ringen og busbølgelederkernen varierer i intervaller på 200 nm, specifikt ved 800, 1000 og 1200 nm. Figur 3 (b) viser transmissionsspektrene for hvert mellemrum, hvilket indikerer, at ekstinktionsforholdet ændres med mellemrummets størrelse. Ud fra disse spektre bestemte vi, at 1000 nm-gabet giver næsten kritiske koblingsbetingelser, da det udviser det højeste ekstinktionsforhold på -26 dB.
Ved hjælp af den kritisk koblede resonator estimerede vi kvalitetsfaktoren (Q-faktor) ved at tilpasse det lineære transmissionsspektrum med en Lorentzian-kurve, hvilket opnåede en intern Q-faktor på 1,1 million, som vist i figur 3 (c). Så vidt vi ved, er dette den første demonstration af en bølgeleder-koblet LToI-ringresonator. Navnlig er Q-faktorværdien, vi opnåede, betydeligt højere end den 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 mio. Den opnåede ydeevne er sammenlignelig med den for avancerede LNoI-bølgeledere med lavt tab. Derudover undersøgte vi χ(3) ikke-lineariteten af den fremstillede LToI-bølgeleder til ikke-lineære applikationer på chip.
Indlægstid: 20. nov. 2024