Resum:Hem desenvolupat una guia d'ones de tantalat de liti basada en un aïllant de 1550 nm amb una pèrdua de 0,28 dB/cm i un factor de qualitat del ressonador d'anell d'1,1 milions. S'ha estudiat l'aplicació de la no linealitat χ(3) en fotònica no lineal. Els avantatges del niobat de liti sobre l'aïllant (LNoI), que presenta excel·lents propietats no lineals de χ(2) i χ(3) juntament amb un fort confinament òptic a causa de la seva estructura "aïllant-activa", han conduït a avenços significatius en la tecnologia de guies d'ones per a moduladors ultraràpids i fotònica no lineal integrada [1-3]. A més del LN, també s'ha investigat el tantalat de liti (LT) com a material fotònic no lineal. En comparació amb el LN, el LT té un llindar de dany òptic més alt i una finestra de transparència òptica més àmplia [4, 5], tot i que els seus paràmetres òptics, com l'índex de refracció i els coeficients no lineals, són similars als del LN [6, 7]. Així doncs, l'LToI destaca com un altre material candidat fort per a aplicacions fotòniques no lineals d'alta potència òptica. A més, l'LToI s'està convertint en un material primari per a dispositius de filtre d'ones acústiques superficials (SAW), aplicables en tecnologies mòbils i sense fil d'alta velocitat. En aquest context, les oblies LToI poden convertir-se en materials més comuns per a aplicacions fotòniques. Tanmateix, fins ara, només s'han reportat uns quants dispositius fotònics basats en LToI, com ara ressonadors de microdisc [8] i canviadors de fase electroòptics [9]. En aquest article, presentem una guia d'ones LToI de baixa pèrdua i la seva aplicació en un ressonador d'anell. A més, proporcionem les característiques no lineals χ(3) de la guia d'ones LToI.
Punts clau:
• Oferim oblies LToI de 4 a 6 polzades, oblies de tantalat de liti de pel·lícula fina, amb gruixos de capa superior que van des de 100 nm fins a 1500 nm, utilitzant tecnologia nacional i processos madurs.
• SINOI: Oblies de pel·lícula fina de nitrur de silici de pèrdues ultrabaixes.
• SICOI: Substrats de pel·lícula fina de carbur de silici semiaïllant d'alta puresa per a circuits integrats fotònics de carbur de silici.
• LTOI: Un fort competidor del niobat de liti, oblies de tantalat de liti de pel·lícula fina.
• LNOI: LNOI de 8 polzades que dóna suport a la producció en massa de productes de niobat de liti de pel·lícula fina a gran escala.
Fabricació en guies d'ones aïllants:En aquest estudi, hem utilitzat oblies LToI de 4 polzades. La capa LT superior és un substrat LT comercial de tall en Y girat a 42° per a dispositius SAW, que està unit directament a un substrat de Si amb una capa d'òxid tèrmic de 3 µm de gruix, emprant un procés de tall intel·ligent. La figura 1(a) mostra una vista superior de l'oblia LToI, amb un gruix de la capa LT superior de 200 nm. Hem avaluat la rugositat superficial de la capa LT superior mitjançant microscòpia de força atòmica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superior de l'oblia LToI, (b) Imatge AFM de la superfície de la capa LT superior, (c) Imatge PFM de la superfície de la capa LT superior, (d) Secció transversal esquemàtica de la guia d'ones LToI, (e) Perfil de mode TE fonamental calculat, i (f) Imatge SEM del nucli de la guia d'ones LToI abans de la deposició de la capa superior de SiO2. Com es mostra a la Figura 1 (b), la rugositat superficial és inferior a 1 nm i no es van observar línies de ratllades. A més, vam examinar l'estat de polarització de la capa LT superior mitjançant microscòpia de força de resposta piezoelèctrica (PFM), tal com es mostra a la Figura 1 (c). Vam confirmar que la polarització uniforme es mantenia fins i tot després del procés d'unió.
Utilitzant aquest substrat LToI, vam fabricar la guia d'ones de la següent manera. Primer, es va dipositar una capa de màscara metàl·lica per al posterior gravat en sec de l'LT. A continuació, es va realitzar una litografia de feix d'electrons (EB) per definir el patró del nucli de la guia d'ones a sobre de la capa de màscara metàl·lica. A continuació, vam transferir el patró de resistència EB a la capa de màscara metàl·lica mitjançant gravat en sec. Posteriorment, es va formar el nucli de la guia d'ones LToI mitjançant gravat per plasma de ressonància de ciclotró electrònic (ECR). Finalment, la capa de màscara metàl·lica es va eliminar mitjançant un procés humit i es va dipositar una supercapa de SiO2 mitjançant deposició química de vapor millorada per plasma. La figura 1 (d) mostra la secció transversal esquemàtica de la guia d'ones LToI. L'alçada total del nucli, l'alçada de la placa i l'amplada del nucli són 200 nm, 100 nm i 1000 nm, respectivament. Cal tenir en compte que l'amplada del nucli s'expandeix fins a 3 µm a la vora de la guia d'ones per a l'acoblament de fibra òptica.
La figura 1 (e) mostra la distribució d'intensitat òptica calculada del mode elèctric transversal (TE) fonamental a 1550 nm. La figura 1 (f) mostra la imatge del microscopi electrònic de rastreig (SEM) del nucli de la guia d'ones LToI abans de la deposició de la capa superior de SiO2.
Característiques de la guia d'ones:Primer vam avaluar les característiques de pèrdua lineal introduint llum polaritzada TE d'una font d'emissió espontània amplificada de 1550 nm de longitud d'ona a guies d'ona LToI de diferents longituds. La pèrdua de propagació es va obtenir a partir del pendent de la relació entre la longitud de la guia d'ona i la transmissió a cada longitud d'ona. Les pèrdues de propagació mesurades van ser de 0,32, 0,28 i 0,26 dB/cm a 1530, 1550 i 1570 nm, respectivament, com es mostra a la Figura 2 (a). Les guies d'ona LToI fabricades van mostrar un rendiment de baixa pèrdua comparable a les guies d'ona LNoI d'última generació [10].
A continuació, vam avaluar la no linealitat χ(3) mitjançant la conversió de longitud d'ona generada per un procés de mescla de quatre ones. Vam introduir una llum de bombament d'ona contínua a 1550.0 nm i una llum de senyal a 1550.6 nm en una guia d'ones de 12 mm de llarg. Com es mostra a la Figura 2 (b), la intensitat del senyal d'ona de llum conjugada de fase (idler) augmentava amb l'augment de la potència d'entrada. El gràfic inserit a la Figura 2 (b) mostra l'espectre de sortida típic de la mescla de quatre ones. A partir de la relació entre la potència d'entrada i l'eficiència de conversió, vam estimar que el paràmetre no lineal (γ) era aproximadament d'11 W^-1m.
Figura 3.(a) Imatge de microscopi del ressonador d'anell fabricat. (b) Espectres de transmissió del ressonador d'anell amb diversos paràmetres de gap. (c) Espectre de transmissió mesurat i ajustat amb Lorentzia del ressonador d'anell amb un gap de 1000 nm.
A continuació, vam fabricar un ressonador d'anell LToI i vam avaluar les seves característiques. La figura 3 (a) mostra la imatge de microscopi òptic del ressonador d'anell fabricat. El ressonador d'anell presenta una configuració de "pista de carreres", que consisteix en una regió corba amb un radi de 100 µm i una regió recta de 100 µm de longitud. L'amplada del buit entre l'anell i el nucli de la guia d'ones del bus varia en increments de 200 nm, concretament a 800, 1000 i 1200 nm. La figura 3 (b) mostra els espectres de transmissió per a cada buit, cosa que indica que la relació d'extinció canvia amb la mida del buit. A partir d'aquests espectres, vam determinar que el buit de 1000 nm proporciona condicions d'acoblament gairebé crítiques, ja que presenta la relació d'extinció més alta de -26 dB.
Utilitzant el ressonador acoblat críticament, vam estimar el factor de qualitat (factor Q) ajustant l'espectre de transmissió lineal amb una corba lorentziana, obtenint un factor Q intern d'1,1 milions, com es mostra a la Figura 3 (c). Segons el nostre coneixement, aquesta és la primera demostració d'un ressonador d'anell LToI acoblat a guia d'ones. Cal destacar que el valor del factor Q que hem aconseguit és significativament més alt que el dels ressonadors de microdisc LToI acoblats a fibra [9].
Conclusió:Vam desenvolupar una guia d'ones LToI amb una pèrdua de 0,28 dB/cm a 1550 nm i un factor Q de ressonador d'anell d'1,1 milions. El rendiment obtingut és comparable al de les guies d'ones LNoI de baixa pèrdua més modernes. A més, vam investigar la no linealitat χ(3) de la guia d'ones LToI fabricada per a aplicacions no lineals en un xip.
Data de publicació: 20 de novembre de 2024