Resum:Hem desenvolupat una guia d'ona de tantalat de liti basada en aïllants 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 a l'aïllant (LNoI), que presenta excel·lents propietats no lineals χ (2) i χ (3) juntament amb un fort confinament òptic a causa de la seva estructura "aïllant-on", han donat lloc a avenços significatius en la tecnologia de guia d'ona per a ultraràpids. moduladors i fotònica no lineal integrada [1-3]. A més de LN, el tantalat de liti (LT) també s'ha investigat com a material fotònic no lineal. En comparació amb LN, 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 de LN [6, 7]. Així, LToI destaca com un altre material candidat fort per a aplicacions fotòniques no lineals d'alta potència òptica. A més, LToI s'està convertint en un material primari per als dispositius de filtre d'ones acústiques superficials (SAW), aplicables a tecnologies mòbils i sense fils d'alta velocitat. En aquest context, les hòsties LToI poden convertir-se en materials més comuns per a aplicacions fotòniques. Tanmateix, fins ara, només s'han informat alguns dispositius fotònics basats en LToI, com ara ressonadors de microdisc [8] i desplaçadors de fase electro-òptics [9]. En aquest article, presentem una guia d'ona 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'ona LToI.
Punts clau:
• Ofereix hòsties LToI de 4 polzades a 6 polzades, hòsties de tantalat de liti de pel·lícula fina, amb gruixos de capa superior que van des de 100 nm a 1500 nm, utilitzant tecnologia domèstica i processos madurs.
• SINOI: Hòsties de pel·lícula fina de nitrur de silici de pèrdues ultra baixes.
• SICOI: substrats de pel·lícula fina de carbur de silici semiaïllants d'alta puresa per a circuits integrats fotònics de carbur de silici.
• LTOI: un fort competidor de les hòsties de tantalat de liti de niobat de liti de pel·lícula fina.
• LNOI: LNOI de 8 polzades que dóna suport a la producció massiva de productes de niobat de liti de pel·lícula prima a més gran escala.
Fabricació amb guies d'ones aïllants:En aquest estudi, hem utilitzat hòsties LToI de 4 polzades. La capa LT superior és un substrat LT comercial de tall Y girat a 42 ° per a dispositius SAW, que s'uneix directament a un substrat de Si amb una capa d'òxid tèrmic de 3 µm de gruix, utilitzant un procés de tall intel·ligent. La figura 1 (a) mostra una vista superior de la hòstia LToI, amb el gruix de la capa LT superior de 200 nm. Es va avaluar la rugositat superficial de la capa LT superior mitjançant microscòpia de força atòmica (AFM).
Figura 1.(a) Vista superior de l'hòstia 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 de SiO2. Com es mostra a la figura 1 (b), la rugositat de la superfície és inferior a 1 nm i no es van observar línies de rascades. A més, es va 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 es va mantenir la polarització uniforme fins i tot després del procés d'enllaç.
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 del LT. A continuació, es va realitzar una litografia de feix d'electrons (EB) per definir el patró del nucli de la guia d'ona a la part superior 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. Després, el nucli de la guia d'ona LToI es va formar mitjançant gravat amb 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 capa de SiO2 mitjançant la deposició de vapor químic millorat amb 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 de 200 nm, 100 nm i 1000 nm, respectivament. Tingueu en compte que l'amplada del nucli s'expandeix 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 fonamental (TE) a 1550 nm. La figura 1 (f) mostra la imatge del microscopi electrònic d'exploració (SEM) del nucli de la guia d'ones LToI abans de la deposició de la capa de SiO2.
Característiques de la guia d'ones:Primer vam avaluar les característiques de la pèrdua lineal introduint llum polaritzada per TE d'una font d'emissió espontània amplificada de longitud d'ona de 1550 nm a guies d'ona LToI de longituds variables. 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, tal com es mostra a la figura 2 (a). Les guies d'ones LToI fabricades van mostrar un rendiment de baixes pèrdues comparable a les guies d'ones LNoI d'última generació [10].
A continuació, es va avaluar la no linealitat χ (3) mitjançant la conversió de longitud d'ona generada per un procés de mescla de quatre ones. Introduïm una llum de bomba 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 de l'ona de llum conjugada en fase (ociosa) augmentava amb l'augment de la potència d'entrada. L'insert de 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, hem estimat que el paràmetre no lineal (γ) és d'aproximadament 11 W ^ -1 m.
Figura 3.( a ) Imatge al microscopi del ressonador d'anell fabricat. (b) Espectres de transmissió del ressonador d'anell amb diversos paràmetres de buit. ( c ) Espectre de transmissió mesurat i ajustat a Lorentzian del ressonador d'anell amb un buit 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 del microscopi òptic del ressonador d'anell fabricat. El ressonador d'anell té 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 de l'espai 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 de la bretxa. 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, tal 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. En particular, el valor del factor Q que hem aconseguit és significativament superior al dels ressonadors de microdisc LToI acoblats a fibra [9].
Conclusió:Hem desenvolupat una guia d'ones LToI amb una pèrdua de 0,28 dB/cm a 1550 nm i un factor Q del ressonador d'anell d'1,1 milions. El rendiment obtingut és comparable al de les guies d'ona LNoI de baixes pèrdues d'última generació. A més, vam investigar la no linealitat χ (3) de la guia d'ona LToI fabricada per a aplicacions no lineals en xip.
Hora de publicació: 20-nov-2024