Abstract:We hebben een op isolator gebaseerde lithiumtantalaatgolfgeleider van 1550 nm ontwikkeld met een verlies van 0,28 dB/cm en een ringresonatorkwaliteitsfactor van 1,1 miljoen. De toepassing van χ(3) niet-lineariteit in niet-lineaire fotonica is bestudeerd. De voordelen van lithiumniobaat op isolator (LNoI), dat uitstekende χ(2) en χ(3) niet-lineaire eigenschappen vertoont, samen met sterke optische opsluiting vanwege de "isolator-op" structuur, hebben geleid tot aanzienlijke vooruitgang in de golfgeleidertechnologie voor ultrasnelle modulatoren en geïntegreerde niet-lineaire fotonica [1-3]. Naast LN is ook lithiumtantalaat (LT) onderzocht als niet-lineair fotonisch materiaal. Vergeleken met LN heeft LT een hogere optische schadedrempel en een breder optisch transparantievenster [4, 5], hoewel de optische parameters, zoals brekingsindex en niet-lineaire coëfficiënten, vergelijkbaar zijn met die van LN [6, 7]. LToI onderscheidt zich dus als een ander sterk kandidaatmateriaal voor niet-lineaire fotonische toepassingen met hoog optisch vermogen. Bovendien wordt LToI een primair materiaal voor filterapparatuur voor oppervlakte-akoestische golven (SAW), toepasbaar in snelle mobiele en draadloze technologieën. In deze context kunnen LToI-wafels steeds vaker voorkomende materialen worden voor fotonische toepassingen. Tot nu toe zijn er echter slechts enkele op LToI gebaseerde fotonische apparaten gerapporteerd, zoals microschijfresonatoren [8] en elektro-optische faseverschuivers [9]. In dit artikel presenteren we een LToI-golfgeleider met laag verlies en de toepassing ervan in een ringresonator. Daarnaast geven we de χ(3) niet-lineaire kenmerken van de LToI-golfgeleider.
Belangrijkste punten:
• Het aanbieden van 4-inch tot 6-inch LToI-wafels, dunne-film lithiumtantalaatwafels, met toplaagdiktes variërend van 100 nm tot 1500 nm, waarbij gebruik wordt gemaakt van binnenlandse technologie en volwassen processen.
• SINOI: dunnefilmwafels van siliciumnitride met ultralaag verlies.
• SICOI: Zeer zuivere, semi-isolerende dunnefilmsubstraten van siliciumcarbide voor fotonische geïntegreerde schakelingen van siliciumcarbide.
• LTOI: Een sterke concurrent van lithiumniobaat, dunne-film lithiumtantalaatwafels.
• LNOI: 8-inch LNOI ter ondersteuning van de massaproductie van grootschalige dunnefilm-lithiumniobaatproducten.
Productie van isolatorgolfgeleiders:In deze studie hebben we 4-inch LToI-wafels gebruikt. De bovenste LT-laag is een commercieel 42° gedraaid Y-cut LT-substraat voor SAW-apparaten, dat rechtstreeks is gebonden aan een Si-substraat met een 3 µm dikke thermische oxidelaag, waarbij gebruik wordt gemaakt van een slim snijproces. Figuur 1(a) toont een bovenaanzicht van de LToI-wafel, met een dikte van de bovenste LT-laag van 200 nm. We hebben de oppervlakteruwheid van de bovenste LT-laag beoordeeld met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM).
Figuur 1.(a) Bovenaanzicht van de LToI-wafel, (b) AFM-afbeelding van het oppervlak van de bovenste LT-laag, (c) PFM-afbeelding van het oppervlak van de bovenste LT-laag, (d) Schematische dwarsdoorsnede van de LToI-golfgeleider, (e) Berekend fundamenteel TE-modusprofiel, en (f) SEM-beeld van de LToI-golfgeleiderkern vóór afzetting van de SiO2-overlaag. Zoals weergegeven in figuur 1 (b) is de oppervlakteruwheid minder dan 1 nm en zijn er geen kraslijnen waargenomen. Daarnaast hebben we de polarisatietoestand van de bovenste LT-laag onderzocht met behulp van piëzo-elektrische responskrachtmicroscopie (PFM), zoals weergegeven in figuur 1 (c). We bevestigden dat de uniforme polarisatie zelfs na het hechtingsproces behouden bleef.
Met behulp van dit LToI-substraat hebben we de golfgeleider als volgt gefabriceerd. Eerst werd een metalen maskerlaag afgezet voor daaropvolgend droog etsen van de LT. Vervolgens werd elektronenbundellithografie (EB) uitgevoerd om het kernpatroon van de golfgeleider bovenop de metalen maskerlaag te definiëren. Vervolgens hebben we het EB-resistpatroon via droog etsen overgebracht naar de metalen maskerlaag. Daarna werd de LToI-golfgeleiderkern gevormd met behulp van plasma-etsen met elektronencyclotronresonantie (ECR). Ten slotte werd de metalen maskerlaag verwijderd via een nat proces en werd een SiO2-bovenlaag afgezet met behulp van plasma-versterkte chemische dampafzetting. Figuur 1 (d) toont de schematische dwarsdoorsnede van de LToI-golfgeleider. De totale kernhoogte, plaathoogte en kernbreedte zijn respectievelijk 200 nm, 100 nm en 1000 nm. Merk op dat de kernbreedte uitzet tot 3 µm aan de rand van de golfgeleider voor optische vezelkoppeling.
Figuur 1 (e) toont de berekende optische intensiteitsverdeling van de fundamentele transversale elektrische (TE) modus bij 1550 nm. Figuur 1 (f) toont het scanning-elektronenmicroscoopbeeld (SEM) van de LToI-golfgeleiderkern vóór de afzetting van de SiO2-bovenlaag.
Golfgeleiderkenmerken:We evalueerden eerst de lineaire verlieskarakteristieken door TE-gepolariseerd licht van een met een golflengte van 1550 nm versterkte spontane emissiebron in te voeren in LToI-golfgeleiders van verschillende lengtes. Het voortplantingsverlies werd verkregen uit de helling van de relatie tussen de lengte van de golfgeleider en de transmissie bij elke golflengte. De gemeten voortplantingsverliezen waren 0,32, 0,28 en 0,26 dB/cm bij respectievelijk 1530, 1550 en 1570 nm, zoals weergegeven in figuur 2 (a). De gefabriceerde LToI-golfgeleiders vertoonden vergelijkbare prestaties met weinig verlies als de modernste LNoI-golfgeleiders [10].
Vervolgens hebben we de niet-lineariteit van χ(3) beoordeeld via de golflengteconversie die wordt gegenereerd door een mengproces met vier golven. We voeren een continu golfpomplicht in bij 1550,0 nm en een signaallicht bij 1550,6 nm in een 12 mm lange golfgeleider. Zoals weergegeven in figuur 2 (b), nam de intensiteit van het fase-geconjugeerde (rustigere) lichtgolfsignaal toe met toenemend ingangsvermogen. De inzet in figuur 2 (b) toont het typische uitgangsspectrum van de viergolfmenging. Op basis van de relatie tussen ingangsvermogen en conversie-efficiëntie schatten we de niet-lineaire parameter (γ) op ongeveer 11 W^-1m.
Figuur 3.(a) Microscoopbeeld van de gefabriceerde ringresonator. (b) Transmissiespectra van de ringresonator met verschillende spleetparameters. (c) Gemeten en Lorentz-aangepast transmissiespectrum van de ringresonator met een opening van 1000 nm.
Vervolgens hebben we een LToI-ringresonator gefabriceerd en de kenmerken ervan geëvalueerd. Figuur 3 (a) toont het optische microscoopbeeld van de vervaardigde ringresonator. De ringresonator heeft een "racetrack" -configuratie, bestaande uit een gebogen gebied met een straal van 100 µm en een recht gebied met een lengte van 100 µm. De spleetbreedte tussen de ring en de busgolfgeleiderkern varieert in stappen van 200 nm, specifiek bij 800, 1000 en 1200 nm. Figuur 3 (b) geeft de transmissiespectra voor elke opening weer, wat aangeeft dat de uitdovingsverhouding verandert met de grootte van de opening. Uit deze spectra hebben we vastgesteld dat de kloof van 1000 nm vrijwel kritische koppelingsomstandigheden biedt, aangezien deze de hoogste uitdovingsverhouding van -26 dB vertoont.
Met behulp van de kritisch gekoppelde resonator hebben we de kwaliteitsfactor (Q-factor) geschat door het lineaire transmissiespectrum aan te passen met een Lorentziaanse curve, waardoor een interne Q-factor van 1,1 miljoen werd verkregen, zoals weergegeven in figuur 3 (c). Voor zover wij weten is dit de eerste demonstratie van een golfgeleider-gekoppelde LToI-ringresonator. Opvallend is dat de Q-factorwaarde die we hebben bereikt aanzienlijk hoger is dan die van vezelgekoppelde LToI-microschijfresonatoren [9].
Conclusie:We hebben een LToI-golfgeleider ontwikkeld met een verlies van 0,28 dB/cm bij 1550 nm en een Q-factor van de ringresonator van 1,1 miljoen. De verkregen prestaties zijn vergelijkbaar met die van de modernste LNoI-golfgeleiders met laag verlies. Daarnaast hebben we de niet-lineariteit van χ(3) van de gefabriceerde LToI-golfgeleider onderzocht voor niet-lineaire toepassingen op de chip.
Posttijd: 20 november 2024