Abstract:We hebben een lithiumtantalaat-golfgeleider met een isolator 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 onderzocht. De voordelen van lithiumniobaat op isolator (LNoI), dat uitstekende niet-lineaire χ(2)- en χ(3)-eigenschappen vertoont in combinatie met een sterke optische opsluiting dankzij 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 een 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 de 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 oppervlakte-akoestische golf (SAW)-filters, toepasbaar in snelle mobiele en draadloze technologieën. In deze context kunnen LToI-wafers meer gangbare materialen worden voor fotonische toepassingen. Tot op heden zijn er echter slechts enkele fotonische apparaten op basis van LToI gerapporteerd, zoals microdisk-resonatoren [8] en elektro-optische faseverschuivingen [9]. In dit artikel presenteren we een LToI-golfgeleider met laag verlies en de toepassing ervan in een ringresonator. Daarnaast beschrijven we de niet-lineaire χ(3)-karakteristieken van de LToI-golfgeleider.
Belangrijkste punten:
• Aanbieden van 4-inch tot 6-inch LToI-wafers, dunne-film lithiumtantalaatwafers, met een toplaagdikte variërend van 100 nm tot 1500 nm, waarbij gebruik wordt gemaakt van binnenlandse technologie en volwassen processen.
• SINOI: Dunnefilmwafers van siliciumnitride met uiterst laag verlies.
• SICOI: Substraten van dunne, semi-isolerende siliciumcarbide met een hoge zuiverheidsgraad voor fotonische geïntegreerde siliciumcarbideschakelingen.
• LTOI: Een sterke concurrent voor lithium niobaat, dunne-film lithium tantalaat wafers.
• LNOI: 8-inch LNOI ter ondersteuning van de massaproductie van grootschalige dunnefilmlithium niobaatproducten.
Fabricage op isolatorgolfgeleiders:In deze studie hebben we gebruikgemaakt van 4-inch LToI-wafers. De bovenste LT-laag is een commercieel 42° gedraaid Y-gesneden LT-substraat voor SAW-apparaten, dat direct is verbonden met een Si-substraat met een 3 µm dikke thermische oxidelaag, met behulp van een slim snijproces. Figuur 1(a) toont een bovenaanzicht van de LToI-wafer, met een dikte van de bovenste LT-laag van 200 nm. We hebben de oppervlakteruwheid van de bovenste LT-laag beoordeeld met behulp van atoomkrachtmicroscopie (AFM).
Figuur 1.(a) Bovenaanzicht van de LToI-wafer, (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-afbeelding van de kern van de LToI-golfgeleider vóór de depositie van de SiO2-overlaag. Zoals weergegeven in figuur 1 (b), is de oppervlakteruwheid minder dan 1 nm en werden 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 hebben bevestigd dat de uniforme polarisatie zelfs na het bondingproces behouden bleef.
Met behulp van dit LToI-substraat hebben we de golfgeleider als volgt vervaardigd. Eerst werd een metalen maskerlaag aangebracht voor het droogetsen van de LT. Vervolgens werd elektronenbundellithografie (EB) uitgevoerd om het kernpatroon van de golfgeleider op de metalen maskerlaag te definiëren. Vervolgens brachten we het EB-resistpatroon over op de metalen maskerlaag via droogetsen. Vervolgens werd de LToI-golfgeleiderkern gevormd met behulp van elektronencyclotronresonantie (ECR) plasma-etsen. Ten slotte werd de metalen maskerlaag verwijderd via een nat proces en werd een SiO2-overlaag aangebracht met behulp van plasmaversterkte chemische dampdepositie (CVD). 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 aan de rand van de golfgeleider uitbreidt tot 3 µm 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 de scanning elektronenmicroscoop (SEM)-opname van de LToI-golfgeleiderkern vóór de afzetting van de SiO2-overlaag.
Golfgeleiderkenmerken:We hebben eerst de lineaire verlieskarakteristieken geëvalueerd door TE-gepolariseerd licht van een versterkte spontane emissiebron met een golflengte van 1550 nm in LToI-golfgeleiders van verschillende lengtes te brengen. Het voortplantingsverlies werd verkregen uit de helling van de relatie tussen de golfgeleiderlengte en de transmissie bij elke golflengte. De gemeten voortplantingsverliezen bedroegen respectievelijk 0,32, 0,28 en 0,26 dB/cm bij 1530, 1550 en 1570 nm, zoals weergegeven in figuur 2 (a). De gefabriceerde LToI-golfgeleiders vertoonden een vergelijkbaar verliesarm gedrag als de modernste LNoI-golfgeleiders [10].
Vervolgens hebben we de niet-lineariteit van χ(3) beoordeeld aan de hand van de golflengteconversie die gegenereerd wordt door een mengproces met vier golven. We voerden een continue golfpomplicht van 1550,0 nm en een signaallicht van 1550,6 nm in een 12 mm lange golfgeleider. Zoals weergegeven in figuur 2 (b), nam de signaalintensiteit van de fasegeconjugeerde (idler) lichtgolf toe met toenemend ingangsvermogen. De inzet in figuur 2 (b) toont het typische uitgangsspectrum van de menging met vier golven. 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) Microscoopopname van de vervaardigde ringresonator. (b) Transmissiespectra van de ringresonator met verschillende spleetparameters. (c) Gemeten en met de Lorentz-methode aangepast transmissiespectrum van de ringresonator met een spleet van 1000 nm.
Vervolgens hebben we een LToI-ringresonator gefabriceerd en de eigenschappen ervan geëvalueerd. Figuur 3 (a) toont de optische microscoopopname van de gefabriceerde ringresonator. De ringresonator heeft een "racebaan"-configuratie, bestaande uit een gebogen gedeelte met een straal van 100 µm en een recht gedeelte van 100 µm lang. De spleetbreedte tussen de ring en de kern van de busgolfgeleider varieert in stappen van 200 nm, specifiek bij 800, 1000 en 1200 nm. Figuur 3 (b) toont de transmissiespectra voor elke spleet, wat aangeeft dat de extinctieverhouding verandert met de spleetgrootte. Uit deze spectra hebben we afgeleid dat de spleet van 1000 nm bijna kritische koppelingsomstandigheden biedt, aangezien deze de hoogste extinctieverhouding van -26 dB vertoont.
Met behulp van de kritisch gekoppelde resonator hebben we de kwaliteitsfactor (Q-factor) geschat door het lineaire transmissiespectrum te fitten met een Lorentz-curve. Dit leverde een interne Q-factor op van 1,1 miljoen, 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-factor die we bereikten aanzienlijk hoger is dan die van vezel-gekoppelde LToI-microdiskresonatoren [9].
Conclusie:We hebben een LToI-golfgeleider ontwikkeld met een verlies van 0,28 dB/cm bij 1550 nm en een Q-factor van 1,1 miljoen voor de ringresonator. De verkregen prestaties zijn vergelijkbaar met die van state-of-the-art LNoI-golfgeleiders met laag verlies. Daarnaast hebben we de χ(3)-niet-lineariteit van de geproduceerde LToI-golfgeleider onderzocht voor niet-lineaire toepassingen op de chip.
Plaatsingstijd: 20-11-2024