Abstract:We hebben een op een isolator gebaseerde lithiumtantalaat-golfgeleider van 1550 nm ontwikkeld met een verlies van 0,28 dB/cm en een kwaliteitsfactor van de ringresonator van 1,1 miljoen. De toepassing van χ(3)-niet-lineariteit in niet-lineaire fotonica is onderzocht. De voordelen van lithiumniobaat op een isolator (LNoI), dat uitstekende χ(2)- en χ(3)-niet-lineaire eigenschappen vertoont, samen met sterke optische opsluiting dankzij de "isolator-op"-structuur, hebben geleid tot aanzienlijke vooruitgang in 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 de brekingsindex en de niet-lineaire coëfficiënten, vergelijkbaar zijn met die van LN [6, 7]. LToI onderscheidt zich dus als een ander sterk kandidaat-materiaal voor niet-lineaire fotonische toepassingen met hoog optisch vermogen. Bovendien wordt LToI een primair materiaal voor oppervlakte-akoestische golf (SAW)-filterapparaten, toepasbaar in snelle mobiele en draadloze technologieën. In deze context zouden LToI-wafers wel eens vaker gebruikt kunnen worden als materiaal voor fotonische toepassingen. Tot nu toe zijn er echter slechts enkele fotonische apparaten op basis van LToI gerapporteerd, zoals microdisk-resonatoren [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 karakteristieken van de LToI-golfgeleider weer.
Belangrijkste punten:
• Wij bieden LToI-wafers van 4 tot 6 inch aan, dunne-film lithiumtantalaatwafers, met een toplaagdikte van 100 nm tot 1500 nm, waarbij gebruik wordt gemaakt van binnenlandse technologie en beproefde processen.
• SINOI: Siliciumnitride dunnefilmwafers met ultralage verliezen.
• SICOI: Hoogzuivere, halfgeleidende siliciumcarbide dunnefilmsubstraten voor fotonische geïntegreerde schakelingen van siliciumcarbide.
• LTOI: Een sterke concurrent voor lithiumniobaat, dunnefilm-lithiumtantalaatwafers.
• LNOI: 8-inch LNOI ter ondersteuning van de massaproductie van grootschalige dunnefilm-lithiumniobaatproducten.
Fabricage op isolerende golfgeleiders:In deze studie hebben we 4-inch LToI-wafers gebruikt. 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 200 nm voor de bovenste LT-laag. 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 profiel van de fundamentele TE-modus en (f) SEM-afbeelding van de kern van de LToI-golfgeleider vóór de afzetting 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 behouden bleef, zelfs na het hechtingsproces.
Met behulp van dit LToI-substraat hebben we de golfgeleider als volgt vervaardigd. Eerst werd een metalen maskerlaag aangebracht voor het daaropvolgende droogetsen van de LT. Vervolgens werd elektronenbundellithografie (EB-lithografie) uitgevoerd om het patroon van de golfgeleiderkern op de metalen maskerlaag te definiëren. Daarna werd het EB-resistpatroon via droogetsen overgebracht naar de metalen maskerlaag. Vervolgens werd de LToI-golfgeleiderkern gevormd met behulp van elektronencyclotronresonantie (ECR)-plasma-etsen. Ten slotte werd de metalen maskerlaag verwijderd door middel van een nat proces en werd een SiO2-overlaag aangebracht met behulp van plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). 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 toeneemt 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 scanningelektronenmicroscoop (SEM)-afbeelding van de LToI-golfgeleiderkern vóór de depositie van de SiO2-bovenlaag.
Golfgeleidereigenschappen: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 leiden. 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 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 vergelijkbare lage-verliesprestaties als de state-of-the-art LNoI-golfgeleiders [10].
Vervolgens hebben we de χ(3)-niet-lineariteit beoordeeld aan de hand van de golflengteconversie die wordt gegenereerd door een viergolfmengproces. We voerden een continue pompgolf met een golflengte van 1550,0 nm en een signaalgolf met een golflengte van 1550,6 nm in een 12 mm lange golfgeleider. Zoals weergegeven in figuur 2(b), nam de intensiteit van het fasegeconjugeerde (idler) lichtgolfsignaal toe met toenemend ingangsvermogen. De inzet in figuur 2(b) toont het typische uitgangsspectrum van de viergolfmenging. Uit de relatie tussen ingangsvermogen en conversie-efficiëntie schatten we de niet-lineaire parameter (γ) op ongeveer 11 W⁻¹m.
Figuur 3.(a) Microscopische afbeelding van de vervaardigde ringresonator. (b) Transmissiespectra van de ringresonator met verschillende spleetparameters. (c) Gemeten en met een Lorentzian-functie aangepast transmissiespectrum van de ringresonator met een spleet van 1000 nm.
Vervolgens hebben we een LToI-ringresonator vervaardigd en de eigenschappen ervan geëvalueerd. Figuur 3 (a) toont de optische microscoopafbeelding van de vervaardigde ringresonator. De ringresonator heeft een "racetrack"-configuratie, bestaande uit een gebogen gedeelte met een straal van 100 µm en een recht gedeelte van 100 µm lengte. De spleetbreedte tussen de ring en de kern van de busgolfgeleider varieert in stappen van 200 nm, namelijk 800, 1000 en 1200 nm. Figuur 3 (b) toont de transmissiespectra voor elke spleetbreedte, waaruit blijkt dat de extinctieverhouding verandert met de spleetgrootte. Uit deze spectra hebben we vastgesteld dat de spleetbreedte 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, waarbij we een interne Q-factor van 1,1 miljoen 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 door ons bereikte Q-factorwaarde 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 behaalde prestaties zijn vergelijkbaar met die van de meest geavanceerde LNoI-golfgeleiders met laag verlies. Daarnaast hebben we de χ(3)-niet-lineariteit van de geproduceerde LToI-golfgeleider onderzocht voor niet-lineaire toepassingen op een chip.
Geplaatst op: 20 november 2024