Abstract:Mēs esam izstrādājuši 1550 nm izolatora bāzes litija tantalāta viļņvadu ar zudumu 0,28 dB/cm un gredzena rezonatora kvalitātes koeficientu 1,1 miljonu. Pētīts χ(3) nelinearitātes pielietojums nelineārajā fotonikā. Litija niobāta priekšrocības uz izolatora (LNoI), kam piemīt izcilas χ(2) un χ(3) nelineāras īpašības, kā arī spēcīga optiskā norobežošanās, pateicoties tā "izolatora" struktūrai, ir novedušas pie ievērojama progresa viļņvada tehnoloģijā īpaši ātrai lietošanai. modulatori un integrētā nelineārā fotonika [1-3]. Papildus LN kā nelineārs fotonisks materiāls ir pētīts arī litija tantalāts (LT). Salīdzinot ar LN, LT ir augstāks optiskā bojājuma slieksnis un plašāks optiskās caurspīdīguma logs [4, 5], lai gan tā optiskie parametri, piemēram, laušanas koeficients un nelineārie koeficienti, ir līdzīgi LN parametriem [6, 7]. Tādējādi LToI izceļas kā vēl viens spēcīgs kandidātmateriāls augstas optiskās jaudas nelineāriem fotoniskajiem lietojumiem. Turklāt LToI kļūst par primāro materiālu virsmas akustisko viļņu (SAW) filtru ierīcēm, ko var izmantot ātrgaitas mobilajās un bezvadu tehnoloģijās. Šajā kontekstā LToI vafeles var kļūt par izplatītākiem materiāliem fotonikas lietojumiem. Tomēr līdz šim ir ziņots tikai par dažām fotoniskām ierīcēm, kuru pamatā ir LToI, piemēram, mikrodisku rezonatori [8] un elektrooptiskie fāzes pārveidotāji [9]. Šajā rakstā mēs iepazīstinām ar zemu zudumu LToI viļņvadu un tā pielietojumu gredzena rezonatorā. Turklāt mēs sniedzam LToI viļņvada χ (3) nelineāros raksturlielumus.
Galvenie punkti:
• Piedāvā 4 collu līdz 6 collu LToI vafeles, plānslāņa litija tantalāta vafeles ar augšējā slāņa biezumu no 100 nm līdz 1500 nm, izmantojot vietējās tehnoloģijas un nobriedušus procesus.
• SINOI: īpaši zemu zudumu silīcija nitrīda plānslāņa vafeles.
• SICOI: augstas tīrības pakāpes daļēji izolācijas silīcija karbīda plānslāņa substrāti silīcija karbīda fotoniskajām integrālajām shēmām.
• LTOI: spēcīgs konkurents litija niobāta, plānslāņa litija tantalāta plāksnēm.
• LNOI: 8 collu LNOI, kas atbalsta lielāka mēroga plānslāņa litija niobāta izstrādājumu masveida ražošanu.
Ražošana uz izolatora viļņvadiem:Šajā pētījumā mēs izmantojām 4 collu LToI vafeles. Augšējais LT slānis ir komerciāls par 42° pagriezts Y-cut LT substrāts SAW ierīcēm, kas ir tieši savienots ar Si substrātu ar 3 µm biezu termiskā oksīda slāni, izmantojot viedu griešanas procesu. Attēlā 1 (a) parādīts LToI vafeles skats no augšas ar augšējā LT slāņa biezumu 200 nm. Mēs novērtējām augšējā LT slāņa virsmas raupjumu, izmantojot atomu spēka mikroskopiju (AFM).
1. attēls.a) LToI vafeles augšējais skats, b) augšējā LT slāņa virsmas AFM attēls, c) augšējā LT slāņa virsmas PFM attēls, d) LToI viļņvada shematisks šķērsgriezums, (e) Aprēķinātais pamata TE režīma profils un (f) LToI viļņvada kodola SEM attēls pirms SiO2 virsslāņa nogulsnēšanās. Kā parādīts 1. (b) attēlā, virsmas raupjums ir mazāks par 1 nm, un netika novērotas skrāpējumu līnijas. Turklāt mēs pārbaudījām augšējā LT slāņa polarizācijas stāvokli, izmantojot pjezoelektriskās reakcijas spēka mikroskopiju (PFM), kā parādīts 1. (c) attēlā. Mēs apstiprinājām, ka vienmērīga polarizācija tika saglabāta pat pēc savienošanas procesa.
Izmantojot šo LToI substrātu, mēs izgatavojām viļņvadu šādi. Pirmkārt, tika uzklāts metāla maskas slānis turpmākai LT sausai kodināšanai. Pēc tam tika veikta elektronu staru (EB) litogrāfija, lai noteiktu viļņvada serdes modeli metāla maskas slāņa augšpusē. Pēc tam mēs pārnesām EB pretestības modeli uz metāla maskas slāni, izmantojot sausu kodināšanu. Pēc tam LToI viļņvada kodols tika izveidots, izmantojot elektronu ciklotronu rezonanses (ECR) plazmas kodināšanu. Visbeidzot, metāla maskas slānis tika noņemts, izmantojot mitru procesu, un SiO2 pārklājums tika uzklāts, izmantojot plazmas pastiprinātu ķīmisko tvaiku nogulsnēšanos. Attēlā 1 (d) parādīts LToI viļņvada shematisks šķērsgriezums. Kopējais serdes augstums, plāksnes augstums un serdes platums ir attiecīgi 200 nm, 100 nm un 1000 nm. Ņemiet vērā, ka optiskās šķiedras savienojumam serdes platums viļņvada malā palielinās līdz 3 µm.
1. (e) attēlā parādīts aprēķinātais optiskās intensitātes sadalījums pamata šķērsvirziena elektriskā (TE) režīmā pie 1550 nm. 1. (f) attēlā parādīts LToI viļņvada kodola skenējošā elektronu mikroskopa (SEM) attēls pirms SiO2 pārklājuma nogulsnēšanās.
Viļņvada raksturlielumi:Vispirms mēs novērtējām lineāro zudumu raksturlielumus, ievadot TE-polarizētu gaismu no 1550 nm viļņa garuma pastiprināta spontānas emisijas avota dažāda garuma LToI viļņvados. Izplatīšanās zudumi tika iegūti no attiecības slīpuma starp viļņvada garumu un pārraidi katrā viļņa garumā. Izmērītie izplatīšanās zudumi bija attiecīgi 0,32, 0,28 un 0,26 dB/cm pie 1530, 1550 un 1570 nm, kā parādīts 2. attēlā (a). Izgatavotajiem LToI viļņvadiem bija salīdzināma zemu zudumu veiktspēja ar jaunākajiem LNoI viļņvadiem [10].
Pēc tam mēs novērtējām χ (3) nelinearitāti, izmantojot viļņa garuma pārveidi, ko radīja četru viļņu sajaukšanas process. Mēs ievadām nepārtrauktu viļņu sūkņa gaismu pie 1550,0 nm un signāla gaismu pie 1550,6 nm 12 mm garā viļņvadā. Kā parādīts 2. (b) attēlā, fāzes konjugētā (dīkstāves) gaismas viļņa signāla intensitāte palielinājās, palielinoties ieejas jaudai. 2. (b) attēla ieliktnis parāda tipisko četru viļņu sajaukšanas izejas spektru. Pamatojoties uz sakarību starp ieejas jaudu un konversijas efektivitāti, mēs aprēķinājām, ka nelineārais parametrs (γ) ir aptuveni 11 W^-1m.
3. attēls.a ) Izgatavotā gredzena rezonatora mikroskopa attēls. (b) Gredzena rezonatora pārraides spektri ar dažādiem spraugas parametriem. c ) izmērīts un ar Lorenci aprīkots gredzena rezonatora pārraides spektrs ar 1000 nm atstarpi.
Pēc tam mēs izgatavojām LToI gredzena rezonatoru un novērtējām tā īpašības. Attēlā 3 (a) parādīts izgatavotā gredzena rezonatora optiskā mikroskopa attēls. Gredzena rezonatoram ir "sacīkšu trases" konfigurācija, kas sastāv no izliekta apgabala ar rādiusu 100 µm un taisna apgabala 100 µm garumā. Atstarpes platums starp gredzenu un kopnes viļņvada serdi mainās ar soli 200 nm, īpaši pie 800, 1000 un 1200 nm. Attēlā 3 (b) ir parādīti katras spraugas pārraides spektri, kas norāda, ka ekstinkcijas koeficients mainās līdz ar spraugas izmēru. No šiem spektriem mēs noteicām, ka 1000 nm sprauga nodrošina gandrīz kritiskus savienojuma apstākļus, jo tai ir visaugstākā ekstinkcijas attiecība -26 dB.
Izmantojot kritiski savienoto rezonatoru, mēs novērtējām kvalitātes koeficientu (Q koeficientu), aprīkojot lineāro pārraides spektru ar Lorencia līkni, iegūstot iekšējo Q koeficientu 1, 1 miljonu, kā parādīts 3. (c) attēlā. Cik mums zināms, šī ir pirmā ar viļņvadu savienota LToI gredzena rezonatora demonstrācija. Proti, mūsu sasniegtā Q faktora vērtība ir ievērojami augstāka nekā ar šķiedru savienotiem LToI mikrodisku rezonatoriem [9].
Secinājums:Mēs izstrādājām LToI viļņvadu ar zudumu 0, 28 dB / cm pie 1550 nm un gredzena rezonatora Q koeficientu 1, 1 miljonu. Iegūtā veiktspēja ir salīdzināma ar vismodernāko zemu zudumu LNoI viļņvadu veiktspēju. Turklāt mēs pētījām izgatavotā LToI viļņvada χ (3) nelinearitāti mikroshēmas nelineāriem lietojumiem.
Izlikšanas laiks: 20. novembris 2024