Kopsavilkums:Esam izstrādājuši 1550 nm izolatora bāzes litija tantalāta viļņvadu ar zudumiem 0,28 dB/cm un gredzena rezonatora kvalitātes koeficientu 1,1 miljons. Ir pētīta χ(3) nelinearitātes pielietojums nelineārajā fotonikā. Litija niobāta uz izolatora (LNoI) priekšrocības, kam piemīt izcilas χ(2) un χ(3) nelineāras īpašības, kā arī spēcīga optiskā ierobežošana, pateicoties tā "izolatora uz" struktūrai, ir novedušas pie ievērojamiem sasniegumiem viļņvadu tehnoloģijā īpaši ātrajiem modulatoriem un integrētai nelineārai fotonikai [1-3]. Papildus LN, litija tantalāts (LT) ir pētīts arī kā nelineārs fotonisks materiāls. Salīdzinot ar LN, LT ir augstāks optisko bojājumu slieksnis un plašāks optiskās caurlaidības logs [4, 5], lai gan tā optiskie parametri, piemēram, refrakcijas indekss un nelineārie koeficienti, ir līdzīgi LN parametriem [6, 7]. Tādējādi LToI izceļas kā vēl viens spēcīgs kandidātmateriāls augstas optiskās jaudas nelineāriem fotonikas pielietojumiem. Turklāt LToI kļūst par primāro materiālu virsmas akustisko viļņu (SAW) filtru ierīcēm, ko var izmantot ātrgaitas mobilajās un bezvadu tehnoloģijās. Šajā kontekstā LToI plāksnes varētu kļūt par izplatītākiem materiāliem fotoniskiem lietojumiem. Tomēr līdz šim ir ziņots tikai par dažām fotoniskām ierīcēm, kuru pamatā ir LToI, piemēram, mikrodisku rezonatoriem [8] un elektrooptiskajiem fāzes nobīdītājiem [9]. Šajā rakstā mēs piedāvājam zemu zudumu LToI viļņvadu un tā pielietojumu gredzena rezonatorā. Turklāt mēs piedāvājam LToI viļņvada χ(3) nelineārās raksturlielumus.
Galvenie punkti:
• Piedāvājot 4 līdz 6 collu LToI plāksnes, plānslāņa litija tantalāta plāksnes ar virsējā slāņa biezumu no 100 nm līdz 1500 nm, izmantojot vietējās tehnoloģijas un nobriedušus procesus.
• SINOI: Īpaši zema zuduma silīcija nitrīda plānplēves plāksnes.
• SICOI: Augstas tīrības pakāpes daļēji izolējoši silīcija karbīda plānslāņa substrāti silīcija karbīda fotoniskajām integrālajām shēmām.
• LTOI: Spēcīgs konkurents litija niobātam, plānslāņa litija tantalāta plāksnēm.
• LNOI: 8 collu LNOI, kas atbalsta lielāka mēroga plānslāņa litija niobāta produktu masveida ražošanu.
Ražošana uz izolatora viļņvadiem:Šajā pētījumā mēs izmantojām 4 collu LToI plāksnes. Augšējais LT slānis ir komerciāls 42° pagriezts Y veida LT substrāts SAW ierīcēm, kas ir tieši savienots ar Si substrātu ar 3 µm biezu termiskā oksīda slāni, izmantojot viedās griešanas procesu. 1.a attēlā redzams LToI plāksnes skats no augšas, kur augšējā LT slāņa biezums ir 200 nm. Augšējā LT slāņa virsmas raupjumu novērtējām, izmantojot atomspēka mikroskopiju (AFM).
1. attēls.(a) LToI plāksnītes skats no augšas, (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 pārklājuma slāņa uzklāšanas. Kā parādīts 1. attēlā (b), virsmas raupjums ir mazāks par 1 nm, un netika novērotas skrāpējumu līnijas. Turklāt mēs pārbaudījām augšējā LT slāņa polarizācijas stāvokli, izmantojot pjezoelektrisko atbildes spēka mikroskopiju (PFM), kā parādīts 1. attēlā (c). Mēs apstiprinājām, ka vienmērīga polarizācija saglabājās pat pēc līmēšanas procesa.
Izmantojot šo LToI substrātu, mēs izgatavojām viļņvadu šādi. Vispirms tika uzklāts metāla maskas slānis sekojošai LT sausajai kodināšanai. Pēc tam tika veikta elektronstaru (EB) litogrāfija, lai definētu viļņvada serdeņa rakstu virs metāla maskas slāņa. Pēc tam mēs ar sausās kodināšanas palīdzību pārnesām EB rezista rakstu uz metāla maskas slāni. Pēc tam LToI viļņvada serde tika izveidota, izmantojot elektronu ciklotrona rezonanses (ECR) plazmas kodināšanu. Visbeidzot, metāla maskas slānis tika noņemts, izmantojot mitro procesu, un SiO2 pārklājums tika uzklāts, izmantojot plazmas pastiprinātu ķīmisko tvaiku pārklāšanu. 1. attēlā (d) parādīts LToI viļņvada shematisks šķērsgriezums. Kopējais serdeņa augstums, plāksnes augstums un serdeņa platums ir attiecīgi 200 nm, 100 nm un 1000 nm. Ņemiet vērā, ka serdeņa platums viļņvada malā palielinās līdz 3 µm optiskās šķiedras savienošanai.
1. attēlā (e) parādīts aprēķinātais fundamentālā šķērsvirziena elektriskā (TE) režīma optiskās intensitātes sadalījums pie 1550 nm. 1. attēlā (f) parādīts LToI viļņvada kodola skenējošā elektronmikroskopa (SEM) attēls pirms SiO2 pārklājuma slāņa uzklāšanas.
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 viļņvada garuma un caurlaidības attiecības slīpuma katrā viļņa garumā. Izmērītie izplatīšanās zudumi bija 0,32, 0,28 un 0,26 dB/cm attiecīgi pie 1530, 1550 un 1570 nm, kā parādīts 2. attēlā (a). Izgatavotajiem LToI viļņvadiem bija salīdzināma zema zudumu veiktspēja ar modernākajiem LNoI viļņvadiem [10].
Pēc tam mēs novērtējām χ(3) nelinearitāti, izmantojot viļņa garuma konversiju, ko ģenerēja četru viļņu sajaukšanas process. 12 mm garā viļņvadā ievadījām nepārtraukta viļņa sūknēšanas gaismu ar viļņu garumu 1550,0 nm un signālgaismu ar viļņu garumu 1550,6 nm. Kā parādīts 2. attēlā (b), fāzes konjugētā (tukšgaismas) gaismas viļņa signāla intensitāte palielinājās, palielinoties ieejas jaudai. 2. attēla (b) ieliktnī parādīts tipisks četru viļņu sajaukšanas izejas spektrs. No ieejas jaudas un konversijas efektivitātes attiecības mēs aprēķinājām, ka nelineārais parametrs (γ) ir aptuveni 11 W^-1m².
3. attēls.(a) Izgatavotā gredzena rezonatora mikroskopa attēls. (b) Gredzena rezonatora pārraides spektri ar dažādiem atstarpes parametriem. (c) Izmērīts un ar Lorenca pielāgošanu pielāgots gredzena rezonatora pārraides spektrs ar 1000 nm atstarpi.
Pēc tam mēs izgatavojām LToI gredzena rezonatoru un novērtējām tā raksturlielumus. 3. attēlā (a) redzams izgatavotā gredzena rezonatora optiskā mikroskopa attēls. Gredzena rezonatoram ir "sacīkšu trases" konfigurācija, kas sastāv no izliekta apgabala ar rādiusu 100 µm un taisna apgabala ar garumu 100 µm. Spraugas platums starp gredzenu un kopnes viļņvada kodolu mainās ar 200 nm soli, īpaši pie 800, 1000 un 1200 nm. 3. attēlā (b) 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 visaugstākais ekstinkcijas koeficients -26 dB.
Izmantojot kritiski saistīto rezonatoru, mēs novērtējām kvalitātes koeficientu (Q koeficientu), pielāgojot lineāro pārraides spektru Lorenca līknei, iegūstot iekšējo Q koeficientu 1,1 miljons, kā parādīts 3. attēlā (c). Mūsuprāt, šī ir pirmā viļņvada savienota LToI gredzena rezonatora demonstrācija. Jāatzīmē, ka mūsu sasniegtā Q koeficienta vērtība ir ievērojami augstāka nekā šķiedru savienotiem LToI mikrodisku rezonatoriem [9].
Secinājums:Mēs izstrādājām LToI viļņvadu ar zudumiem 0,28 dB/cm pie 1550 nm un gredzena rezonatora Q koeficientu 1,1 miljons. Iegūtie rezultāti ir salīdzināmi ar modernākajiem LNoI viļņvadiem ar zemiem zudumiem. Turklāt mēs pētījām izgatavotā LToI viļņvada χ(3) nelinearitāti nelineāriem pielietojumiem mikroshēmā.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 20. novembris