Abstrak:Kami telah membangunkan pandu gelombang litium tantalat berasaskan penebat 1550 nm dengan kehilangan 0.28 dB/cm dan faktor kualiti resonator cincin sebanyak 1.1 juta. Aplikasi χ(3) tak linear dalam fotonik tak linear telah dikaji. Kelebihan litium niobate pada penebat (LNoI), yang mempamerkan sifat tak linear χ(2) dan χ(3) yang sangat baik bersama-sama dengan kurungan optik yang kuat kerana struktur "penebat-on", telah membawa kepada kemajuan yang ketara dalam teknologi pandu gelombang untuk ultrafast modulator dan fotonik tak linear bersepadu [1-3]. Sebagai tambahan kepada LN, litium tantalate (LT) juga telah disiasat sebagai bahan fotonik tak linear. Berbanding dengan LN, LT mempunyai ambang kerosakan optik yang lebih tinggi dan tetingkap ketelusan optik yang lebih luas [4, 5], walaupun parameter optiknya, seperti indeks biasan dan pekali tak linear, adalah serupa dengan LN [6, 7]. Oleh itu, LToI menonjol sebagai satu lagi bahan calon yang kuat untuk aplikasi fotonik tak linear kuasa optik tinggi. Selain itu, LToI menjadi bahan utama untuk peranti penapis gelombang akustik permukaan (SAW), yang boleh digunakan dalam teknologi mudah alih dan wayarles berkelajuan tinggi. Dalam konteks ini, wafer LToI mungkin menjadi bahan yang lebih biasa untuk aplikasi fotonik. Walau bagaimanapun, sehingga kini, hanya beberapa peranti fotonik berdasarkan LToI telah dilaporkan, seperti resonator cakera mikro [8] dan pengalih fasa elektro-optik [9]. Dalam makalah ini, kami membentangkan pandu gelombang LToI kehilangan rendah dan aplikasinya dalam resonator cincin. Selain itu, kami menyediakan ciri tak linear χ(3) pandu gelombang LToI.
Perkara Utama:
• Menawarkan wafer LToI 4-inci hingga 6-inci, wafer litium tantalat filem nipis, dengan ketebalan lapisan atas antara 100 nm hingga 1500 nm, menggunakan teknologi domestik dan proses matang.
• SINOI: Wafer filem nipis silikon nitrida kehilangan ultra rendah.
• SICOI: Substrat filem nipis silikon karbida separa penebat ketulenan tinggi untuk litar bersepadu fotonik silikon karbida.
• LTOI: Pesaing kuat kepada litium niobate, wafer litium tantalat filem nipis.
• LNOI: LNOI 8-inci menyokong pengeluaran besar-besaran produk litium niobate filem nipis berskala lebih besar.
Pembuatan pada Pandu Gelombang Penebat:Dalam kajian ini, kami menggunakan wafer LToI 4 inci. Lapisan LT atas ialah substrat LT potong Y yang diputar 42° komersil untuk peranti SAW, yang diikat terus pada substrat Si dengan lapisan oksida terma setebal 3 µm, menggunakan proses pemotongan pintar. Rajah 1(a) menunjukkan paparan atas wafer LToI, dengan ketebalan lapisan LT atas 200 nm. Kami menilai kekasaran permukaan lapisan LT atas menggunakan mikroskopi daya atom (AFM).
Rajah 1.(a) Pandangan atas wafer LToI, (b) Imej AFM permukaan lapisan LT atas, (c) Imej PFM permukaan lapisan LT atas, (d) Keratan rentas skematik pandu gelombang LToI, (e) Profil mod TE asas dikira, dan (f) imej SEM teras pandu gelombang LToI sebelum pemendapan lapisan SiO2. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (b), kekasaran permukaan adalah kurang daripada 1 nm, dan tiada garis calar diperhatikan. Di samping itu, kami memeriksa keadaan polarisasi lapisan LT atas menggunakan mikroskop daya tindak balas piezoelektrik (PFM), seperti yang digambarkan dalam Rajah 1 (c). Kami mengesahkan bahawa polarisasi seragam dikekalkan walaupun selepas proses ikatan.
Menggunakan substrat LToI ini, kami membuat pandu gelombang seperti berikut. Pertama, lapisan topeng logam didepositkan untuk pengelasan kering LT berikutnya. Kemudian, litografi rasuk elektron (EB) dilakukan untuk menentukan corak teras pandu gelombang di atas lapisan topeng logam. Seterusnya, kami memindahkan corak rintangan EB ke lapisan topeng logam melalui etsa kering. Selepas itu, teras pandu gelombang LToI dibentuk menggunakan etsa plasma elektron cyclotron resonance (ECR). Akhirnya, lapisan topeng logam telah dikeluarkan melalui proses basah, dan lapisan SiO2 didepositkan menggunakan pemendapan wap kimia yang dipertingkatkan plasma. Rajah 1 (d) menunjukkan keratan rentas skematik pandu gelombang LToI. Jumlah ketinggian teras, ketinggian plat, dan lebar teras ialah 200 nm, 100 nm, dan 1000 nm, masing-masing. Ambil perhatian bahawa lebar teras mengembang kepada 3 µm pada tepi pandu gelombang untuk gandingan gentian optik.
Rajah 1 (e) memaparkan taburan keamatan optik yang dikira bagi mod elektrik melintang asas (TE) pada 1550 nm. Rajah 1 (f) menunjukkan imej mikroskop elektron pengimbasan (SEM) teras pandu gelombang LToI sebelum pemendapan lapisan SiO2.
Ciri-ciri pandu gelombang:Kami mula-mula menilai ciri kehilangan linear dengan memasukkan cahaya terpolarisasi TE daripada panjang gelombang 1550 nm yang dikuatkan sumber pelepasan spontan ke dalam pandu gelombang LToI dengan panjang yang berbeza-beza. Kehilangan perambatan diperoleh daripada kecerunan hubungan antara panjang pandu gelombang dan penghantaran pada setiap panjang gelombang. Kehilangan perambatan yang diukur ialah 0.32, 0.28, dan 0.26 dB/cm pada 1530, 1550, dan 1570 nm, masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (a). Pandu gelombang LToI yang direka mempamerkan prestasi kehilangan rendah yang setanding dengan pandu gelombang LNoI yang canggih [10].
Seterusnya, kami menilai ketaklinearan χ(3) melalui penukaran panjang gelombang yang dihasilkan oleh proses pencampuran empat gelombang. Kami memasukkan cahaya pam gelombang berterusan pada 1550.0 nm dan lampu isyarat pada 1550.6 nm ke dalam pandu gelombang panjang 12 mm. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b), keamatan isyarat gelombang cahaya fasa-konjugat (pemalas) meningkat dengan peningkatan kuasa input. Inset dalam Rajah 2 (b) menunjukkan spektrum keluaran biasa bagi pencampuran empat gelombang. Daripada perhubungan antara kuasa input dan kecekapan penukaran, kami menganggarkan parameter tak linear (γ) menjadi lebih kurang 11 W^-1m.
Rajah 3.(a) Imej mikroskop resonator gelang yang direka. (b) Spektrum penghantaran resonator gelang dengan pelbagai parameter jurang. (c) Spektrum penghantaran yang diukur dan dipasang Lorentzian bagi resonator cincin dengan jurang 1000 nm.
Seterusnya, kami mencipta resonator cincin LToI dan menilai ciri-cirinya. Rajah 3 (a) menunjukkan imej mikroskop optik bagi resonator gelang yang dibuat. Resonator cincin mempunyai konfigurasi "landasan lumba", yang terdiri daripada kawasan melengkung dengan jejari 100 µm dan kawasan lurus sepanjang 100 µm. Lebar jurang antara cincin dan teras pandu gelombang bas berbeza dalam kenaikan 200 nm, khususnya pada 800, 1000 dan 1200 nm. Rajah 3 (b) memaparkan spektrum penghantaran untuk setiap jurang, menunjukkan bahawa nisbah kepupusan berubah dengan saiz jurang. Daripada spektrum ini, kami menentukan bahawa jurang 1000 nm menyediakan keadaan gandingan yang hampir kritikal, kerana ia mempamerkan nisbah kepupusan tertinggi -26 dB.
Menggunakan resonator gandingan kritikal, kami menganggarkan faktor kualiti (faktor Q) dengan memasangkan spektrum penghantaran linear dengan lengkung Lorentzian, memperoleh faktor Q dalaman sebanyak 1.1 juta, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3 (c). Untuk pengetahuan kami, ini adalah demonstrasi pertama resonator gelang LToI berganding pandu gelombang. Terutama, nilai faktor Q yang kami capai adalah jauh lebih tinggi daripada resonator mikrodisk LToI bergandingan gentian [9].
Kesimpulan:Kami membangunkan pandu gelombang LToI dengan kehilangan 0.28 dB/cm pada 1550 nm dan faktor Q resonator cincin sebanyak 1.1 juta. Prestasi yang diperoleh adalah setanding dengan pandu gelombang LNoI kehilangan rendah yang canggih. Selain itu, kami menyiasat ketaklinieran χ(3) pandu gelombang LToI yang dihasilkan untuk aplikasi bukan linear pada cip.
Masa siaran: Nov-20-2024