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. Penggunaan ketaklinearan χ(3) 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 berserta kurungan optik yang kuat disebabkan oleh struktur "penebat-pada"nya, telah membawa kepada kemajuan yang ketara dalam teknologi pandu gelombang untuk modulator ultra pantas dan fotonik tak linear bersepadu [1-3]. Selain LN, litium tantalat (LT) juga telah dikaji 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 kukuh untuk aplikasi fotonik tak linear berkuasa optik tinggi. Tambahan pula, LToI menjadi bahan utama untuk peranti penapis gelombang akustik permukaan (SAW), yang boleh digunakan dalam teknologi mudah alih dan tanpa wayar berkelajuan tinggi. Dalam konteks ini, wafer LToI mungkin menjadi bahan yang lebih biasa untuk aplikasi fotonik. Walau bagaimanapun, setakat ini, hanya beberapa peranti fotonik berdasarkan LToI yang telah dilaporkan, seperti resonator mikrocakera [8] dan pengalih fasa elektro-optik [9]. Dalam kertas kerja ini, kami membentangkan pandu gelombang LToI kehilangan rendah dan aplikasinya dalam resonator cincin. Selain itu, kami menyediakan ciri tak linear χ(3) bagi 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 wafer litium niobate, wafer litium tantalat filem nipis.
• LNOI: LNOI 8 inci yang menyokong pengeluaran besar-besaran produk niobate litium 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 potongan-Y berputar 42° komersial untuk peranti SAW, yang diikat terus pada substrat Si dengan lapisan oksida terma setebal 3 µm, menggunakan proses pemotongan pintar. Rajah 1(a) menunjukkan pandangan 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 yang dikira, dan (f) Imej SEM teras pandu gelombang LToI sebelum pemendapan lapisan atas SiO2. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (b), kekasaran permukaan adalah kurang daripada 1 nm, dan tiada garisan calar diperhatikan. Di samping itu, kami memeriksa keadaan pengkutuban lapisan LT atas menggunakan mikroskopi daya tindak balas piezoelektrik (PFM), seperti yang digambarkan dalam Rajah 1 (c). Kami mengesahkan bahawa pengkutuban seragam dikekalkan walaupun selepas proses pengikatan.
Menggunakan substrat LToI ini, kami menghasilkan pandu gelombang seperti berikut. Pertama, lapisan topeng logam dimendapkan untuk pengetsaan kering LT seterusnya. Kemudian, litografi pancaran 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 pengetsaan kering. Selepas itu, teras pandu gelombang LToI dibentuk menggunakan pengetsaan plasma resonans siklotron elektron (ECR). Akhir sekali, lapisan topeng logam disingkirkan melalui proses basah, dan lapisan SiO2 dimendapkan 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 masing-masing ialah 200 nm, 100 nm, dan 1000 nm. Perhatikan bahawa lebar teras mengembang kepada 3 µm di 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 imbasan (SEM) teras pandu gelombang LToI sebelum pemendapan lapisan SiO2.
Ciri-ciri Pandu Gelombang:Kami mula-mula menilai ciri-ciri kehilangan linear dengan memasukkan cahaya terkutub TE daripada sumber pancaran spontan yang diperkuat dengan panjang gelombang 1550 nm ke dalam pandu gelombang LToI dengan pelbagai panjang. Kehilangan perambatan diperoleh daripada cerun 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 bentuk mempamerkan prestasi kehilangan rendah yang setanding dengan pandu gelombang LNoI yang canggih [10].
Seterusnya, kami menilai ketaklinearan χ(3) melalui penukaran panjang gelombang yang dijana oleh proses pencampuran empat gelombang. Kami memasukkan lampu pam gelombang berterusan pada 1550.0 nm dan lampu isyarat pada 1550.6 nm ke dalam pandu gelombang sepanjang 12 mm. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b), keamatan isyarat gelombang cahaya fasa-konjugat (pemalas) meningkat dengan peningkatan kuasa input. Sisipan dalam Rajah 2 (b) menunjukkan spektrum output tipikal pencampuran empat gelombang. Daripada hubungan antara kuasa input dan kecekapan penukaran, kami menganggarkan parameter tak linear (γ) adalah lebih kurang 11 W^-1m.
Rajah 3.(a) Imej mikroskop resonator cincin yang telah dibuat. (b) Spektrum penghantaran resonator cincin dengan pelbagai parameter jurang. (c) Spektrum penghantaran resonator cincin yang diukur dan dipasang Lorentzian dengan jurang 1000 nm.
Seterusnya, kami telah menghasilkan resonator cincin LToI dan menilai ciri-cirinya. Rajah 3 (a) menunjukkan imej mikroskop optik bagi resonator cincin yang telah dihasilkan. Resonator cincin mempunyai konfigurasi "litar lumba kuda", 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-beza 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 iaitu -26 dB.
Menggunakan resonator gandingan kritikal, kami menganggarkan faktor kualiti (faktor Q) dengan memadankan spektrum penghantaran linear dengan lengkung Lorentzian, memperoleh faktor Q dalaman sebanyak 1.1 juta, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3 (c). Setahu kami, ini merupakan demonstrasi pertama resonator cincin LToI gandingan pandu gelombang. Terutamanya, nilai faktor Q yang kami capai adalah jauh lebih tinggi daripada resonator mikrocakera LToI gandingan gentian [9].
Kesimpulan:Kami membangunkan pandu gelombang LToI dengan kehilangan 0.28 dB/cm pada 1550 nm dan faktor Q resonator gelang sebanyak 1.1 juta. Prestasi yang diperoleh adalah setanding dengan pandu gelombang LNoI kehilangan rendah yang canggih. Di samping itu, kami mengkaji ketaklinearan χ(3) pandu gelombang LToI yang dihasilkan untuk aplikasi taklinear atas cip.
Masa siaran: 20-Nov-2024