Абстрактный:Мы разработали волновод на основе танталата лития на основе изолятора с длиной волны 1550 нм, потерями 0,28 дБ/см и добротностью кольцевого резонатора 1,1 миллиона. Исследовано применение χ(3)-нелинейности в нелинейной фотонике. Преимущества ниобата лития на изоляторе (LNoI), который демонстрирует превосходные χ(2)- и χ(3)-нелинейные свойства наряду с сильным оптическим ограничением благодаря своей структуре «изолятор-на-изоляторе», привели к значительному прогрессу в технологии волноводов для сверхбыстрых модуляторов и интегральной нелинейной фотоники [1-3]. Помимо LN, в качестве нелинейного фотонного материала исследовался также танталат лития (LT). По сравнению с LN, LT имеет более высокий порог оптического повреждения и более широкое окно оптической прозрачности [4, 5], хотя его оптические параметры, такие как показатель преломления и нелинейные коэффициенты, аналогичны параметрам LN [6, 7]. Таким образом, LToI выделяется как ещё один перспективный материал для нелинейных фотонных приложений с высокой оптической мощностью. Более того, LToI становится основным материалом для фильтров поверхностных акустических волн (ПАВ), применяемых в высокоскоростных мобильных и беспроводных технологиях. В этом контексте пластины LToI могут стать более распространёнными материалами для фотонных приложений. Однако к настоящему времени описано лишь несколько фотонных устройств на основе LToI, таких как микродисковые резонаторы [8] и электрооптические фазовращатели [9]. В данной статье мы представляем волновод LToI с низкими потерями и его применение в кольцевом резонаторе. Кроме того, мы приводим нелинейные характеристики χ(3) волновода LToI.
Ключевые моменты:
• Предлагаем пластины LToI размером от 4 до 6 дюймов, тонкопленочные пластины танталата лития с толщиной верхнего слоя от 100 нм до 1500 нм, с использованием отечественных технологий и отработанных процессов.
• SINOI: Тонкопленочные пластины из нитрида кремния со сверхнизкими потерями.
• SICOI: Высокочистые полуизолирующие тонкопленочные подложки из карбида кремния для фотонных интегральных схем на основе карбида кремния.
• LTOI: сильный конкурент пластинам ниобата лития и тонкопленочного танталата лития.
• LNOI: 8-дюймовый LNOI, поддерживающий массовое производство крупномасштабных тонкопленочных изделий из ниобата лития.
Изготовление на основе изоляторов волноводов:В данном исследовании мы использовали 4-дюймовые пластины LToI. Верхний слой LT представляет собой коммерческую подложку LT, повёрнутую на 42° по оси Y, для устройств на ПАВ, которая непосредственно приварена к кремниевой подложке с термически оксидным слоем толщиной 3 мкм с помощью интеллектуальной резки. На рисунке 1(a) показан вид сверху пластины LToI с толщиной верхнего слоя LT 200 нм. Шероховатость поверхности верхнего слоя LT была оценена с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Рисунок 1.(a) Вид сверху на пластину LToI, (b) АСМ-изображение поверхности верхнего слоя LT, (c) ПСМ-изображение поверхности верхнего слоя LT, (d) Схематическое поперечное сечение волновода LToI, (e) Рассчитанный профиль основной TE-моды и (f) СЭМ-изображение сердцевины волновода LToI до нанесения слоя SiO2. Как показано на рисунке 1 (b), шероховатость поверхности составляет менее 1 нм, и никаких царапин не обнаружено. Кроме того, мы исследовали состояние поляризации верхнего слоя LT с помощью пьезоэлектрической силовой микроскопии (ПСМ), как показано на рисунке 1 (c). Мы подтвердили, что однородная поляризация сохранялась даже после процесса связывания.
Используя эту подложку LToI, мы изготовили волновод следующим образом. Сначала был нанесен слой металлической маски для последующего сухого травления LT. Затем была выполнена электронно-лучевая (EB) литография для определения рисунка сердцевины волновода поверх слоя металлической маски. Затем мы перенесли рисунок резиста EB на слой металлической маски с помощью сухого травления. После этого сердцевина волновода LToI была сформирована с помощью плазменного травления на электронно-циклотронном резонансе (ЭЦР). Наконец, слой металлической маски был удален с помощью влажного процесса, и был нанесен верхний слой SiO2 с помощью плазменно-химического осаждения из паровой фазы. На рисунке 1 (d) показано схематическое поперечное сечение волновода LToI. Общая высота сердцевины, высота пластины и ширина сердцевины составляют 200 нм, 100 нм и 1000 нм соответственно. Обратите внимание, что ширина сердцевины расширяется до 3 мкм на краю волновода для соединения с оптоволокном.
На рисунке 1 (e) показано рассчитанное распределение оптической интенсивности основной поперечной электрической (TE) моды на длине волны 1550 нм. На рисунке 1 (f) показано изображение сердцевины волновода LToI, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) до нанесения слоя SiO2.
Характеристики волновода:Сначала мы оценили характеристики линейных потерь, вводя TE-поляризованный свет от источника усиленного спонтанного излучения с длиной волны 1550 нм в волноводы LToI различной длины. Потери распространения были получены из наклона зависимости между длиной волновода и коэффициентом пропускания на каждой длине волны. Измеренные потери распространения составили 0,32, 0,28 и 0,26 дБ/см на длинах волн 1530, 1550 и 1570 нм соответственно, как показано на рисунке 2 (a). Изготовленные волноводы LToI продемонстрировали характеристики низких потерь, сопоставимые с современными волноводами LNoI [10].
Далее мы оценили нелинейность χ(3) посредством преобразования длины волны, создаваемого четырёхволновым смешением. Мы вводили непрерывный свет накачки с длиной волны 1550,0 нм и сигнальный свет с длиной волны 1550,6 нм в волновод длиной 12 мм. Как показано на рисунке 2 (б), интенсивность сигнала обращённой (холостой) световой волны увеличивалась с увеличением входной мощности. На вставке к рисунку 2 (б) показан типичный выходной спектр четырёхволнового смешения. Из соотношения между входной мощностью и эффективностью преобразования мы оценили нелинейный параметр (γ), который составил приблизительно 11 Вт^-1 м.
Рисунок 3.(a) Микроскопическое изображение изготовленного кольцевого резонатора. (b) Спектры пропускания кольцевого резонатора с различными параметрами зазора. (c) Измеренный и подобранный по закону Лоренца спектр пропускания кольцевого резонатора с зазором 1000 нм.
Затем мы изготовили кольцевой резонатор LToI и оценили его характеристики. На рисунке 3 (а) представлено изображение изготовленного кольцевого резонатора, полученное с помощью оптического микроскопа. Кольцевой резонатор имеет конфигурацию «гоночной дорожки», состоящую из изогнутой области радиусом 100 мкм и прямолинейной области длиной 100 мкм. Ширина зазора между кольцом и сердцевиной волновода шины варьируется с шагом 200 нм, а именно на длинах волн 800, 1000 и 1200 нм. На рисунке 3 (б) представлены спектры пропускания для каждого зазора, показывающие, что коэффициент затухания изменяется с размером зазора. Из этих спектров мы определили, что зазор 1000 нм обеспечивает условия, близкие к критическим, поскольку он демонстрирует максимальный коэффициент затухания -26 дБ.
Используя критически связанный резонатор, мы оценили добротность (Q) путём подгонки линейного спектра пропускания лоренцевой кривой, получив внутреннюю Q 1,1 миллиона, как показано на рисунке 3 (c). Насколько нам известно, это первая демонстрация кольцевого резонатора LToI с волноводной связью. Примечательно, что достигнутое нами значение Q значительно выше, чем у микродисковых резонаторов LToI с волоконной связью [9].
Заключение:Мы разработали волновод LToI с потерями 0,28 дБ/см на длине волны 1550 нм и добротностью кольцевого резонатора 1,1 миллиона. Полученные характеристики сопоставимы с характеристиками современных волноводов LNoI с низкими потерями. Кроме того, мы исследовали нелинейность χ(3) изготовленного волновода LToI для нелинейных приложений на кристалле.
Время публикации: 20 ноября 2024 г.